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光电子器件系统封装

光电子器件系统封装是把光电子器件、电子元器件及功能应用原材料进行封装的一个系统集成过程。光电子器件封装在光通讯系统、数据中心、工业激光、民用光显示等领域应用广泛。主要可以分为如下几个级别的封装:芯片IC级封装、器件封装、模块封装、系统板级封装、子系统组装和系统集成。

1 光电子器件封装形式

光电子器件与一般的半导体器件不同,它除了含有电学部分外,还有光学准直机构,因此器其封装结构比较复杂,并且通常由一些不同得子部件构成。其子部件一般有两种结构,一种是激光二极管、光电探测器等部分都安装在密闭型得封装里面。根据其应用可以分为商业标准封装和客户要求的专有封装。其中商业标准封装可以分为同轴TO 封装,蝶形封装。

1.1  TO封装

同轴封装是指管体内的光学元件(激光器芯片、背光探测器)、透镜和外部连接的 光纤的光路在一同心轴线上。同轴封装器件内部的激光器芯片和背光探测器贴装在氮化铝热沉上,通过金线引线与外部电路实现导通,由于同轴封装仅存在一个透镜,相较于蝶形封装提高了耦合效率。

TO管壳所用材料主要为不锈钢或可伐合金。整个结构由底座、透镜、外部散热块等部位组成,结构上下同轴。通常,TO封装激光器的内部有激光器芯片(LD)、背光探测器芯片(PD)、L型支架等,若带内部温控系统如TEC则内部还需要热敏电阻和控制芯片等部位。图1.1为带透镜的TO激光器示意图

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图1.1 带透镜的TO激光器

1.2  蝶形封装

由于外形像蝴蝶一样,所以这种封装形式被称为蝶形封装,如图 1.2 所示为蝶形封 装光器件的外形图。蝶形封装在高速率、长距离传输的光纤通信系统中技术应用的较为广泛。具有一些特点,如蝶形封装体内的空间大,易于半导体热电制冷器的贴装,实现对应的温控功能;相关的激光器芯片、透镜等元件易于在体内进行布局;管腿分布两侧,易于实现电路的连接;且结构方便进行测试与包装。壳体通常为长方体,结构及实现功能通常比较复杂,可以内置制冷器、热沉、陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控,并且可以支持所有以上部件的键合引线。壳体面积大,散热好。

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图 1.2蝶形封装激光器

2光电子器件封装工艺

对半导体激光器芯片的封装对可靠性的要求可参考 MIL-STD-883,在封装过程中必须关注过度块、热沉、焊料、胶水等材料的热传导特性、热膨胀系数、材料的扩散以及响应的工艺特性。

热沉多选用铜、钨铜、硅、陶瓷、可伐或各种其他合成材料等。通常情况下,裸芯片通过焊接或者银胶粘结在陶瓷过度块上,过度块起到横向散热作用,避免发射器件局部温度升高。此外过度块的热膨胀系数介于芯片材料热沉之间,可以达到有效的热变形匹配。从而有效减小安装工艺过程中温度变化或者固化过程中产生的应力。陶瓷AlN具有良好的线膨胀匹配能力且导热良好,因此在实际生产中被广泛的应用。

器件的封装也可以分为封装设计和封装工艺。封装设计阶段需要根据使用的目标选择封装的结构,完成封装机械结构的设计,尽量选择现有的通用管壳。同时进行封装的设计仿真包括热仿真,应力仿真,射频仿真。再说合计阶段同时兼顾工艺的优化设计。如图表2.1

表2.1 光电芯片封装设计

封装设计
封装结构 封装机械结构设计 设计结构形式与管壳选型
封装热仿真 根据芯片功耗设计热结构 进行ansys热仿真
封装应力分析 根据芯片热变化设计应力结构 进行热应力分析,选择胶水,封装工艺
封装工艺优化设计 根据封装工艺设计结构 设计封装工艺流程优化设计

完成了封装的设计进行封装的工艺验证与封装的实施。工艺流程如下表4.2

表2.2 光电子器件基本工艺

封装工艺
工艺 使用设备 内容
检验 金相显微镜 目检芯片缺陷、管壳缺陷,封装物料缺陷
和保存图片
立式显微镜
贴片共晶 贴片机 胶粘结与金锡共晶
烘烤 氮气烤箱 固化胶水,老化烘烤
清洗 超声清洗or等离子清洗 清洗焊接好的物料用于打线
绑线 绑线机 金丝球焊
光学耦合 光学耦合台 耦合透镜或者光纤
检验 立式显微镜 封盖前目检,保存图片
封盖 封盖机+手套箱 平行封焊,管壳内充氮气
精密捡漏 捡漏机 氦泵+捡漏机
粗捡漏 粗捡漏箱 F4油捡漏
测试 高低温测试箱 提供高低温测试

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