PCB技術 - PCB設計のためのMOEMSデバイス技術と実装

これマイクロオプトエレクトロニックメカニカルシステム(モームズ） 世界で最も人気のある技術の一つとなっている. モームズ 光子系を用いたマイコン電気システム（MEMS）であり、マイクロメカニカル光変調器, マイクロメカニカル光スイッチ, ICSと他のコンポーネント, と小型化を使用, 多様性, 光デバイスと電気デバイスのシームレス集積を達成するMEMS技術のマイクロエレクトロニクス. 簡単に言えば, モームズ システムレベルチップのさらなる統合. 大型光機械デバイスと比較して, プリント配線板デザインモームズ デバイスは小さい, ライター, より高速（より高い共振周波数）、とバッチで生産することができます. 導波路法に比べて, このフリースペース方式は、結合損失が小さく、クロストークが小さいという利点がある. フォトニクスや情報技術の変化が直接発展した モームズ. マイクロエレクトロニクスの関係を示す, 微視力学, 光エレクトロニクス, ファイバーオプティクス, MEMSと モームズ. 現代, 情報技術は急速に発展し、常に更新されている, そして2010年までには, 光の開口部の速度は結核に達する. 増加するデータ速度とより高性能の新世代機器要件は、需要を押し上げました モームズ と光相互接続, とアプリケーション プリント配線板設計 光エレクトロニクス分野のデバイスは成長を続けている.

プリント配線板設計モームズ デバイスと技術 プリント配線板デザインモームズ デバイスは干渉に分割される, 回折, 伝送, 物理的な動作原理に基づく反射タイプ（表1参照）、そして、それらのほとんどは反射型デバイスを使用します. モームズ ここ数年で重要な発展を遂げた. 近年, 高速通信とデータ伝送の需要増加により, の研究開発 モームズ 技術とその装置は大いに刺激された. 必要な低損失, 低EMV感度, 低クロストーク高データレート反射光 プリント配線板デザインモームズ デバイスが開発された.

現在、可変光減衰器（VOエー）のような簡単なデバイスに加えて、同調可能な垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）、光変調器、同調可能な波長選択光検出器および他の光学デバイスを作るためにモームズ技術を使用することもできる。能動部品及びフィルタ、光スイッチ、プログラマブル波長光アド／ドロップマルチプレクサ（OADM）及び他の光受動部品及び大規模光クロスコネクト（OXC）。

情報技術においては，光応用の鍵の一つが商品化された光源である。モノリシック光源（例えば、熱放射源、LED、LD、およびVCSEL）に加えて、能動デバイスを備えたモームズ光源が特に注目されている。例えば、同調可能なVCSELでは、共振器の長さを微視力を変えることによって共振器の発光波長を変化させることができ、高性能WDM技術を実現することができる。現在，支持アーム付き支持片持ち梁の調整方法と可動構造が開発されている。

可動ミラーとミラーアレイを備えたmoems光スイッチを開発し，oxc，並列，オン／オフスイッチアレイを組立てる。図2は、ファイバの横方向移動のための一対のU字形片持ち梁アクチュエータを有するフリースペースモームズ光ファイバスイッチを示す。従来の導波路スイッチと比較して，その利点は結合損失が小さく，クロストークが小さい。

広範囲の連続的に調整可能な光フィルタは可変dwdmネットワークにおいて非常に重要なデバイスであり，様々な材料系を用いたmoems‐f‐pフィルタが開発されている。同調可能なダイアフラムの機械的柔軟性と有効な光共振器長のために、これらのデバイスの波長可変範囲は70 nmである。日本のopnext社は，記録可能な同調幅を持つmoems‐ftle pフィルタを開発した。フィルタは複数のinp／エアーギャップ moems技術に基づいている。垂直構造は吊りinpダイヤフラムの6層で構成した。フィルムは円形の構造であり、3つまたは4つのサスペンションフレームによってサポートされています。長方形のサポートテーブル接続。その連続同調可能なファニーPフィルタは、第2及び第3の光通信窓（1 250〜1800 nm）を覆う非常に広い阻止帯域を有し、その波長同調幅は112 nmより大きく、作動電圧は5 Vと低い。

モームズの設計と生産技術ほとんどのMOMS生産技術は、直接IC業界とその製造基準から進化しています。このため，moemsでは，本体と表面のマイクロマシニングと高収率マイクロマシニング（危害）技術が用いられる。しかし、ダイサイズ、材料の均一性、3次元技術、表面トポグラフィ、最終処理、凹凸、温度感度などの他の課題がある。

一般にフォトリソグラフィー技術が広く用いられている。さらに、従来のパターンを形成するために、マスクなしフォトリソグラフィを使用することもできる。例えば、ポリマー等の感光材料の表面に使用される。低屈折率表面を得るために、従来の多層反射防止コーティングを置き換えることができ、その性能を改善するためにモームズで使用することができる二次元パターンを生成することもできる。使用される材料およびそれらの堆積技術は、Si熱酸化、LPCVD、PECVD、スパッタリング、電気メッキなどの標準的なICプロセスに類似しており、異なるタイプのウェットエッチングおよびドライエッチング技術も使用することができる。例えば、SiV形状の溝は、湿式異方性エッチングによって正確に作製することができ、光ファイバ及び光電子デバイスのアライメント及びパッケージングに広く使用されている。マイクロミラーは，湿式反応性イオンエッチング（drie）と表面微細加工により作製できる。微細なホーニング技術を使用することにより、大きな縦方向モード比を有する非平面構造も得ることができる。

現在、最も使用されている方法は、チップバンプを備えたマイクロメカニカルシリコンウェハ平面技術であり、標準および低コストのICアセンブリ方法を可能にする。チップを保護するために、チップの表面をゲルコーティングで封止し、ウエハレベルパッケージングを改善する方法として、フローインデンド・ソルダリング法（IRS）を用いることができる。いくつかの新しいモームズ製品は、特に温度に敏感です。表面実装デバイスはレーザによって溶接されているが、リード付きデバイスは一般に手で溶接される。

アナログフィードバックループ（fea），プロセス最適化，二次設計などの成功した技術がmoemsで採用されている。機械的，熱的，電気的シミュレーションに加えて，光シミュレーション（bpm）と性能評価も紹介した。さらに，高い光学的アラインメントの要求により，完全な光デバイスの実装と配線の要求を達成するため，実装技術が設計シミュレーションに導入された。図3は、モームズ設計シミュレーションおよび技術的プロセス手順を示す。

モームズ 包装 テクノロジー 加えて 実用PCB基板の開発へ設計 デバイス, 現在の主な課題は、専用パッケージに組み込まれて信頼性の高いデバイスをパッケージ化することです. 多くのデバイスが開発されましたが, 市場で確実に機能する装置はほとんどない. その理由の一つとして、実装の困難性と信頼性の高い低コスト光リンクの実現における困難性がある. 特に プリント配線板デザインモームズ アプリケーションフィールド, 主な問題は光アラインメントとパッケージングである. 加えて, 実際の損失 プリント配線板デザインモームズ デバイスはパッケージ技術にも依存する.

標準的なパッケージ方法とは異なり、モームズコンポーネントとパッケージングは特別なアプリケーションです。それぞれのPCB設計MONESデバイスは非標準的な開発であり、異なるアプリケーションは異なるパッケージ要件を有しているので、モームズ製造技術は主にパッケージング技術であり、パッケージコストはシステムの最大コストの75 %から95 %であるシステムで最大の割合を占めるMOMSにある。したがって、いくつかの開発者は言う：パッケージングは、科学よりむしろプロセスです。

一般的に、モームズパッケージは、3つのレベルに分割されます：チップレベル、デバイスレベル、およびシステムレベル。それらの中で、チップレベルパッケージングは、チップパッシベーション、分離及び溶接を含み、電力経路、信号変換及び相互接続リード、及び検出素子及びアクチュエータのパッシベーション保護及び分離を提供するデバイスレベルのパッケージングは、信号の測定および変換、リードボンディングおよびコンポーネントはんだ付けを含むシステムインパッケージは、包装、生産、組立、テストを含む。ガラスファイバとボールレンズを用いた2×2光スイッチのパッケージこの高性能、低収率、大量生産モームズ光スイッチは、デバイスのための全光ネットワークの要件を満たすことができます。

モームズパッケージ要件

モームズパッケージングの要件は以下の通りである：機械的および熱的衝撃、振動および化学的抵抗、および長寿命に対する耐性。ウェーハおよびウェーハ接着厚み、ウェーハ切断、ダイ固定チップ配置プロセス、熱制御、応力絶縁、密封包装、検査および調整を含む。

チップとチップの接着の厚さ：チップの接着は、一般的にかなり厚い（1 mm以上）が、最近では、標準的なICのパッケージ市場は、いくつかの従来のアセンブリ機器を使用することはできませんので、パッケージ技術に大きな課題をもたらす多次元で開発されている。標準化されたツールはありません。

ウエハ切断：ウエハ切断プロセスは最大の問題である。手動で操作するためにビスコースキャリアテープを使用して、水の流れと振動は、小さな表面の微細機械構造を破壊することができます。さらに、犠牲層がエッチングされる前に切断することでコストが増大する。モームズ第1レベルパッケージングは周囲環境に接触しないので、この問題は解決できる。熱制御：熱揺らぎが不安定な性能をもたらすことがあり、異なるCTE材料が光を軸から外すことができるので、熱制御はチップおよびパッケージにおいて必要である。一定の温度を維持するために、熱調整器などの放熱器を使用して冷却することができる。チップ実装は、高い熱伝導率を有するはんだまたはエポキシ充填銀材料を使用する。

応力分離：PCB設計モームズデバイスの機械的または熱的応力は、その動作原理に関連する。ミスマッチ損失に起因する機能的問題及びストレス問題は、信頼性及び性能を低下させることができ、シリコンチップをパッケージに接続する接着剤又はエポキシ樹脂の遅い収縮によって引き起こされることが多い。

ハーメチック包装：ハーメチックパッケージは、デバイスの長期信頼性を高めるためにしばしば使用される。一般に、湿気、水蒸気および汚染がシェルに入るかまたは環境を腐食させないために、それは真空にされてまたは不活性ガスで満たされる。金属、セラミック、シリコン、ミリメートル厚のガラスは、気密な管殻を作るために使用されなければならない。そして、電気的および光学的相互接続がなされるときに、気密の接続は確実にされなければならない。

検査と調整：製造工程における小さな偏差のために、PCB設計モームズデバイスは、必要な技術指標を満たすために検査されなければならない。一つはレーザトリミング抵抗やレーザアブレーション法を使用し，他方は電子補償法を使用する。

モームズパッケージ技術

moemsパッケージ技術は，ダイ固定，ハウジング，配線，光相互接続の主な側面に分けられる。モームズでは、市販のデバイスは、実用的なMOMSミックス信頼性と安全シールドパッケージが必要です。光学の非接触で非侵入的な性質のために、モームズデバイス・パッケージングのPCB設計はMEMSデバイス・パッケージングより非常に容易であり、MEMS設計を使用することができるが、優れた信頼性の高い光アラインメントが要求される。

光学的アラインメント：信頼できる低損失システムを得るために光デバイスのアラインメントはモームズで最も重要である。現在，moemsは2つの方法を持っている。パッシブアライメントは通常製造工程中に一度達成される。製造誤差又は温度変化は、アライメントの精度を低下させることができる。これらの誤差は能動的アラインメントシステムによって補償することができる。アクティブアラインメントはより複雑であるが、アクティブアライメントは、システム公差を低減し、光学デバイスのリアルタイムアライメントを達成するのに役立つ。マルチモード応用のための光学的アラインメントは、Si V溝のような受動導波構造を用いることができる。モームズモジュールを組み立てるための成熟した方法は、Si光ステップ／Siマイクロメカニカル技術に基づくパッシブアライメントフォトニクスアセンブリを使用することである。また、V溝の精度に応じて、単一モードファイバおよびハイブリッド集積光学部品または電気部品の受動的な配置にも使用することができる。このパッケージ技術をウエハレベルの自己整合si基板に開発した。光ファイバの移動を防止するために、インP導波路を用いて光ファイバの手動動作を置き換える。モームズ技術自体の精度が不十分であるため、OXCのような大部分のシングルモードデバイスに対して、アクティブアラインメントを使用しなければならない。

自由空間光相互接続と光ストレージの分野で，特別な要求をもつ集積型マイクロフォトニックシステムをシミュレーションし標準化した。位置合わせ要求を満たすためには位置決めの自由度を最小化し，位置決め装置付きプレハブモジュールを開発した。自由に異なる標準構成要素を結合するために、キーは機械的で光学標準を確立することになっています。典型的な自己集合モームズ光スイッチは高集積化に向けて大きな一歩を踏み出した。

シェル：moemsの幾何学的インタフェース必要条件は平面積分のそれと類似している。平面自由空間積分においては、光は基板内にオフアクシス角で伝搬し、基板表面に全ての光学機能が完成する。したがって、その界面も基板の表面上に位置する。したがって、従来のICパッケージでパッケージ化することはできない。一般に、チップは、外部光によって影響を受けるのを防止するために閉じたシェル内に配置されているが、光路は予約されなければならず、導光カバーまたは窓はシェル内で設計される必要がある。最近では、モームズには多くの市販のパッケージ技術があり、広く使用されている包装方法には、セラミック、プラスチック、金属の3つの共通タイプがある。セラミックスは安全で信頼性があり、安定していて、丈夫で、曲がりくねったり変形したりしないので、ほとんどのモームスはセラミックキャビティシェルを使用しています。セラミックシェルは、通常、1つ以上のダイと接着またははんだを介して接続されたベースまたはチューブソケットで構成され、カバーは透明なガラスで作られている。良いシール性能を確保する。例えば、スナップ技術を用いたLCCスナップアレイセラミックキャビティシェルは、リードされたチューブシェルよりもコストが低く、コストが低く、ワイヤ圧接及び逆溶接が電気的相互接続に適している。

配線と電気的相互接続：すべてのMOMSパッケージは、光学的および電気的相互接続を提供しなければならない。ワイヤ溶接は、ダイとケースを電気的に接続するための従来技術である。フリップチップ（FC）技術を使用することにより、チップ面積全体に半田ボールを配置し、より高いI／O接続を提供することができる。しかし、ハンダを溶融させる加熱プロセスは、チップを損傷し、異なる軸の現象を生じさせることができるので、オプトメカニカルアセンブリには使用できない。効果的な解決策は、モームズの表面からパッケージの外側表面（基板を通る導電性を含む）までの電気的接触チャネルを決定し、深いRIEエッチング技術によってこれらのチャネルの貫通孔を作り、分離層および導電層を被覆することである。

さらに，従来の回路と金属配線との間の不整合性とsi moemsの製造における異方性ディープエッチングプロセスがある。マイクロメカニカル構造のSi異方性ディープエッチングのプロセスでは、完成した回路及び金属配線は、腐食及び損傷を受けやすい。一般的な解決策は：回路と配線の保護膜としてAuを使用することである電極リード穴を密に拡散した後、リードはんだ接合部としてガラスカバー上にAlを蒸着し、次いでそれらを一緒に押す。しかし、これらの2つの方法は、プロセスの難易度を増加させ、Si モームズの集積および小型化を制限する。このため，sio 2／crを保護膜として用いる方法を開発した。プロセスは簡単で，コストが低く，プロセス間の互換性が実現される。光相互接続：モームズデバイスの光相互接続のためのPCB設計のキーは、アライメント損失を低減することである。非常に安定した接着剤を使用して、正確なV溝にガラス繊維を固定し、パッシブまたはアクティブ調整でダイを調整します。

加えて 発展とデザイン プリント配線板設計モームズ デバイス, の実装技術にも注意を払うべきである モームズ で プリント配線板。光エレクトロニクスと光インターコネクションにおける光インターコネクション モームズ, バックプレーンやプリント配線基板（PCB）への関心が高まっている。でも プリント配線板アセンブリに従う規則がない. 基本的な原理は, 包装, そして、互いに相互作用するシステムとしてのアセンブリ. の影響 モームズ PCB上現在組立中, およびPCB組立工程と標準を開発する必要がある.

良好な解決策は、ポリマー導波型光回路基板を使用すること、すなわちPCBキャリアと光学的構造を結合することである。光リンクの場合、熱ボス導波路構造を有する追加の光学層が選択される。付加光学層は、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層を含み、PCB製造工程の標準積層技術により薄板状に形成され、最終的に電気光学回路 基板（EOCB）となる。図5は、電気／光キャリア、光電子デバイス及びドライバを含むEOCBのアセンブリを示す。VCSEL及びpin光電子デバイスなどの導波路と直接結合することができる。光学層は、溶接中に高い熱負荷で光学構造を保護するために、フラットチューブシェルの中央に配置される。その後、EOCBは標準的なラミネートで作られる。

直接突合せ結合により、光電子デバイスと導波路との間の結合を実現することができる。接続プロセスはまた、薄層の光電子デバイスと光マルチモード構造との間の正確な位置合わせの問題を解決し、デバイスと導波路軸との間の軸オフセットを最小にする。また、ビーム広がりの影響が低減されるので、隣接チャネル間のクロストークも直接突合せ結合によって制限される。EOCBの突合せ結合用の光電子デバイス装置全体を図6に示す。現在、光送信機、ドライバ、プラグインを搭載したEOCBテストプラグインボードシステムが開発されている。

hdi mcmパッケージング工程は開発の見通しに加え，memsに適したhdi‐mcmパッケージプロセスは非常に有望な方法である。オプトエレクトロニクスのマルチチップモジュール（OE - MCM）にMEMS技術を導入する新しいアプリケーションでもあります。HDI MCMパッケージプロセスは、一般的な基板において複数種類のダイをサポートする能力を有しているので、MOMSパッケージに非常に適している。HDICMは、モームズの集積およびパッケージングのための柔軟性を提供するので、MEMSまたはエレクトロニクス製造プロセスを変更する必要はない。標準化HDIプロセスを使用してモームズチップをパッケージングするのに必要な窓を完成させた後、大面積のレーザ切断技術を使用して、モームズに接続されるチップを切断することができる。MEMSダイに物理的にアクセスするために必要な窓を開く。しかし、MCMまたはフラットパネルの欠点の1つは、光ファイバにおいてパッシブ光学構造（ビームスプリッタまたはコンバイナ等）が実現できず、スプライシング方法のみが使用できることである。したがって、MOMSは標準的なSMDプロセスを使用してアセンブルすることができず、コストを増大させる他の方法を使用しなければならない。

モームズの開発展望は新技術である電気通信とデータ通信応用のための光，小型，低コストの光デバイスを提供し，微小光学部品のモノリシック集積化による可動構造を実現した。21世紀電子技術分野の代表的な技術となっている。

モームズ 研究ユニットや業界から大きな注目を集めている. サンディア国立研究所, コロラド大学と他の研究機関は、連続して価値がある プリント配線板デザインモームズ デバイス, そして、開発の急増を引き起こす モームズ 光スイッチ 及び世界中の他の光電子デバイス。現在, モームズ 商業化され始めた. 例えば, コマーシャル モームズ 光学系が使用されている大部分 高度なデジタルプロジェクタが導入され、デジタルシアターでの試運転が開始されました。

モームズ市場は有望である。2003年に市場に投入された光スイッチの価値は、440億〜100億米ドルに達したと言われている。2003年にはMEMS市場のシェアは全MEMS市場の8 %であった。表2は、モームズアプリケーション市場のタイプと株式を示します。

新型包装装置として,モームズ 特別なアプリケーションのためのコンポーネントとパッケージ, したがって、標準のマイクロエレクトロニクス方法とは異なります. その梱包コストは2008年に最大の割合を占めている モームズ. これモームズ パッケージは製品の期待される性能を保証するだけではならない, デバイスのパフォーマンスを向上させることもできます信頼できる 市場で競争力がある。もしモームズ この新生の技術分野で場所を占有したい, 製品製造の再現性など一連の問題に直面する, パッケージングとプロセスフローの標準化, コアデバイスの信頼性と寿命. それは、デバイス技術を開発するだけではありません, そして発展しなければならない包装技術. 包装は モームズ 難しい, 非常に速く発達している, そして、多くの商用パッケージ技術. これは、解決の不足がないことを意味します, そして、それを適用する方法の欠如 モームズ 生産. モームズ そして、そのデバイス技術は、将来の情報技術とオプトエレクトロニクスの分野で明るい未来を持っています.