本文介紹，在光電子中投資的PCB裝配制造商將遇到新的基板與封裝設(shè)計(jì)，它需要不尋常的綁定設(shè)備能力。

一些工業(yè)專家預(yù)想在不遠(yuǎn)的將來，印刷電路板（PCB）的“不動產(chǎn)”將普遍被那些既有電子又有光子四處奔跑的芯片所占有。盡管如此，直到這一天到來之前，原設(shè)備制造商（OEM）和電子制造服務(wù)（EMS）供應(yīng)商將還不得不以今天現(xiàn)有的技術(shù)來參與競爭。他們現(xiàn)在所面臨的是一個勞動力密集、低產(chǎn)量和高成本的現(xiàn)實(shí)，很少光子元件是使用自動化設(shè)備來封裝和裝配的，因?yàn)椴淮嬖跇?biāo)準(zhǔn)的工藝和封裝。

這個“另類世界”由古怪的基板和封裝設(shè)計(jì)組成，在其內(nèi)面有細(xì)小的、精致的光子元件。通常為了穩(wěn)定性，光子元件裝在氣密密封的封裝里面，例如，在晶體管外形（TO）頭中的激光二極管。光電子元件連接以形成電路的安裝結(jié)構(gòu)可以是柔性電路、FR-4板或幾種其它的連接材料。一個例子是在FR-4板上的電信陣列放大器，然后板又澆鑄成模塊。另一個例子是在PCB上的光電發(fā)射器。

由于今天光電子市場的特性，以PCB定位的OEM和EMS供應(yīng)商必須熟悉廣泛的基板類型以及有源與無源的元件，如發(fā)射器、接收器、棱鏡、單個的激光二極管、光纜、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS， microelectroNIc-mechanical system）的反射器矩陣、甚至微光電子機(jī)械系統(tǒng)（MOEMS）的射流開關(guān)。在每個級別都將涉及這些元件，從芯片到封裝到發(fā)射/接收光纖。

現(xiàn)在和將來，光子電路的心臟是激光二極管。例如，邊緣發(fā)射激光二極管和垂直空腔表面發(fā)射激光二極管（VCSEL， vertical cavity surface-emitting laser diode）。這些元件要求一臺綁定機(jī)，具有大多數(shù)傳統(tǒng)PCB裝配制造商不習(xí)慣使用的能力和設(shè)計(jì)特性。

綁定材料（Bonding Materials）

現(xiàn)在，在電信應(yīng)用中，金/錫合金是用于安裝VCSEL和邊緣發(fā)射器到子裝配的最常指定的綁定材料。該合金的應(yīng)用或者通過電鍍到子裝配上或者通過放置金/錫預(yù)成型，然后加熱回流，形成焊接。

可是，一些封裝者使用環(huán)氧樹脂，特別是對于計(jì)算機(jī)通信應(yīng)用，因?yàn)樗喕图铀倭撕附庸に嚕杀据^低。例如，一個激光二極管可以用樹脂附著到每一個TO頭上，這些頭坐落在綁定機(jī)的貼裝站的托盤里，然后所有的環(huán)氧樹脂可以同時固化。

一旦實(shí)施光電子裝配的標(biāo)準(zhǔn)工藝和封裝，樹脂綁定應(yīng)該得到甚至更大的好處，因?yàn)樗兄谧詣踊に嚕@個自動化工藝是新設(shè)計(jì)的開發(fā)與起始低產(chǎn)量生產(chǎn)階段隨之而來的。廣告詞句：選擇一臺可以運(yùn)行合金和樹脂兩種安裝工藝的綁定機(jī)，這樣可以最充分地利用這臺綁定機(jī)。

激光二極管的綁定（Laser Diode Bonding）

一個激光二極管的細(xì)致如鹽的顆粒大小和精密的特性為OEM和EMS供應(yīng)商產(chǎn)生了不尋常的挑戰(zhàn)。綁定負(fù)載與溫度曲線的精密計(jì)算機(jī)控制對于保護(hù)這些元件在綁定工藝中不被壓碎和過熱是絕對必要的。綁定機(jī)的Z運(yùn)動必須施加一個可重復(fù)的、非常低的綁定載荷給元件，以避免壓碎或者甚至給它應(yīng)力。

另一個可能影響綁定機(jī)選擇的考慮是其堆疊元件的能力。例如，該應(yīng)用可能要求首先沉積樹脂在TO頭上，然后一個陶瓷隔離片放在樹脂上，在將樹脂放在陶瓷頂面，最后VCSEL放進(jìn)里面。

如果要使用樹脂，樹脂點(diǎn)的大小必須比具有正向位移閥的標(biāo)準(zhǔn)針嘴滴膠系統(tǒng)可達(dá)到的更小。這類系統(tǒng)滴出的膠點(diǎn)就象俗話說的“黑人的蜜吻”，對于VCSEL應(yīng)用簡直太大了。由于膠點(diǎn)太大，當(dāng)放置元件時材料流出邊緣周圍，流到激光元件的發(fā)射區(qū)域，阻礙發(fā)射的光束。

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今天，許多光電子裝配制造商嘗試使用一個針嘴滴膠系統(tǒng)來進(jìn)行樹脂安裝工藝。可是，這些裝配制造商都通常缺乏深入的半導(dǎo)體封裝經(jīng)驗(yàn)。為了取得成功，裝配制造商必須有一臺裝備有樹脂轉(zhuǎn)移工具技術(shù)的綁定機(jī)，這種設(shè)備在20-25年前即普遍用于半導(dǎo)體工業(yè)。該技術(shù)允許綁定機(jī)操作員準(zhǔn)確地將極其小量的膠滴在子裝配上。

為了完成激光二極管樹脂安裝，在綁定機(jī)上某些特性是有用的。例如，綁定機(jī)的吸取工具可能裝備一個雙頭，一個從其載體上吸取激光二極管，另一個用于樹脂轉(zhuǎn)移工具。

視覺能力需要用來達(dá)到準(zhǔn)確安裝微小的激光元件所要求的對準(zhǔn)和貼裝精度。應(yīng)該為視覺系統(tǒng)考慮幾個設(shè)計(jì)特性。首先，一個光束分路器是有用的，在對準(zhǔn)步驟中，它以高放大倍數(shù)同時疊加傳送工具頭的圖像和著陸座的圖像。其次，一個用光纖照明的立體放大顯微鏡允許操作員檢查安裝工藝和實(shí)時地檢查對準(zhǔn)。

如果放置VCSEL，可能發(fā)生這些片子的不對準(zhǔn)。例如，當(dāng)綁定機(jī)的吸取工具下去從載體上吸取VCSEL時，由于工具頭的真空關(guān)閉，VCSEL的發(fā)光點(diǎn)可能變得不對準(zhǔn)。可是，如果真空開著，可能造成VCSEL跳起來，產(chǎn)生不對準(zhǔn)。還有，當(dāng)吸取工具將在凝凍體包裝上的VCSEL從載體的粘床上拿走時，零件可能變得不對準(zhǔn)。

盡管如此，不對準(zhǔn)這個情況可以通過選擇一個具有精密工作站的綁定機(jī)來完全避免。精密工作站允許用非加熱的工具不損壞凝膠，將VCSEL取下。接著，在貼裝到子裝配之前，可以用預(yù)熱工具處理VCSEL。精密工作站還用真空將VCSEL牢固地固定在位置上，用這個綁定系統(tǒng)的重疊圖像的對準(zhǔn)，其發(fā)光點(diǎn)不會偏離中心。

VCSEL的視覺挑戰(zhàn)

為了適當(dāng)?shù)靥幚硭行问降募す舛O管的綁定，綁定機(jī)上另一種視覺特征是有幫助的。某些應(yīng)用要求比只使用光束分路器和顯微鏡可達(dá)到的更好的對準(zhǔn)/貼裝能力。例如，將樹脂或金/錫放置到一個圓形的TO頭上，然后安裝VCSEL。在該類型的應(yīng)用中將要遇到的問題實(shí)際上是不可逾越的，如果在半自動的綁定機(jī)上不使用特殊的視覺特性，或者在更昂貴的全自動綁定機(jī)上不使用自動模式的識別能力。

特別是，在VCSEL從其載體吸出之后，由于抓住芯片的吸取頭阻擋了視線，操作員看不見VCSEL的發(fā)射點(diǎn)。為了將發(fā)射點(diǎn)對準(zhǔn)到子裝配上的某個特征點(diǎn)上，操作員必須知道激光二極管的發(fā)射點(diǎn)在哪里。通常，二極管的發(fā)射點(diǎn)對準(zhǔn)TO頭的中心。在這種情況中，必須提供一個參考標(biāo)記，可以疊加到頭的肩部，這樣可以同時看到肩部和VCSEL上的發(fā)射點(diǎn)的位置。

可是，由于在激光芯片上需要空間給著陸/綁定的焊盤，有時發(fā)射點(diǎn)不在激光二極管的中心。更復(fù)雜的情況是，當(dāng)晶圓上的激光芯片切割時，在切割片的形狀上可能有10-15微米的變化。

除此之外，激光器位于之上的TO頭是一個機(jī)器壓印的金屬片，因此其誤差可能在TO頭的肩部周圍變化。如果TO頭的肩部超出圓一定數(shù)量，那么發(fā)射點(diǎn)的貼裝精度將受到負(fù)面影響。即使TO頭是個完美的圓，其直徑也可能實(shí)際上有變化。

一個解決辦法是有這樣一臺綁定機(jī)，它“記住”在VCSEL從載體吸取之前發(fā)射點(diǎn)在哪里，并且補(bǔ)償非圓的肩部/直徑的變化。昂貴的自動綁定機(jī)具有觀察載體內(nèi)芯片的圖形識別系統(tǒng)，記憶發(fā)射點(diǎn)的位置和將它定位到子裝配的焊盤座上。許多投資到光電子的PCB裝配制造商不想知道這個使用自動化機(jī)器的新領(lǐng)域的訣竅，只是將這種能力增加到半自動綁定機(jī)上可能不是一個可行的辦法。

為了解決這些問題，可以將一個相對不昂貴的視覺圖像標(biāo)識器加入到激光綁定機(jī)上。這個視覺圖形標(biāo)識器由一個鍵盤、控制箱和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的放大電子圖像的x-y旋鈕組成。視覺圖像標(biāo)識器產(chǎn)生一個固定的十字線圖形重疊，用于對中VCSEL的發(fā)射點(diǎn)。不同的圖像然后可以疊加在VCSEL將要安裝的子裝配上。例如，TO頭的頂部的外圓的疊加圖像。

在操作中，激光二極管從其載體的托盤上吸取，放在綁定機(jī)的精密工作站上。圖形標(biāo)識器的十字線對準(zhǔn)二極管的發(fā)射點(diǎn)，二極管被吸起，準(zhǔn)備貼裝在TO頭上。標(biāo)識器的圓形覆蓋圖對準(zhǔn)該頭（圖四）。現(xiàn)在發(fā)射點(diǎn)和頭兩者都適當(dāng)對準(zhǔn)，操作員可以準(zhǔn)確地將激光二極管放在頭上。

平臺/拱架的考慮（Platform/Gantry Consideration）

激光二極管的綁定要求一個穩(wěn)定的綁定平臺/拱架和精密的滑行導(dǎo)軌。Z運(yùn)動控制應(yīng)該允許低負(fù)載的、精確的、可重復(fù)的芯片綁接。對于涉及邊緣發(fā)射激光器和VCSEL的金/錫綁定工藝，綁定機(jī)必須能夠在綁定和冷卻循環(huán)期間以一個特定的、持續(xù)的負(fù)載固定芯片，這樣芯片不會壓碎或存在應(yīng)力。在樹脂接合中，需要一個特定的、持續(xù)的載荷來保證兩個表面之間的樹脂厚度盡可能均勻。

如果使用金/錫合金，一種擦洗能力是有幫助的。擦洗消除可能在相互連接表面之間出現(xiàn)的空洞。需要擦洗次數(shù)決定于二極管的大小，最小的二極管通常不需要任何擦洗。綁定機(jī)應(yīng)該裝配一個頭，將擦洗動作準(zhǔn)確地回到開始位置，以維持原點(diǎn)的對準(zhǔn)。是芯片的尺寸而定，擦洗的幅度和頻率可能需要改變。當(dāng)使用邊緣發(fā)射器時，必須極其注意擦洗時不要將綁定材料堆積在二極管的前后晶體小平面上，否則會被污染。

綁定機(jī)的軟件程序應(yīng)該多用途，足以適應(yīng)共晶和樹脂應(yīng)用。所有操作功能應(yīng)該用實(shí)時的軟件系統(tǒng)控制，通過閉環(huán)的反饋提供對工藝的驗(yàn)證。

結(jié)論

為了接受這個挑戰(zhàn)和收獲由于開拓光電子市場所提供的回報，以PCB定位的OEM和EMS供應(yīng)商需要對傳統(tǒng)的裝配工藝進(jìn)行思考。今天的光電裝配中的基板和封裝設(shè)計(jì)要求不尋常的綁定設(shè)備能力。使用合適的綁定機(jī)，OEM和EMS供應(yīng)商可以獲得經(jīng)驗(yàn)，在這個新的令人興奮的工業(yè)參與競爭。