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Technologie PCB
Technologie et emballage des dispositifs MOEMS pour la conception des PCB
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Technologie et emballage des dispositifs MOEMS pour la conception des PCB

Technologie et emballage des dispositifs MOEMS pour la conception des PCB

2021-08-20
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Author:IPCB

Introduction


The micro-optoelectronic mechanical system (Moms) is an emerging technology that has become one De the Le plus popular technologies in the world. Moms is a micro-electro-mechanical system (MEMS) that uses a photonic system, which contains micro-mechanical optical modulators, micro-mechanical optical switches, Circuits intégrés et autres composants, and uses the miniaturization, Diversité, and microelectronics of MEMS technology to achieve Seamless integration of optical Installations and electrical Installations. En termes simples, Moms is the further integration of system-level Frites.s. Compared with large-scale opto-mechanical devices, Circuits imprimésConception Moms devices are smaller, lighter, faster (with higher resonance frequency), and can be produced in batches. Comparaison avec la méthode du Guide d'ondes, La méthode de l'espace libre présente les avantages d'une faible perte de couplage et d'une petite conversation croisée.. The changes in photonics and information technology have directly promoted the development of Moms. La figure 1 montre la relation entre la microélectronique et, micromechanics, Optoélectronique, fiber optics, MEMS and Moms. Aujourd'hui, Les technologies de l'information se développent rapidement et sont constamment mises à jour, and by 2010, Vitesse de la lumière jusqu'à TB/s. L'augmentation des taux de données et l'augmentation de la demande d'appareils de nouvelle génération à haute performance ont stimulé la croissance Moms and optical interconnects, and the application of Circuits imprimés Conception Moms devices in the field of optoelectronics continues to grow.


Conception des Circuits imprimésMoms devices and technology Circuits imprimés Conception Moms devices are divided into interference, Diffraction, Transmission, and reflection types according to their physical working principles (see Table 1), Et la plupart utilisent des dispositifs réfléchissants. Moms has achieved significant development in the past few years. In recent years, due to the increase in demand for high-speed communication and data transmission, Recherche et développement Moms technology and its devices have been greatly stimulated. The required low loss, low EMV sensitivity, Lumière réfléchie à faible Crosstalk et à haut débit de données Circuits imprimés Conception Moms devices have been developed.


Aujourd'hui, la technologie Moms peut être utilisée pour fabriquer des lasers à émission de surface à cavité verticale tunables (VCSEL), des modulateurs optiques, des photodétecteurs sélectifs à longueur d'onde tunables et d'autres dispositifs optiques, en plus de dispositifs simples tels que des atténuateurs de lumière variables (VOA). Composants actifs et filtres, commutateurs optiques, multiplexeurs de division de longueur d'onde programmables (OADM) et autres composants passifs optiques, et connexions croisées optiques à grande échelle (OXC).


Dans le domaine des technologies de l'information, one of the keys to optical applications is commercialized light sources. En outre to monolithic light sources (such as Chaud radiation sources, LEDs, LDs, and VCSELs), Moms Les sources lumineuses avec des dispositifs actifs sont particulièrement préoccupantes. Par exemple:, En VCSEL réglable, the emission wavelength of the resonator can be changed by changing the length of the resonator through micromechanics, Pour réaliser une technologie WDM haute performance. Actuellement, Une méthode de réglage du Cantilever de support et une structure mobile avec bras de support sont développées.


A Moms Un commutateur optique avec réflecteur amovible et un réseau de réflecteurs a également été mis au point pour l'assemblage d'OXC., Parallèle, and on/Tableau de commutation. Figure 2 shows a free-space Moms fiber optic switch, which has a pair of U-shaped cantilever actuators for lateral movement of the fiber. Comparé au commutateur de guide d'ondes conventionnel, its advantages are lower coupling loss and smaller crosstalk.


Dans les réseaux DWDM variables, il est très important d'avoir une large gamme de filtres optiques réglables en continu., and Moms Des filtres f p utilisant divers systèmes de matériaux ont été mis au point.. Due to the mechanical flexibility of the tunable diaphragm and effective optical cavity length, the wavelength tunable range of these devices is only 70nm. Japan's OpNext company has developed a Moms Filtre f p avec largeur réglable. The filter is based on multiple InP/Écart d'air Moms technology. La structure verticale se compose de 6 couches de diaphragme INP suspendu. The film is a circular structure and is supported by three or four suspension frames. Rectangular support table connection. Son filtre f p Tunable continu a une bande d'arrêt très large, covering the second and third optical communication windows (1 250 ~ 1800 nm), its wavelength tuning width is greater than 112 nm, and the actuation voltage is as low as 5V.


Technologie de conception et de production du Moms la plupart des technologies de production du Moms proviennent directement de l'industrie de l'IC et de ses normes de fabrication. Par conséquent, les techniques de microusinage de surface corporelle et de microusinage à haut rendement (Harm) sont utilisées dans le Moms. Mais il y a d'autres défis, comme la taille des moules, l'uniformité des matériaux, la technologie 3D, la morphologie de surface et l'usinage final, l'hétérogénéité et la sensibilité à la température.


En gros, photolithography technology is widely used to make structural patterns. En outre, La lithographie sans masque peut également être utilisée pour créer des modèles traditionnels. Par exemple:, it is used on the surface of photosensitive materials such as polymers. Pour obtenir une surface à faible indice de réfraction, a two-dimensional pattern can also be produced, Il remplace les revêtements multicouches traditionnels anti - réflexion et peut être utilisé Moms to improve its performance. Les matériaux utilisés et leurs techniques de dépôt sont similaires aux procédés IC standard., such as Si thermal oxidation, LPCVD, PECVD, Pulvérisation, electroplating, etc., and different types of wet etching and dry etching techniques can also be used. For example, SiV-shaped grooves can be made accurately by wet anisotropic etching, Largement utilisé dans l'alignement et l'emballage des fibres optiques et des dispositifs optoélectroniques. Micro-mirrors can be fabricated by wet reactive ion etching (DRIE) and surface micro-machining. A non-planar structure with a large longitudinal-to-mode ratio can also be obtained by using fine honing technology.


À l'heure actuelle, la méthode standard d'assemblage des puces en silicium est une méthode d'assemblage à faible coût. Pour protéger la puce, la surface de la puce peut être scellée par un revêtement de gel, tandis que le soudage par flux encastré (IRS) peut être utilisé pour améliorer l'emballage au niveau de la plaquette. Certains nouveaux produits Moms sont particulièrement sensibles à la température. Le soudage manuel est généralement utilisé pour les dispositifs avec plomb, tandis que le soudage laser est utilisé pour les dispositifs montés en surface.


Successful technologies such as analog feedback loop (FEA), Le système adopte l'optimisation du processus et la conception secondaire Moms. In addition to mechanical, thermal, and electrical simulations, optical simulation (BPM) and performance appraisal were also introduced. In addition, En raison des exigences élevées en matière d'alignement optique, in order to achieve complete optical device packaging and interconnection requirements, La technologie d'emballage est introduite dans la simulation de conception. Figure 3 shows the Moms design simulation and technical process procedures.


Moms packaging technology In addition to the research and development of practical Circuits imprimés Conception Moms devices, the main challenge at present is to assemble and package Fiable devices in a dedicated package. Although many devices have been developed, Il n'y a pratiquement pas d'équipement fiable sur le marché. L'une des raisons en est la difficulté d'encapsuler des liaisons optiques fiables et peu coûteuses.. Especially as Circuits imprimés Conception Moms L'appareil entre dans le champ Application, the main problem is optical alignment and packaging. In addition, the actual loss of Circuits imprimés Conception Moms Les appareils dépendent également de la technologie d'emballage.


Different from the standard packaging method, Moms Les composants et les emballages sont des applications spéciales. Because each Circuits imprimés Conception Moms device is non-standard development, Différentes applications ont des exigences d'emballage différentes, the Moms La technologie de fabrication est principalement la technologie d'emballage, and the packaging cost is in Moms It accounts for the largest proportion in the system, which is 75%-95% of the total cost of the system. Therefore, Certains développeurs disent: l'emballage est un processus, pas une science.


En gros, Moms L'emballage est divisé en trois niveaux: le niveau de la puce, device level, Et au niveau du système. Among them, L'emballage au niveau de la puce comprend la passivation de la puce, isolation and welding, Fournir un chemin d'alimentation, signal conversion and interconnection leads, Protection passive et isolement des éléments de détection et des actionneurs; L'emballage au niveau de l'équipement comprend la mesure et la conversion des signaux., Liaison du plomb et soudage des éléments; Le système dans l'emballage comprend l'emballage, production, Montage et essais. Package of 2*2 optical switch using glass fiber and ball lens. C'est très performant., low-yield, Production de masse Moms optical switch can meet the requirements of all-optical networks for devices.

ATL

Moms Exigences en matière d'emballage


Moms packaging requirements are: resistance to mechanical and thermal shock, Vibrations et résistance chimique, and long life. Y compris l'épaisseur de la plaquette et de l'adhérence de la plaquette, wafer cutting, Processus d'installation des puces, thermal control, Isolation des contraintes, hermetic packaging, Inspection et réglage.


Épaisseur de la puce et de l'adhérence de la puce: l'adhérence de la puce est généralement assez épaisse (plus de 1 mm), mais aujourd'hui le marché de l'emballage IC STANDARD évolue vers de multiples dimensions, ce qui pose un défi majeur à la technologie d'emballage, car certains équipements d'assemblage traditionnels ne peuvent pas être utilisés. Il n'existe pas d'outils normalisés.


Coupe de Wafers: le processus de coupe de Wafers est le plus gros problème. Using viscose carrier tape to manually operate, L'écoulement de l'eau et les vibrations peuvent endommager les Microstructures de surface. In addition, cutting before the sacrificial layer is etched increases the cost. Depuis Moms first-level packaging does not have to contact the surrounding environment, Ce problème peut être résolu. Thermal control: Because thermal fluctuations can cause unstable performance, Différents matériaux cte peuvent faire dévier la lumière de l'axe, thermal control is required in the chip and the package. Un radiateur (par exemple un thermostat) peut être utilisé pour refroidir pour maintenir une température constante.. Chip mounting uses solder or epoxy filled silver material with high thermal conductivity.


Isolation des contraintes: contraintes mécaniques ou thermiques dans les tuyaux Circuits imprimés Conception Moms device is related to its working principle. On croit que les problèmes fonctionnels et les problèmes de pression causés par les pertes d'inadéquation réduisent la fiabilité et le rendement., and are often caused by the slow shrinkage of the adhesive or epoxy that connects the silicon chip to the package.


Emballage scellé: l'emballage scellé est souvent utilisé pour améliorer la fiabilité à long terme de l'équipement.. En gros, it is evacuated or filled with inert gas to prevent moisture, La vapeur d'eau et les contaminants pénètrent dans l'enceinte ou l'environnement corrosif. Metal, Céramique, silicon or millimeter-thick glass must be used to make air-tight tube shells, Lors de l'interconnexion électrique et optique, une connexion étanche à l'air doit être assurée..


Inspection et réglage: en raison de petits écarts dans le processus de fabrication, l'équipement Moms de conception des Circuits imprimés doit être vérifié pour répondre aux spécifications techniques requises. L'un utilise une résistance Laser Fine ou une ablation laser, l'autre utilise une méthode de compensation électronique.


Moms packaging technology


Moms La technologie d'emballage peut être divisée en principaux aspects de la fixation des moules, Logement, wiring and optical interconnection. In Moms, commercial devices require practical Moms Mélange d'emballages blindés fiables et sûrs. Due to the non-contact and non-intrusive nature of optics, Conception des Circuits imprimés of Moms device packaging is much easier than MEMS device packaging, Peut être conçu avec MEMS, but excellent and reliable optical alignment is required.


Alignement optique: pour un système fiable et à faible perte. The alignment of optical devices is the most important in Moms. At present, Moms has two methods: passive alignment and active alignment. Passive alignment is usually achieved once during the Processus de fabrication. Les erreurs de fabrication ou les changements de température peuvent réduire la précision de l'alignement. These errors can be compensated by an active alignment system. L'alignement actif est plus complexe, but active alignment helps reduce system tolerances and can achieve real-time alignment of optical devices. L'alignement optique pour les applications multimodes peut utiliser des structures d'ondes guidées passives telles que des rainures en V si. Une méthode d'assemblage mature Moms modules is to use passive alignment photonics assembly based on Si optical step/Technologie micro - mécanique du silicium. It can also be used for passive alignment of single-mode fiber and hybrid integrated optical or electrical components, Dépend principalement de la précision de la rainure en V. This packaging technology has been developed to wafer-level self-aligned Si substrates. Pour empêcher le Mouvement des fibres, the InP waveguide is used to replace the manual operation of the optical fiber. En raison de l'exactitude insuffisante des données Moms technology itself, L'alignement actif doit être utilisé pour la plupart des équipements monomode tels que OXC.


Dans le domaine de l'interconnexion optique et du stockage optique dans l'espace libre, La simulation et la normalisation d'un système micro - optique intégré avec des exigences particulières sont effectuées.. In order to meet the alignment requirements, Les degrés de liberté de positionnement doivent être réduits au minimum, Un module préfabriqué avec dispositif de positionnement a été développé.. In order to freely combine different standard components, La clé est d'établir des normes mécaniques et optiques. The typical self-assembled Moms Le commutateur optique fait un grand pas en avant vers un haut niveau d'intégration.


Enceinte: exigences relatives aux interfaces géométriques de l'enceinte Moms are similar to those of planar integration. Dans l'intégration de l'espace libre plane, Parce que la lumière se déplace hors de l'axe dans le substrat, and all optical functions are completed on the surface of the substrate. Par conséquent, son interface est également située sur la surface du substrat.. Therefore, Il ne peut pas être emballé avec un emballage IC traditionnel. Generally, the chip is placed in a closed shell to prevent sensitive optical devices from being affected by external light, Mais un canal lumineux doit être réservé, Un guide lumineux ou une fenêtre doit être conçu dans l'enceinte.. Nowadays, Moms has many commercial packaging technologies, Les méthodes d'emballage largement utilisées comprennent la céramique, Il existe trois types courants de plastiques et de métaux. Because ceramics are safe, reliable, stable, strong, and will not bend or deform, most Moms Utilisation d'un boîtier de cavité en céramique. Un boîtier en céramique se compose généralement d'une base ou d'un support de tuyauterie, qui est relié à un ou plusieurs moules par un adhésif ou une soudure., Couvercle en verre transparent. To ensure good sealing performance. For example, the LCC snap array ceramic cavity shell using snap technology is smaller and lower in cost than a leaded tube shell, and wire pressure welding and reverse welding are suitable for electrical interconnection.


Wiring and electrical interconnection: All Moms packages must provide optical and electrical interconnection. Le soudage par fil de soudage est une technique traditionnelle de raccordement électrique des moules et des boîtiers. Using flip chip (FC) technology can arrange solder balls in the entire chip area and provide higher density I/O connexion. However, since the heating process of melting the solder can damage the chip and produce the phenomenon of different axes, it cannot be used for opto-mechanical assembly. An effective solution is to determine the electrical contact channels from the surface of the Moms to the outer surface of the package (including the conductivity through the substrate), make the through holes of these channels by deep RIE etching technology, and coat the isolation layer and the conductive layer.


In addition, there is incompatibility between the conventional process of circuit and metal wiring and the anisotropic deep etching process in the production of Si Moms. Dans le processus de corrosion profonde de la microstructure anisotrope du silicium, the completed circuit and metal wiring are susceptible to corrosion and damage. The general solutions are: use Au as a protective film for circuits and wiring; after densely spreading the electrode lead holes, evaporate Al on the glass cover as the lead solder joints, Et les presser ensemble. But these two methods both increase the process difficulty and limit the integration and miniaturization of Si Moms. Donc,, a method of using SiO2/Cr as a protective film was developed. The process is simple, the cost is low, Compatibilité entre les processus. Optical interconnection: The key to Conception des Circuits imprimés for optical interconnection of Moms devices is to reduce alignment loss. Fixer la fibre de verre dans une rainure en V précise avec un adhésif très stable, and align the die with passive or active adjustment.


In addition to the development and design of Conception des Circuits imprimésMoms devices, attention should also be paid to the assembly technology of Moms on the Circuits imprimés. In the optical interconnection of optoelectronics and Moms, attention to backplanes and printed circuit boards (Circuits impriméss) is growing. But Circuits imprimés has no rules to follow in assembly. The basic principle is to treat devices, packaging, Assembler en un système interactif. The impact of Moms on Circuits imprimés assembly is currently being studied, and Circuits imprimés Processus et normes d'assemblage requis.


A good solution is to use a polymer wave conductive optical circuit board, that is, to combine the Circuits imprimés Transporteur et structure optique. For optical links, an additional optical layer with a thermal boss waveguide structure is selected. The additional optical layer includes a lower cladding layer, Niveau central, Et le revêtement, and is made into a thin sheet by the standard laminating technology of the Circuits imprimés manufacturing process, and finally becomes an electro-optical circuit board (EOCB). La figure 5 montre l'assemblage de l'eocb, which includes electrical/optical carriers, optoelectronic devices and drivers. Par exemple, les dispositifs photoélectriques VCSEL et pin peuvent être couplés directement au Guide d'ondes. La couche optique est placée au milieu de la coque du tube plat pour protéger la structure optique avec une charge thermique élevée pendant le soudage.. L'eocb est ensuite fabriqué à partir d'un stratifié standard..


Through direct butt coupling, the coupling between the optoelectronic device and the waveguide can be realized. The connection process also solves the problem of precise alignment between the optoelectronic device and the optical multimode structure in the thin layer, and minimizes the axis offset between the device and the waveguide axis. In addition, since the effect of beam broadening is reduced, cross-talk between adjacent channels is also restricted through direct butt coupling. The entire optoelectronic device device for butt coupling of EOCB is shown in FIG. 6. At present, an EOCB test plug-in board system with optical transmitters, Des pilotes et des plug - ins ont été développés.


La technologie d'emballage HDI - MCM et ses perspectives de développement. En outre, la technologie d'emballage HDI - MCM pour MEMS est une méthode très prometteuse. Il s'agit également d'une nouvelle application qui introduit la technologie MEMS dans le module photoélectrique à puces multiples (OE - MCM). Étant donné que le processus d'emballage HDI MCM peut supporter plusieurs types de puces sur un substrat commun, il est idéal pour l'emballage Moms. Hdimcm offre une flexibilité pour l'intégration et l'encapsulation des Moms, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de modifier les MEMS ou les processus de fabrication électronique. Après avoir complété les fenêtres nécessaires à l'encapsulation des puces Moms à l'aide d'un procédé HDI normalisé, la puce à connecter au Moms peut être coupée à l'aide d'une technique de coupe laser à grande surface. Ouvre la fenêtre nécessaire pour accéder physiquement à la puce MEMS. Mais l'un des inconvénients des MCM ou des panneaux plats est que les structures optiques passives telles que les séparateurs de faisceaux ou les combinateurs de faisceaux ne peuvent pas être mises en œuvre dans les fibres optiques et ne peuvent utiliser que des méthodes d'épissage. Par conséquent, le moem ne peut pas être assemblé à l'aide d'un procédé SMD standard et d'autres méthodes d'augmentation des coûts doivent être utilisées.


Development prospects Moms is an emerging technology. Il fournit de la lumière, miniaturized and low-cost optical devices for telecommunications and data communication applications, and realizes a movable structure with monolithic integration of micro-optic components. It has become a 21st century electronics One of the representative technologies in the field.


Moms is receiving great attention from research units and industry. The Sandia National Laboratory, L'Université du Colorado et d'autres instituts de recherche ont développé Circuits imprimés Conception Moms devices, and set off an upsurge in the development of Moms Commutateurs optiques et autres dispositifs optoélectroniques dans le monde. At present, Moms has begun to be commercialized. For example, Publicité Moms optical system has been used in the most advanced digital projectors and has begun trial operation in digital cinemas.


The Moms Perspectives favorables du marché. It is said that the value of optical switches that entered the market in 2003 amounted to 440 million to 10 billion U.S. dollars. In 2003, the market share of Moms was 8% of the total MEMS market. Le tableau 2 indique le type et la part du projet. Moms application market.


En tant que nouveau type d'équipement d'emballage,Moms has components and packages for special applications, Donc C'est différent de la méthode microélectronique standard. Its packaging cost accounts for the largest proportion in Moms. The Moms package must not only ensure the expected performance of the product, En même temps, il rend l'équipement fiable et compétitif sur le marché. Si Moms wants to occupy a place in this emerging technology field, Elle sera confrontée à une série de problèmes, tels que la répétabilité de la fabrication des produits., the standardization of packaging and process flow, Fiabilité et durée de vie de l'équipement de base. That is not only to develop device technology, Et développer la technologie d'emballage. Although the packaging of Moms C'est difficile., it is developing very fast, Il y a beaucoup de technologies d'emballage commerciales. This means that there is no shortage of solutions, and lack of how to apply it to Moms production. Moms La technologie des dispositifs a de vastes perspectives dans le domaine des technologies de l'information et de l'optoélectronique à l'avenir..