Tecnología de PCB - Tecnología y encapsulamiento de dispositivos moems para diseño de PCB

Introducción

El sistema de micromecánica fotoeléctrica (moems) es una tecnología emergente que se ha convertido en una de las más populares del mundo. El moems es un sistema micromecánico (microelectromes) que utiliza un sistema fotónico que incluye moduladores ópticos micromecánicos, interruptores ópticos micromecánicos, IC y otros componentes, y que utiliza la miniaturización, diversidad y Microelectrónica de la tecnología microelectrónica para lograr una integración perfecta de dispositivos ópticos y eléctricos. En pocas palabras, moems es una mayor integración de chips a nivel de sistema. En comparación con los equipos de máquinas ópticas grandes, los equipos pcbdesign moems son más pequeños, más ligeros, más rápidos (mayor frecuencia de resonancia) y se pueden producir en masa. En comparación con el método de guía de onda, este método de espacio libre tiene las ventajas de baja pérdida de acoplamiento y pequeña conversación cruzada. Los cambios en la fotónica y la tecnología de la información han impulsado directamente el desarrollo de moems. La figura 1 muestra la relación entre microelectrónica, micromecánica, optoelectrónica, fibra óptica, microelectromes y moems. Hoy en día, la tecnología de la información se desarrolla rápidamente y se actualiza constantemente. para 2010, la velocidad de apertura de la luz puede alcanzar TB / S. la creciente tasa de datos y los requisitos de la nueva generación de equipos de mayor rendimiento impulsan la demanda de moems e interconexión óptica, y la aplicación de dispositivos moems de diseño de PCB En el campo de la Optoelectrónica continúa creciendo.

Diseño de PCB dispositivos moems y tecnología diseño de PCB dispositivos moms se dividen en tipo de interferencia, tipo de difracción, tipo de transmisión y tipo de reflexión de acuerdo con sus principios de funcionamiento físico (véase la tabla 1), la mayoría de los cuales utilizan dispositivos tipo reflexión. El moems ha logrado un desarrollo notable en los últimos años. En los últimos años, debido al aumento de la demanda de comunicaciones de alta velocidad y transmisión de datos, se ha estimulado en gran medida la investigación y el desarrollo de la tecnología moems y sus equipos. Se han desarrollado los dispositivos moems de diseño de PCB de luz reflectante de alta tasa de datos necesarios con baja pérdida, baja sensibilidad emv y baja conversación cruzada.

Hoy en día, además de dispositivos simples como atenuadores ópticos variables (voa), la tecnología moems también se puede utilizar para fabricar láseres emisores de superficie de cavidad vertical tunables (vcsel), moduladores ópticos, fotodetectores selectivos de longitud de onda tunables y otros dispositivos ópticos. Componentes y filtros activos, interruptores ópticos, multiplexadores de División óptica de longitud de onda programables (oadm) y otros componentes pasivos ópticos, así como conexiones ópticas cruzadas a gran escala (oxc).

En la tecnología de la información, una de las claves de las aplicaciones ópticas es la fuente de luz comercial. Además de las fuentes de luz monolíticas (como las fuentes de radiación térmica, led, LD y vcsel), las fuentes de luz moems con dispositivos activos son particularmente preocupantes. Por ejemplo, en un vcsel tunable, la longitud de onda emitida del resonador se puede cambiar cambiando la longitud del resonador a través de la micromecánica, logrando así la tecnología wdm de alto rendimiento. En la actualidad, se ha desarrollado un método de ajuste del voladizo de soporte y una estructura móvil con brazo de soporte.

También se ha desarrollado un interruptor óptico moems con una matriz de espejos y espejos móviles para ensamblar conjuntos de oxc, paralelos e interruptores. La figura 2 muestra un interruptor de fibra óptica moems de espacio libre con un par de actuadores en voladizo en forma de u para el movimiento lateral de la fibra óptica. En comparación con las guías de onda de conmutación tradicionales, sus ventajas son la baja pérdida de acoplamiento y la pequeña conversación cruzada.

Los filtros con una amplia gama de ajustables continuos son un dispositivo muy importante en las redes DWDM variables y se han desarrollado filtros moems f P que utilizan diversos sistemas de materiales. Debido a la flexibilidad mecánica de las aperturas tunables y la longitud efectiva de la cavidad óptica, el rango tunable de longitud de onda de estos dispositivos es de solo 70 nm. La compañía japonesa opponext ha desarrollado un filtro moems f P con un ancho ajustable récord. El filtro se basa en la tecnología muinp / Air Gap moems. La estructura vertical está compuesta por un diafragma INP suspendido en seis capas. La película es una estructura circular apoyada por tres o cuatro marcos colgantes. La Plataforma de soporte rectangular está conectada. Su filtro f P tunable continuo tiene una barrera muy amplia que cubre la segunda y tercera ventanas de comunicación óptica (1.250 a 1.800 nm), con un ancho de ajuste de longitud de onda superior a 112 nm y un voltaje de conducción tan bajo como 5v.

La mayoría de las tecnologías de producción de moems han evolucionado directamente de la industria IC y sus estándares de fabricación. Por lo tanto, en moems se utilizan técnicas de micromecánica a granel y superficial y micromecánica de alto rendimiento (harm). Pero hay otros desafíos, como el tamaño del molde, la uniformidad del material, la tecnología tridimensional, la morfología de la superficie y el tratamiento final, la desigualdad y la sensibilidad a la temperatura.

Por lo general, la tecnología de litografía se utiliza ampliamente para hacer patrones estructurales. Además, la litografía sin máscara también se puede utilizar para fabricar patrones convencionales. Por ejemplo, se utiliza en superficies de materiales fotosensibles como polímeros. Para obtener una superficie de bajo índice de refracción, también se puede hacer un patrón bidimensional que pueda reemplazar el recubrimiento antireflejo multicapa tradicional y que pueda usarse en moems para mejorar su rendimiento. Los materiales utilizados y sus técnicas de deposición son similares a los procesos IC estándar, como la oxidación térmica de si, lpcvd, pecvd, pulverización, galvanoplastia, etc., y también se pueden utilizar diferentes tipos de técnicas de grabado húmedo y seco. Por ejemplo, las ranuras en forma de SIV se pueden hacer con precisión mediante grabado isotrópico húmedo, y se utilizan ampliamente en la alineación y encapsulamiento de fibras ópticas y dispositivos fotoelectrónicos. Los microespejos se pueden fabricar mediante el grabado de iones reactivos húmedos (drie) y el micromecanizado de la superficie. También se pueden obtener estructuras no planas con grandes relaciones de modo longitudinal mediante el uso de técnicas de honing fino.

En la actualidad, el método más utilizado es la tecnología de plano de silicio micromecánico con protuberancias de chip, lo que hace posible métodos de montaje de IC estándar y de bajo costo. Para proteger el chip, la superficie del chip se puede sellar con un recubrimiento de gel y se puede utilizar el método de soldadura por flujo cóncavo (irs) como método para mejorar el embalaje a nivel de obleas. Algunos de los nuevos productos moems son particularmente sensibles a la temperatura. Los dispositivos con cables suelen soldarse a mano, mientras que los dispositivos de montaje de superficie se soldan por láser.

Moems utiliza tecnologías exitosas como circuitos de retroalimentación analógicos, optimización de procesos y diseño secundario. Además de las simulaciones mecánicas, térmicas y eléctricas, se presentan las simulaciones ópticas (bpm) y la evaluación del rendimiento. Además, debido a los altos requisitos de alineación óptica, para lograr los requisitos completos de encapsulamiento e interconexión de dispositivos ópticos, se introdujo la tecnología de encapsulamiento en la simulación de diseño. La figura 3 muestra la simulación de diseño de moems y el proceso técnico.

Además de estudiar y desarrollar dispositivos moems prácticos de diseño de pcb, el principal desafío actual es ensamblar y encapsular dispositivos confiables en envases especiales. Aunque se han desarrollado muchos equipos, hay pocos equipos en el mercado que puedan funcionar de manera confiable. Una de las razones es la dificultad de encapsulamiento y la dificultad de lograr enlaces ópticos confiables y de bajo costo. Especialmente a medida que los dispositivos moems de diseño de PCB entran en el campo de aplicación, el principal problema es la alineación óptica y el embalaje. Además, la pérdida real de los dispositivos moems diseñados por PCB también depende de la tecnología de encapsulamiento.

A diferencia de los métodos de embalaje estándar, los componentes y envases moems son aplicaciones especiales. Debido a que cada dispositivo moems diseñado por PCB se desarrolla sin estándares y diferentes aplicaciones tienen diferentes requisitos de encapsulamiento, la tecnología de fabricación de moems es principalmente la tecnología de encapsulamiento, y el costo de encapsulamiento representa la mayor proporción de moems, representando entre el 75% y el 95% del costo total del sistema. Por lo tanto, Algunos desarrolladores dicen: el embalaje es un proceso, no una ciencia.

Por lo general, el paquete moems se divide en tres niveles: nivel de chip, nivel de dispositivo y nivel de sistema. Entre ellos, el paquete a nivel de chip incluye pasivación, aislamiento y soldadura del chip, proporcionando rutas de alimentación, conversión de señal y cables de interconexión, así como protección y aislamiento de pasivación de elementos sensores y aplicadores; El paquete a nivel de dispositivo incluye medición y conversión de señales, Unión de cables y soldadura de componentes; El sistema incluye embalaje, producción, montaje y pruebas en el paquete. Encapsulado con interruptor óptico 2 * 2 de fibra de vidrio y lente esférica. Este conmutador óptico moems de alto rendimiento, bajo rendimiento y producción en masa puede cumplir con los requisitos de toda la red óptica para equipos.

Requisitos de embalaje moems

Los requisitos de embalaje de moems son: resistencia a impactos mecánicos y térmicos, resistencia a vibraciones y corrosión química, larga vida útil. Incluye el grosor de la pasta y la pasta, el corte de la pasta, el proceso de colocación del chip fijo, el control térmico, el aislamiento por estrés, el embalaje sellado, la inspección y el ajuste.

Espesor de la adherencia de chips y chips: la adherencia de chips suele ser bastante gruesa (más de 1 mm), pero hoy en día el mercado de encapsulamiento IC estándar se está desarrollando hacia múltiples dimensiones, lo que representa un gran desafío para la tecnología de encapsulamiento porque algunos equipos de montaje tradicionales no están disponibles. No hay herramientas estandarizadas.

Corte de obleas: el proceso de corte de obleas es el mayor problema. Con la Operación manual de la cinta adhesiva, el flujo de agua y la vibración pueden destruir la estructura micromecánica de la pequeña superficie. Además, el Corte antes de grabar la capa de sacrificio aumenta el costo. Debido a que el encapsulamiento de primer nivel moems no tiene que entrar en contacto con el entorno circundante, este problema se puede resolver. Control térmico: debido a que las fluctuaciones térmicas pueden causar inestabilidad en el rendimiento, mientras que diferentes materiales Cte pueden causar que la luz salga del eje, es necesario realizar el control térmico en el chip y el paquete. Los radiadores como los termorreguladores se pueden utilizar para enfriarse para mantener una temperatura constante. La instalación del chip utiliza materiales de plata rellenos de soldadura o resina epoxi con alta conductividad térmica.

Aislamiento por estrés: las tensiones mecánicas o térmicas en los dispositivos moems de diseño de PCB están relacionadas con su principio de funcionamiento. Se cree que los problemas funcionales y de estrés causados es es por la pérdida de desajuste reducen la fiabilidad y el rendimiento, y generalmente son causados es es por la lenta contracción del adhesivo que conecta el chip de silicio al encapsulamiento o la resina epoxi.

Embalaje sellado: el embalaje sellado se utiliza generalmente para mejorar la fiabilidad a largo plazo del equipo. Por lo general, se bombea o se llena con gases inertes para evitar que la humedad, el vapor de agua y la contaminación entren en la carcasa o corroan el ambiente. Las carcasas herméticas deben fabricarse con metal, cerámica, silicio o vidrio de espesor milimétrico y deben garantizarse conexiones herméticas al realizar interconexiones eléctricas y ópticas.

Inspección y ajuste: debido a pequeñas desviaciones durante el proceso de fabricación, el equipo moems de diseño de PCB debe ser inspeccionado para cumplir con los indicadores técnicos necesarios. Uno es el uso de resistencias de ajuste láser o métodos de ablación láser, y el otro es el uso de métodos de compensación electrónica.

Tecnología de encapsulamiento moems

La tecnología de encapsulamiento moems se puede dividir en los principales aspectos de fijación de moldes, carcasa, cableado e interconexión óptica. En moems, los equipos comerciales requieren un práctico moems híbrido de envases de blindaje confiables y seguros. Debido a la falta de contacto y no invasiva de la óptica, el diseño de PCB del paquete de dispositivos moems es mucho más fácil que el paquete de dispositivos microelectrónicos, y se puede utilizar el diseño de microelectromes, pero requiere una alineación óptica excelente y confiable.

Alineación óptica: para obtener sistemas confiables y de baja pérdida. La alineación de los dispositivos ópticos es lo más importante en el moems. En la actualidad, el moems tiene dos métodos: alineación pasiva y alineación activa. La alineación pasiva se realiza generalmente una vez durante el proceso de fabricación. Los errores de fabricación o los cambios de temperatura pueden reducir la precisión de alineación. Estos errores se pueden compensar mediante un sistema de alineación activa. La alineación activa es más compleja, pero la alineación activa ayuda a reducir las tolerancia del sistema y permite la alineación en tiempo real de equipos ópticos. La alineación óptica de aplicaciones multimodo puede utilizar estructuras de guía de ondas pasivas, como ranuras en V de silicio. Un método maduro para ensamblar módulos moems es ensamblar fotones de alineación pasiva basados en la tecnología de micromecánica si Optics step / Si. También se puede utilizar para la alineación pasiva de fibra monomodo y componentes ópticos o eléctricos integrados híbridos, dependiendo principalmente de la precisión de la ranura en forma de V. Esta tecnología de encapsulamiento se ha desarrollado en sustratos de silicio autoajustados a nivel de chip. Para evitar el Movimiento de la fibra óptica, la Guía de onda INP se utiliza en lugar de la Operación manual de la fibra óptica. Debido a la falta de precisión de la propia tecnología moems, la mayoría de los dispositivos monomodo, como oxc, deben usar alineación activa.

En el campo de la interconexión óptica y el almacenamiento óptico en el espacio libre, se simulan y estandarizan los subsistemas de luz integrados con requisitos especiales. Para cumplir con los requisitos de alineación, es necesario minimizar la libertad de posicionamiento y se han desarrollado módulos prefabricados con dispositivos de posicionamiento. Para combinar libremente diferentes componentes estándar, la clave es establecer estándares mecánicos y ópticos. El típico interruptor óptico moems autoensamblado ha dado un gran paso hacia una alta integración.

Carcasa: los requisitos de interfaz geométrica de moems son similares a los requisitos de interfaz geométrica de la integración plana. En la integración del espacio libre plano, debido a que la luz se propaga en el sustrato en un ángulo fuera del eje, y todas las funciones ópticas se completan en la superficie del sustrato. Por lo tanto, su interfaz también se encuentra en la superficie del sustrato. Por lo tanto, no se puede encapsular junto con el encapsulamiento IC tradicional. En general, el chip se coloca en una carcasa cerrada para evitar que la óptica sensible se vea afectada por la luz exterior, pero el canal de luz debe mantenerse y es necesario diseñar una máscara o ventana guía de luz en la carcasa. En la actualidad, moems tiene muchas tecnologías de embalaje comercial, y los métodos de embalaje ampliamente utilizados incluyen tres tipos comunes de cerámica, plástico y metal. Debido a que la cerámica es segura, confiable, estable y robusta, no se dobla ni se deforma, la mayoría de moems utilizan carcasas de cavidad cerámica. La carcasa cerámica suele estar compuesta por una base o un asiento, que está conectado a uno o más moldes a través de un adhesivo o soldadura, y la tapa está hecha de vidrio transparente. Asegúrese de un buen rendimiento de sellado. Por ejemplo, la carcasa de la cavidad cerámica de la matriz de hebillas lcc, que utiliza la tecnología de hebillas, es más pequeña y más barata que la carcasa del tubo de plomo, y la soldadura por presión de línea y la soldadura inversa son adecuadas para la interconexión eléctrica.

Cableado e interconexión eléctrica: todos los envases moems deben proporcionar interconexión óptica y eléctrica. La soldadura por alambre es una tecnología tradicional de conexión eléctrica de moldes y carcasas. El uso de la tecnología de chip invertido (fc) permite colocar bolas de soldadura en toda la zona del CHIP y proporcionar una conexión de E / s de mayor densidad. Sin embargo, debido a que el proceso de calentamiento de la soldadura fundida puede dañar el chip y producir diferentes ejes, no se puede utilizar para el montaje fotomecánico. Una solución eficaz es determinar los canales de contacto eléctrico (incluida la conductividad a través del sustrato) desde la superficie del moems hasta la superficie exterior del paquete, hacer los agujeros a través de estos canales a través de la tecnología de grabado rie profundo y aplicar capas de aislamiento y conducción.

Además, en la producción de moems de silicio, hay incompatibilidades entre los procesos tradicionales de circuitos y cableado metálico y los procesos de grabado profundo isotrópico. En el proceso de grabado profundo isotrópico de silicio de la estructura micromecánica, los circuitos y cables metálicos completados son vulnerables a la corrosión y el daño. La solución general es: usar au como película protectora para circuitos y cableado; Después de desplegar densamente los agujeros de alambre del electrodo, evaporar el al en la tapa de vidrio como punto de soldadura del alambre y luego presionarlos juntos. Pero ambos métodos aumentan la dificultad de procesamiento del moems de silicio y limitan su integración y miniaturización. Por lo tanto, se desarrolló un método para usar sio2 / CR como película protectora. El proceso es simple, de bajo costo y realiza la compatibilidad entre los procesos. Interconexión óptica: la clave del diseño de PCB de interconexión óptica de dispositivos moems es reducir la pérdida de alineación. Fijar la fibra de vidrio en una ranura V precisa con un adhesivo muy estable y alinear el molde mediante un ajuste pasivo o activo.

Además del desarrollo y diseño de dispositivos moems de diseño de pcb, también se debe prestar atención a la tecnología de montaje de moems en pcb. En la interconexión óptica entre Optoelectrónica y moems, las placas traseras y las placas de circuito impreso (pcb) están recibiendo cada vez más atención. Pero los PCB no siguen ninguna regla al ensamblar. El principio básico es considerar el equipo, el embalaje y el montaje como un sistema interactivo. El impacto de moems en el montaje de PCB se está estudiando actualmente y es necesario desarrollar procesos y estándares de montaje de pcb.

Una buena solución es utilizar placas de circuito electroóptico de guía de onda de polímero, es decir, combinar portadores de PCB con estructuras ópticas. Para los enlaces ópticos, se selecciona una capa óptica adicional con una estructura de guía de onda de Jefe térmico. La capa óptica adicional incluye la capa inferior, la capa central y la capa superior, y se convierte en una lámina a través de la tecnología de laminación estándar del proceso de fabricación de pcb, que finalmente se convierte en una placa de circuito electroóptico (eocb). La figura 5 muestra los componentes de la eocb, incluidos portadores eléctricos / ópticos, dispositivos fotoelectrónicos y conductores. Los dispositivos optoelectrónicos como vcsel y pin pueden acoplarse directamente a la Guía de onda. La capa óptica se coloca en el Centro de la carcasa plana para proteger la estructura óptica con alta carga térmica durante la soldadura. Luego se fabrica el eocb a través de laminados estándar.

A través del acoplamiento directo de acoplamiento, se puede lograr el acoplamiento entre dispositivos optoelectrónicos y guías de onda. El proceso de conexión también resuelve el problema de alineación precisa entre el dispositivo optoelectrónico y la estructura multimodo óptica en la capa delgada, y minimiza el desplazamiento del eje entre el dispositivo y el eje de guía de onda. Además, debido a la reducción del impacto del ensanchamiento del haz, la conversación cruzada entre canales adyacentes también está limitada por el acoplamiento de acoplamiento directo. En la figura 6 se muestra todo el dispositivo de dispositivo optoelectrónico para el acoplamiento de acoplamiento de la eocb. En la actualidad, se ha desarrollado un sistema de tablero de plug - in de prueba eocb con emisores ópticos, unidades y plug - Ins.

El proceso de encapsulamiento HDI MCM tiene perspectivas de desarrollo. además, el proceso de encapsulamiento HDI mcms adecuado para microelectromes es un método muy prometedor. Esta es también una nueva aplicación de la tecnología microelectrónica en Módulos multichip fotoeléctricos (oe - mcm). Debido a que el proceso de encapsulamiento HDI MCM puede soportar varios tipos de núcleos en un sustrato público, es muy adecuado para el encapsulamiento moems. El hdimcm ofrece flexibilidad para la integración y encapsulamiento de moems, por lo que no es necesario cambiar los procesos de fabricación microelectrónica o electrónica. Después de utilizar el proceso HDI estandarizado para completar la ventana necesaria para encapsular el chip moems, se puede utilizar la tecnología de corte láser de gran área para cortar el chip a conectarse al moems. Abra la ventana necesaria para acceder físicamente al núcleo de microelectromes. Pero una de las desventajas de MCM o tabletas es que las estructuras ópticas pasivas, como los divisores de haz o combinados, no se pueden implementar en la fibra óptica y solo se puede utilizar el método de empalme. Por lo tanto, moems no puede ensamblarse con procesos SMD estándar y debe utilizar otros métodos para aumentar los costos.

Perspectivas de desarrollo moems es una tecnología emergente. Proporciona equipos ópticos ligeros, miniaturizados y de bajo costo para aplicaciones de telecomunicaciones y comunicación de datos, y realiza una estructura móvil integrada en un solo chip de componentes fotovoltaicos. Se ha convertido en una de las tecnologías representativas en el campo de la electrónica en el siglo XXI.

Moems está siendo muy valorado por las unidades de investigación y la industria. El Laboratorio Nacional de sandia, la Universidad de Colorado y otras instituciones de investigación han desarrollado sucesivamente valiosos dispositivos moems de diseño de pcb, lo que ha desencadenado una ola de desarrollo de dispositivos optoelectrónicos como interruptores ópticos moems en todo el mundo. En la actualidad, moems ha comenzado a comercializarse. Por ejemplo, el sistema óptico comercial moems se ha utilizado en proyectores digitales de última generación y ha comenzado a funcionar a prueba en cines digitales.

El mercado de moems tiene amplias perspectivas. Se dice que los interruptores ópticos que entraron en el mercado en 2003 valen entre 440 y 10 mil millones de dólares. En 2003, la cuota de mercado de moems representó el 8% del mercado total de microelectromes. La tabla 2 muestra el tipo y la cuota del mercado de aplicaciones moems.

Como nuevo dispositivo de encapsulamiento, moems tiene componentes y encapsulamientos de aplicaciones especiales, que son diferentes de los métodos microelectrónicos estándar. Su costo de embalaje representa la mayor proporción de moems. El encapsulamiento moems no solo debe garantizar el rendimiento esperado del producto, sino también hacer que el rendimiento del equipo sea confiable y competitivo en el mercado. Para que moems ocupe un lugar en este campo tecnológico emergente, se enfrentará a una serie de problemas, como la repetibilidad de la fabricación de productos, la estandarización de los procesos de embalaje y proceso, la fiabilidad y la vida útil de los dispositivos básicos. Esto no es solo para desarrollar la tecnología de dispositivos, sino también para desarrollar la tecnología de encapsulamiento. Aunque el embalaje de moems es difícil, se está desarrollando rápidamente y tiene muchas tecnologías de embalaje comercial. Esto significa que no faltan soluciones ni cómo aplicarlas a la producción de moems. Moems y su tecnología de dispositivos tienen perspectivas brillantes en el futuro campo de la tecnología de la información y la optoelectrónica.