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PCB设计之MOEMS器件技术与封装

  引言

  微光电子机械系统(MOEMS)是一种新兴技术,日前已成为全球最热门的技术之一。MOEMS是利用光子系统的微电子机械系统(MEMS),内含微机械光调制器、微机械光学开关、IC及其他构件,并利用了MEMS技术的小型化、多重性、微电子性,实现了光器件与电器件的无缝集成。简单地说,MOEMS就是对系统级芯片的进一步集成。与大规模光机械器件相比,PCB设计MOEMS器件更小、更轻、更快速(有更高的谐振频率),并可采用批量制作技术。与波导方式相比,这种自由空间方式优点是具有较低的耦合损耗和较小的串话。光子学和信息技术的变革直接促进了MOEMS的发展,图1示出了微电子学、微机械学、光电子学、纤维光学、MEMS与MOEMS的关系。如今信息技术迅速发展、不断更新,到2010年光开天速度可达Tb/s。日益增长的数据率和更高性能的新一代设备需求,驱动了对MOEMS和光互连的需求,使PCB设计MOEMS器件在光电子学领域的应用不断增长。

  PCB设计MOEMS器件与技术PCB设计MOEMS器件按其物理工作原理分为干涉、衍射、透射、反射型(见表1),大多数采用反射型器件。MOEMS在过去几年中已获得显著发展。最近几年,由于对高速率通信和数据传输需求的增长,大大激发了对MOEMS技术及其器件的研发。已开发出所需的低损耗、低EMV敏感性、低串话的高数据率反射光型PCB设计MOEMS器件。

  如今,除了诸如可变光衰减器(VOA)之类的简单器件之外,采用MOEMS技术也可制作可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光调制器、可调波长选择光探测器等光有源器件和滤波器、光开关、可编程波长光插/分复用器(OADM)等光无源器件及大规模光交叉连接(OXC)。

  在信息技术中,光学运用的关键之一是商品化的光源,除单片光源(如热辐射源、LED、LD、VCSEL)之外,特别受到关注的是具有活动器件的MOEMS光源。例如,在可调谐VCSEL中,通过微机械改变谐振器的长度即可改变其发射波长,由此实现了高性能WDM技术。目前,已开发了支撑悬臂调谐方式和具有支撑臂的活动结构。

  还开发出具有可移动反射镜和反射镜阵列的MOEMS光开关,用于组装OXC、并联和开/关(On/Off)开关阵列。图2示出了自由空间MOEMS纤维光学开关,它具有一对用于光纤横向移动的U形悬臂式致动器。与传统的波导开关相比,其优点是耦合损耗较低、串话较小。

  具有宽范围连续可调的光滤波器是可变DWDM网络中非常重要的器件,已开发了采用各种材料系统的MOEMSF_P滤波器。由于可调膜片和有效光腔长度的机械灵活性限制,这些器件的波长可调谐范围仅为70nm。日本OpNext公司开发了具有创纪录可调谐宽度的MOEMSF_P滤波器。该滤波器基于多个InP/空气隙MOEMS技术,垂直结构由6层悬浮的InP膜片构成,薄膜为圆形结构,并由三个或四个悬浮架支撑,并分别与三个或四个矩形支撑台连接。其连续可调谐F_P滤波器阻带极宽,覆盖了第二和第三个光通信窗口(1250~l800nm),其波长调谐宽度大于ll2nm,致动电压低至5V。

  MOEMS设计与制作技术大多数MOEMS制作技术是直接由IC工业及其制造标准演化而来。因此,在MOEMS中采用体和表面微机械加工及高产量的微机械加工(HARM)技术。但有管芯尺寸、材料均匀性、三维技术、表面构形和最后加工、不平度和温度敏感性等其他挑战。

  一般广泛采用光刻技术制作结构图形。此外,无掩膜光刻技术也可用于制作常规图形。如用于聚合物一类光敏材料的表面。为了获得低折射率表面,也可制作二维图形,该表面可取代传统的多层抗反射涂层,并可用于MOEMS以改善其性能。所采用的材料及其淀积技术类似于标准的IC工艺,如Si热氧化、LPCVD、PECVD、溅射、电镀等,也可采用不同类型的湿法腐蚀和干法腐蚀技术。例如,通过湿法各向异性腐蚀可很精确地制作SiV形槽,并广泛用于光纤与光电器件的对准与封装。通过湿法反应离子刻蚀(DRIE)和表面微机械加工可制作微反射镜。采用精珩磨技术也可获得具有大纵模比的非平面结构。

  目前,采用最多的方法是带有芯片焊凸的微机械硅晶片平面技术,它使标准和低成本IC组装的方法成为可能。为保护芯片,可通过凝胶涂层封闭晶片平面,并可采用凹槽同流焊方法(IRS)作为改进晶片级封装的方法。一些新型MOEMS产品对温度特别敏感,带引线的器件一般采用手工焊接,而表面贴装器件则采用激光焊接。

  在MOEMS中已采用模拟反馈环路(FEA)、工艺最佳化和二次设计等成功的技术。除机械、热、电模拟之外,还引入了光模拟(BPM)和性能鉴定。此外,由于光对准要求高,为了实现完整的光器件封装和互连要求,在设计模拟中已引入了封装技术。图3示出MOEMS设计模拟和技术工艺程序。

  MOEMS封装技术除了研发实用的PCB设计MOEMS器件之外,目前主要挑战是在专用管壳中组装和封装可靠的器件。虽然已开发了许多器件,但在市场中能可靠工作的器件很少。原因之一是封装困难和难以实现可靠的低成本光链路。特别是随着PCB设计MOEMS器件进入应用领域,主要问题是光对准与封装。此外,PCB设计MOEMS器件的实际损耗也取决于封装技术。

  与标准封装方式不同的是MOEMS组件和封装为特殊应用,由于每个PCB设计MOEMS器件是非标准研制,并且不同的应用其封装要求也不同,因此MOEMS制作技术主要是封装技术,其封装成本在MOEMS中占最大比例,为系统总成本的75%~95%。所以也有开发者称:封装是工艺而不是科学。

  一般将MOEMS封装分为芯片级、器件级、系统级三级。其中芯片级封装包括芯片钝化、隔离和焊接,提供电源通路、信号转换和互连引线,并对传感元件和执行元件进行钝化保护和隔离等;器件级封装包括信号测量和变换、引线键合及元件焊接;系统级封装包括封装没汁、制作、组装和测试。采用玻璃光纤和球透镜的2×2光开关的封装。这种高性能、低成木、可批量生产的MOEMS光开关可满足全光网络对器件的要求。

  MOEMS封装要求

  MOEMS封装要求是:抗机械和热冲击、抗振动和抗化学性及长寿命。包括晶片和晶片粘附厚度、晶片切割、管芯固定芯片贴装工艺、热控制、应力隔离、气密封装、检验和调整。

  晶片和晶片粘附厚度:该晶片粘附一般相当厚(1mm以上),但如今标准IC的封装市场正朝多维发展,这对封装技术提出了重大挑战,因为不能采用某些传统的组装设备,也没有标准化的工具。

  晶片切割:晶片切割工艺是最大的问题。采用粘胶载带手工操作,水流和振动可破坏微小的表面微机械结构。另外,在牺牲层腐蚀之前进行切割则增加了成本。由于MOEMS第一级封装不必与周围环境接触,可解决这个问题.热控制:由于热波动可引起性能不稳定,并且CTE不同的材料可导致光不同轴,因此要求在芯片和管壳中进行热控制。可采用热调节器一类的散热器进行制冷,以保持恒温。芯片贴装是采用焊料或具有高热导率的填充环氧树脂的银材料。

  应力隔离:PCB设计MOEMS器件中机械或热产生的应力与其工作原理有关。一股认为功能问题和失配损耗产生的应力问题可减少可靠性和性能,常常由连接硅芯片与管壳的粘接剂或环氧树脂的缓慢收缩引起。

  气密封装:常采用气密封装,以增加器件的长期可靠性。一般抽真空或充入惰性气体,以防潮气、水汽和污染进入管壳内或侵蚀环境。必须采用金属、陶瓷、硅或毫米厚的玻璃制作气密管壳,在电和光互连时要确保气密封接。

  检测、调节:由于制造工艺中有小的偏差,PCB设计MOEMS器件必须检测,以满足所需的技术指标。一是采用激光微调电阻器或激光烧蚀的方法,二是采用电子补偿方法。

  MOEMS封装技术

  MOEMS封装技术可分为管芯固定、外壳、布线和光互连几个主要方面。在MOEMS中,商用器件需要实用的MOEMS混合的可靠和安全屏蔽的封装。由于光学具有非接触、非插入性,所以PCB设计MOEMS器件的封装比MEMS器件的封装要容易得多,并可利用MEMS设计,但需要极好和可靠的光对准。

  光对准:为了获得可靠和低损耗的系统。在MOEMS中光器件的对准是最重要的。目前MOEMS有无源对准和有源对准两种方法。无源对准通常是在制作工艺期间一次实现,制作误差或温度变化都可降低对准的精确性,这些误差可用有源对准系统进行补偿。有源对准较复杂,但有源对准有助于减少系统公差,并可获得光器件的实时对准。多模应用的光对准可采用无源的像SiV形槽一类的导波结构。组装MOEMS模块的一个成熟的方法是采用基于Si光台阶/Si微机械技术的无源对准光子系统组装。它也可用于单模光纤与混合集成的光元件或电元件的无源对准,主要取决于V形槽的精度。这种封装技术已发展到晶片级的自对准Si基板。为防止光纤移动,采用InP波导来替代光纤的手工操作。由于MOEMS技术本身的精度不够,对大多数像OXC一类的单模器件,还必须采用有源对准。

  在自由空间光互连和光存储领域中,有特殊要求的集成微光子系统是模拟和标准化的。为达到对准要求,定位的自由度必须减至最少,已开发了具有定位装置的预制模块。为了可自由地组合不同的标准部件,关键是需要建立机械和光学标准。典型的自组装式MOEMS光开关已向高度集成化方向前进了一大步。

  外壳:MOEMS的几何接口要求与平面集成类似。在平面自由空间集成中,由于在衬底内以一个偏离轴心的角度进行光传播,并且所有的光功能在衬底的表面完成。因此其接口也位于衬底的表面。所以不能采用诸如传统的IC管壳进行封装。一般将芯片置于密闭的外壳内,以防止敏感的光学器件受到外界光线影响,但必须留出一条光通道,需要在外壳内设计一个导光的盖板或窗口。如今MOEMS已有许多商用化的封装技术,广为采用的封装方法有陶瓷、塑料和金属三种普通类型。由于陶瓷安全可靠、稳定、坚固、不会弯曲变形,MOEMS大多采用陶瓷空腔外壳。陶瓷外壳常由一个基座或通过粘接剂或焊料连接一个或多个管芯的管座构成,盖板为透明玻璃。以确保良好的密封性能。例如,采用snap技术的LCCsnap阵列陶瓷空腔外壳比有引线的管壳小、成本低,导线压焊和倒焊适应于电互连。

  布线和电互连:所有MOEMS封装必须提供光和电的互连。金属线焊接是电连接管芯和管壳的传统技术。采用倒装片(FC)技术可在整个芯片区布置焊料球,可提供较高密度的I/O连接。但由于熔化焊料的加热工艺可使芯片受到损伤并产生不同轴的现象,所以不能用于光机械组装。一个有效的解决方法是确定从MOEMS表面到管壳外表面的电接触通道(包括通过衬底的导电性),通过深RIE腐蚀技术制作这些通道的通孔,并涂覆隔离层和导电层。

  此外,电路、金属布线常规工艺与SiMOEMS制作中的各向异性深腐蚀工艺之间有不相容性。在制作微机械结构的Si各向异性深腐蚀过程中,已制作完成的电路和金属布线易受到腐蚀而被损坏。一般解决方法有:用Au作电路和布线的保护膜;对电极引线孔进行浓扩散后,在玻璃盖上蒸发Al作为引线焊点,再将其压合到一起。但这两种方法都增大了工艺难度,并限制了SiMOEMS的集成化和微型化。为此又开发了采用SiO2/Cr作保护膜的方法,其工艺简单、成本低,并实现了工艺之间的兼容性。光互连:PCB设计MOEMS器件光互连的关键是减小对准损耗。在精确的V槽中用稳定性很好的粘接剂固定玻璃光纤,并需通过无源或有源调节来对准管芯。

  除了进行PCB设计MOEMS器件的开发设计外,还应重视MOEMS在PCB上的装配技术。在光电子学和MOEMS的光互连中,对背板和印制板(PCB)的关注正在增长。但PCB在装配方面还无章可循。基本原则是将器件、封装和装配作为一个相互影响相互作用的系统。目前正在研究MOEMS对PCB装配的影响,并需要开发PCB装配工艺及标准。

  一个好的解决方法是采用聚合物波导电光电路板,即将PCB载体与光结构结合在一起。对于光链路,选择带有热凸台波导结构的一个附加光层。该附加光层包括下包层、芯层、上包层,并通过PCB制作工艺的标准压层技术制作成一个薄片,最终成为电光电路板(EOCB)。图5示出该EOCB的装配,它包括电/光载体、光电器件和驱动器。如VCSEL和PIN光电器件可直接与波导耦合。该光层放进平板管壳的中间,以便在焊接期间保护具有高热负载的光结构。然后通过标准压层制作EOCB。

  通过直接对接耦合,可实现光电器件与波导之间的耦合。其连接过程也解决了薄层内光电器件与光多模结构的精确对准问题,并使器件与波导轴之间的轴偏移最小化。此外,由于减小了光束变宽的效应,通过直接对接耦合也限制了相邻信道之间的串话。在图6中示出了整个用于EOCB的对接耦合的光电器件装置。目前,已开发了具有光发射器、驱动器和插件的EOCB测试插件板系统。

  具有发展前景的HDIMCM封装工艺此外,适合于MEMS的HDIMCM封装工艺是一个很有希望的方法。这也是将MEMS技术引进光电一多芯片组件(OE-MCM)中的新应用。由于在公共衬底中HDIMCM封装工艺有支持多种类型管芯的能力,很适合用于MOEMS封装。HDIMCM为MOEMS的集成和封装提供了灵活性,所以无需改变MEMS或电子学制作工艺。在采用标准化HDI工艺完成封装MOEMS芯片所需的窗口之后,可采用大面积激光切开技术切开要接入MOEMS的芯片。打开可物理接入MEMS管芯所必须的窗口。但MCM或平板级的缺点之一是在光纤中不能实现无源光结构(诸如分束器或合束器一类),只能采用拼接方式。因此,MOEMS不能用标准的SMD工艺组装,必须采用增加成本的其他方法。

  发展前景MOEMS是一种新兴技术,它为电信和数据通信应用提供了重量很轻、小型化和低成本的光器件,实现了具有微光元件单片集成的可移动结构,已成为21世纪电子领域的代表性技术之一。

  MOEMS正受到研究单位和工业界的极大关注。美国Sandia国家实验室、科罗拉多大学及其他一些研究机构都相继开发出颇有价值的PCB设计MOEMS器件,并在国际上掀起了开发MOEMS光开关等光电器件的热潮。目前MOEMS已开始商用化。例如商品化的MOEMS光学系统已用于最先进的数字投影仪,并开始在数字影院试运行。

  MOEMS市场前景看好。据称在2003年进入市场的光开关价值达4.4~l0亿美元,在2003年,MOEMS的市场份额为MEMS总市场的8%。表2为MOEMS应用市场的类型和份额。

  MOEMS作为一种新型封装器件,其组件和封装为特殊应用,所以与标准的微电子方法不同。在MOEMS中其封装成本所占比例最大。MOEMS封装不仅要确保产品的预期性能,而且要使器件性能可靠,并具有市场竞争力。MOEMS要在这一新兴技术领域占有一席之地,将面临产品制造的可重复性、封装和工艺流程的标准化、核心器件的可靠性和寿命等一系列课题。即不仅要开发器件技术,也要开发封装技术。虽然MOEMS的封装难度较大,但发展速度很快,如今已有许多商用化的封装技术。这意味着并不缺少解决办法,而缺少如何将它运用到MOEMS生产中,MOEMS及其器件技术在未来的信息技术和光电子学领域的前途一片光明。

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