光電子封裝技術的研究

1、摘要木設計主要闡述了國內外的新型封轉技術，包扌舌電了封轉技術以及光電了 封裝技術在現(xiàn)階段的發(fā)展和未來的發(fā)展方向和趨勢。光電子封裝在光通信系統(tǒng)下 的不同類級別的封裝，從而更快的傳輸速率，更高的性能指標、更小的外形尺寸 和增加光電集成的水平和低成木的封裝工藝技術。使得光屯子封裝系統(tǒng)擁有高效、 穩(wěn)定、口動化程度高的特點，從而適合市場的變換跟需求。關鍵詞光電子封裝光通信系統(tǒng)高性能低成本高效自動化目 錄摘要2緒言4新型封裝技術51.1電子封裝技術51.2光電子封裝技術6二光電子封裝技術的現(xiàn)狀6三光電子器件封裝技術7四.光電了封裝在未來的生產中的發(fā)展両景9五國內外光電子封裝設備廠家10參考文獻 11緒言光

2、電了封裝是把光電器件芯片與相關的功能器件和電路經過紐裝和電互連 集成在一個特制的管殼內，通過管殼內部的光學系統(tǒng)與外部實現(xiàn)光連接。光電子 封製是繼微電子封裝z后的一項迅猛發(fā)展起來的綜合高科技產業(yè)，光電子封裝不 但要求將機械的、熱的及壞境穩(wěn)定性等因素在更高層次結合在一起，以發(fā)揮電和 光的功能；同吋需耍成本低、投放市場快。隨著電子技術的飛速發(fā)展，封裝的小 型化和組裝的高密度化以及各種新型封裝技術的不斷涌現(xiàn)，對電了組裝質量的要 求也越來越高。所以電子封裝的新型產業(yè)也出現(xiàn)了，叫電子封裝測試行業(yè)。可對 不可見焊點進行檢測。述可對檢測結果進行定性分析，及早發(fā)現(xiàn)故障。現(xiàn)今在電 子封裝測試行業(yè)中一般常用的有人工

3、目檢，在線測試，功能測試，自動光學檢測 等，其人工目檢相對來說有局限性，因為是用肉眼檢查的方法，但是也是最簡單 的。電了封裝的主要制造技術，內容包括電了制造技術概述、集成電路基礎、集 成電路制造技術、元器件封裝工藝流程、元器件封裝形式及材料、光電器件制造 與封裝、太陽能光伏技術、印制電路板技術以及電子組裝技術。使用光電子封裝, 對于產品的有效性使用，及保養(yǎng)性，都是具有十分重要的意義的。新型封裝技術1.1電子封裝技術電子封裝是一個富于挑戰(zhàn)、引人入勝的領域。它是集成電路芯片生產完成后 不可缺少的一道工序，是器件到系統(tǒng)的橋梁。封裝這一生產環(huán)節(jié)對微電了產品的 質量和競爭力都有極大的影響。按目前國際上流

4、行的看法認為，在微電子器件的 總體成本小，設計占了三分z-,芯片生產占了三分而封裝和測試也占了 三分之一，真可謂三分天下有其一。封裝研究在全球范圍的發(fā)展是如此迅猛，而 它所面臨的挑戰(zhàn)和機遇也是自屯子產品問世以來所從未遇到過的；封裝所涉及的 問題z多z廣，也是其它許多領域中少見的，它需要從材料到工藝、從無機到聚 合物、從大型生產設備到計算力學等等許許多多似乎毫不關連的專家的協(xié)同努 力，是一門綜合性非常強的新型高科技學科。什么是電子封裝（electronic packaging）?封裝最初的定義是：保護電路芯片 免受周圍環(huán)境的影響（包括物理、化學的影響）。所以，在最初的微電子封裝中, 是用金屬罐（

5、metal can）作為外殼，用與外界完全隔離的、氣密的方法，來保護 脆弱的電子元件。但是，隨著集成電路技術的發(fā)展，尤其是芯片鈍化層技術的不 斷改進，封裝的功能也在慢慢異化。通常認為，封裝主要有四大功能，即功率分 配、信號分配、散熱及包裝保護，它的作用是從集成電路器件到系統(tǒng)之間的連接, 包括屯學連接和物理連接。口前，集成屯路芯片的i/o線越來越多，它們的電源 供應和信號傳送都是要通過封裝來實現(xiàn)與系統(tǒng)的連接；芯片的速度越來越快，功 率也越來越大，使得芯片的散熱問題fi趨嚴重；由于芯片鈍化層質量的提高，封 裝用以保護電路功能的作用其重要性正在下降。12光電子封裝技術光電子封裝是光電子器件、屯子元器

6、件及功能應用材料的系統(tǒng)集成。光電子 器件和模塊的封裝形式，根據其應用的廣度可以分為商業(yè)標準封裝和客戶要求的 專有封裝。其中商業(yè)標準封裝乂可分為同軸to封裝、同軸器件封裝、光電子組 件組裝和光電子模塊封裝等幾種。對于同軸器件封裝來說有同軸尾纖式器件（包 括：同軸尾纖式激光器、同軸尾纖式探測器、尾纖型單纖雙向器件）和同軸插拔 式器件（包括：同軸插拔式激光器、同軸插拔式探測器、同軸插拔式單纖雙向器 件）。其封裝接口的結構有sc型、fc型、lc型、st型、mu-j等形式。二光電子封裝技術的現(xiàn)狀光電了組件封裝的封裝結構形式有雙列直插式封裝(dip)、蝶形封裝 (butterfly packaging)

7、小型化雙列直插式封裝(mini-dil)等兒種。光電子 模塊封裝的結構形式有：19 sc雙端插拔型收發(fā)合一模塊、19雙端尾纖型收發(fā)合一模塊，以及sff、sfp、gbic、xfp、zen-pak、x2等多廠家協(xié)議標準 化的封裝類型。此外，還有各種根據客戶需要設計的專有封裝。光電子器件、組 件和模塊在封裝過程中涉及到的工藝按照封裝工藝的階段流程和程序，可以具體 細分為：驅動及放大芯片(1c)封裝：這類封裝屬于普通微電子封裝工藝。這類 封裝的主要形式有小外形塑料封裝(sop或soic)；塑料有引線封裝(plcc)、 陶瓷無引線封裝(lccc)；方形扁平封裝(qfp)球柵陣列封裝(bga)以及芯片 尺

8、寸封裝(csp或ubga)o裸芯片(die)封裝：這類封裝包括各種ic及半導體 發(fā)光和接收器件，主要形式有：板載芯片(cob)；載帶口動鍵合(tab)；倒裝芯 片(flip chip)等。目前，在光電子器件及組件屮發(fā)光和接收的裸片與集成芯 片(ic)或i/o外引線的連接，就是基于陶瓷板載芯片的共晶焊接或膠結以及 金絲球鍵合(bonding)o器件或組件(device &. component)封裝：這類封裝 是指將上述板載芯片如何與光纖或連接器進行耦合封裝，從而達到光互連的目 的。模塊封裝：這類封裝就是傳統(tǒng)的smd封裝，即將光器件或組件與pcb板電互連, 然后通過各種msa協(xié)議或客戶指

9、定的外殼進行封裝的工藝形式。光電干慶時載si制作滋光芒芯言探測衽芯言工v芯片制作/處理工藝雙列頁樹封茶*雙列直幅毀詼同紬封裝v高速封熱i尾纖氏1i插拔式各種模塊外芫口封族形式圖1光電子器件/組件/模塊封裝流程及圖例三光電子器件封裝技術半導體光器件管芯封裝包括光發(fā)射器件管芯(ld-chip)封裝和光接收器件管 芯(pd-chip)封裝。我們通常所指的to封裝、雙列直插封裝(dip)、蝶形封裝 (butterfly)以及小型化雙列直插(mini-dil)封裝都屬于這一類封裝。但是， 基于光發(fā)射器件與光接收器件的不同工作原理和工作環(huán)境，兩者在封裝技術和工 藝方面具有其各口的特點。主要的封裝過程有芯管

10、封裝、器件(管芯)耦合封裝 及模塊封裝。其屮芯管封裝、耦合封裝是光電子封裝的重要工藝過程。圖2典型的光電子器件/組件封裝外形sc插拔型同軸激光器的製配圖如圖3所示。其小to激光器的封裝為芯管封裝,to激光器與陶瓷插針體、管體、sc型適配器的封裝過程為耦合封裝過程。to激光曙圖3 sc插拔型同軸激光器的裝配圖半導體激光器to封裝是一種典型的同軸器件封裝形式，它具有體積小、結構緊湊、成本較低的優(yōu)點。其具休結構見圖4所示，它包括激光器芯管、背光探測器、過度塊、透鏡、to底座及to帽，通過金絲引線鍵合互連和氣密性封裝組成-個光器件單元。我們稱z為半導體激光器to管芯。圖4 to激光器封裝結構示意圖對半

11、導休激光器芯管封裝，根據前述需要考慮的相關因索以及器件作為產品的本 身的可靠性要求(參照gr-468-c0re及mil-std-883),在封裝過程屮我們必須 關注過度塊、熱沉、to激光器芯管焊料、背光探測器芯管粘接劑等材料的熱傳 導特性、熱膨脹系數、材料的擴散以及相應的工藝性(如：可焊性等)。熱沉多選用銅、鈣銅、硅、碳化硅、銀或各種先進的合成材料，女口：碳纖維銅含 銀的invar合金等。通常情況下，裸芯片并不是直接安裝在熱沉上，而是安裝 在過度塊上。通常過度塊起到橫向散熱的作用，避免發(fā)光器件局部溫度升高；此 外，過度塊的熱膨脹系數(cte)介于半導體材料和熱沉之間，可以達到有效匹配 熱變形的

12、能力，從而有效減小安裝工藝過程中產生的應力。值得一提的是氮化鋁 (ain, cte二4.3 10-6/ k)具有良好的線膨脹匹配能力且導熱能力(熱導率 =170-200 m k)良好，因此在實際生產屮被廣泛的采用。目前，芯管焊接可 以有多種焊料選擇,如 錫(sn),錫-鉛(sn-pb),鋼(in)以及金-錫(au-sn) 或金-銘(au-ge)共晶合金。為了減少芯管焊接過程中產生的應力，目前多采用 錮代替錫。在gms芯管的品片共品焊接過程中，為了進一步的減小應力多采用 硅(si)和碳化硅(sic)代替金剛石作為過度塊。另外，考慮到芯管焊接結合區(qū) 由于金(au)擴散進入錮(in)合金層會使焊接結

13、合層的熱阻、電阻出現(xiàn)衰退現(xiàn) 彖，并且形成脆性相的金屈間化合物，主要是:au9in4o在錫(sn)和錫-鉛(sn-pb) 焊接結合處，當焊層屮熔入一定量的金(au)時，同樣形成脆性相的金屬間化合 物ausn4o這些金屬間化合物的形成，將使焊接層性能不穩(wěn)定。通常采取在熱沉的表面蒸發(fā)一層含金的共品合金如：au88gel2或au80sn20來 提高焊接結合區(qū)的穩(wěn)定性。多層au-sn焊料可以在低于其共晶點(80au20sn, 280 c)的條件下得到無孔隙和空洞的焊接結合層，因此在實際生產中au-sn合 金焊料被廣泛的采用。采用共晶焊接技術來實現(xiàn)激光器芯管和過渡塊z間的聯(lián) 接。需要避免形成大量的金屬間化

14、合物(imc),通常采取適當的工藝在結合材料 間形成擴散勢壘，以阻止不良金屬間化合物的形成。女口：鉤(w)擴散勢壘可以 有效減少金(au)從芯管鍍層或熱沉向鋼(in)焊接區(qū)的擴散；線(ni)擴散勢 壘，通常1-5 m厚，可以右效阻止銅(cu)元索向錮(in)焊接區(qū)的快速擴 散。通過在薄的擴散勢壘層表而濺射0.3 m薄的金(au)層可以有效改進勢 壘層的潤濕性能并阻止au-sn合金中sn的損耗。焊料層、半導體材料以及熱沉的氧化 必須通過表面鍍金層來減少，液體助焊劑也是一種傳統(tǒng)的減少氧化層來提高潤濕 性能，降低焊層表面張力，但是由于液體活性助焊劑的腐蝕性和殘留物會降低光 電子封裝的穩(wěn)定性限制了它的

15、使用，通常在低的焊接溫度下(200-230c),采用醋酸或蟻酸蒸汽作為助焊劑。在高于300 c時，最常用的方法是采用含氫 的氣體(如：h2-n2或h2-ar2混合氣體)作為保護，來防止氧化物的形層，提 高焊接的質量穩(wěn)定性和可靠性。半導體接收光器件的封裝主要是實現(xiàn)半導體光電 探測器的光和電的互聯(lián)。它同樣需要考慮封裝過程中電、熱、光和密封環(huán)境的影 響，只是與激光器管芯封裝相比這些因素屮除電信號或噪聲的影響因素相對較大 外，其它因素的影響相對要弱一些。我國正在成為世界電子制造的犬國，耍成為電子制造的強國，需耍更多創(chuàng)新 型、國際化的專業(yè)技術。據歐洲光伏工業(yè)協(xié)會epia預測，太陽能光伏發(fā)電在21 世紀會

16、占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世 界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構屮將占到30%以 上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應小的占比也將達到10%以上；到2040 年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以 ±到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占 到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域 重要的戰(zhàn)略地位。好的封裝設計能夠將光電子芯片的性能充分體現(xiàn)出來，將封裝 寄生參數的影響降到最低。另外通過封裝技術與對光電子芯片寄生參數的進行補 償，可以使

17、器件的高頻性能有所提高?？梢姽怆娮臃庋b的重要性，光電子元件的 問世將推動電子組裝行業(yè)進-步向縱深發(fā)展，不過，必須在降低光電子元件封裝 的成木前提下，才能夠實現(xiàn)這種技術的推廣應用?？倆,光電了封裝的前景是好 的，它將成為被關注的對象并被應用于各個領域中?？?2005年可再生能源法 公布以來，國家有關部門相繼公布了可再生能源產業(yè)發(fā)展指導口錄、可再生 能源中長期發(fā)展規(guī)劃、可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃等文件，出臺了一系 列政策措施，營造了較好的鼓勵國內市場發(fā)展的政策環(huán)境。我們希望，國內光伏 市場能夠由此進入一個快速發(fā)展的時期，從而為我國的太陽能電池產業(yè)開辟更好 的市場前景。國家將大力發(fā)展光伏產業(yè)及其周

18、邊產業(yè)技術的發(fā)展，光電子產品的 設計者和制造這類元件、模塊和設備的廠家必將能夠滿足通訊領域的潛在需求和 將來的更大需求。五.國內外光電子封裝設備廠家大連芯拓光電有限公司成立于2005年11月，是由海外留學歸國人員創(chuàng)立的 高新技術企業(yè)。他們具有在世界著名半導體公司多年的研究和工作經驗，累計在 該領域擁有近40多項專利，發(fā)表近200篇學術文章。芯拓光電主要從事光電了 封裝光電、集成電路及精細化工產品的研發(fā)。香港應用科技研究院有限公司一直透過創(chuàng)新及科技基金支持應科院的研 究項目，其中，基金撥出約四千萬港元資助三項光電子封裝技術項目。光 電子科技項目研發(fā)外，應科院現(xiàn)時進行的研究範疇包括無線通訊技術、互聯(lián)網應 用、集成電路設計以及生物科技等。參考文獻1 光 電 子 封 裝 技 術 研 究 http:/www. astri. org/news/press/ch