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

Introducción

El sistema de micromecánica (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 sistemas fotónicos que incluyen moduladores electroópticos de microcomputadoras, interruptores electroópticos de microcomputadoras, IC y otros componentes, y utiliza la miniaturización, diversidad y Microelectrónica de la tecnología microelectrónica para lograr una integración perfecta de dispositivos ópticos y eléctricos. En resumen, moems es una mayor integración de chips a nivel de sistema. En comparación con los dispositivos de máquinas ópticas grandes, los dispositivos moems diseñados por PCB son más pequeños, más ligeros, más rápidos (con una frecuencia de resonancia más alta) 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 promovido 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 está desarrollando rápidamente y se está actualizando 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 también está creciendo.

Los dispositivos moems de diseño de PCB y los dispositivos moems de diseño de PCB técnicos 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 reflectantes. En los últimos años, moems ha logrado un desarrollo significativo. En los últimos años, debido al aumento de la demanda de comunicaciones de alta velocidad y transmisión de datos, la investigación y el desarrollo de la tecnología moems y sus dispositivos han sido muy estimulados. Se han desarrollado los dispositivos moems necesarios para el diseño de PCB de luz reflectante de baja pérdida, baja sensibilidad emv y baja conversación cruzada y alta velocidad de datos.

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 ajustables (vcsel), moduladores ópticos, fotodetectores selectivos de longitud de onda ajustables 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 también reciben especial atención. 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 una matriz de interruptores oxc, paralelos y de encendido / apagado. 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 la Guía de onda de conmutación tradicional, su ventaja es que la pérdida de acoplamiento es baja y la conversación cruzada es pequeña.

Los filtros ajustables continuos de amplio rango son dispositivos muy importantes en redes DWDM variables, y se han desarrollado filtros moems f P que utilizan varios sistemas de materiales. Debido a la flexibilidad mecánica de los diafragmas ajustables y la longitud efectiva de la cavidad óptica, el rango de longitud ajustable 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 multiple INP / 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 suspensiones. La Plataforma de soporte rectangular está conectada. Su filtro f P ajustable continuo tiene una banda de bloqueo muy ancha, cubriendo la segunda y tercera ventana de comunicación óptica (1250 a 1800 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 evolucionan 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 procesamiento 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 hacer patrones tradicionales. Por ejemplo, se utiliza en superficies de materiales sensibles a la luz, como polímeros. Para obtener una superficie de bajo índice de refracción, también se pueden hacer patrones bidimensionales, lo que puede reemplazar el recubrimiento antireflejo multicapa tradicional y se puede utilizar en moems para mejorar su rendimiento. Los materiales utilizados y sus técnicas de depósito son similares a los procesos IC estándar, como la oxidación térmica de silicio, 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 a través de un grabado isotrópico húmedo, que se utilizan ampliamente en la alineación y encapsulamiento de fibras ópticas y dispositivos fotoeléctricos. Los microscopios se pueden fabricar mediante el grabado de iones de reacción húmeda (drie) y el micromecanizado de la superficie. Al utilizar la tecnología de honing fino, también se pueden obtener estructuras no planas con grandes relaciones de modo longitudinal.

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 recubrimiento de gel, y el método de soldadura por flujo cóncavo (irs) se puede utilizar como un método para mejorar el embalaje a nivel de chip. 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.

El moems utiliza tecnologías exitosas como circuitos de retroalimentación analógicos (feas), optimización de procesos y diseño secundario. Además de las simulaciones mecánicas, térmicas y eléctricas, se presentan simulaciones ópticas (bpm) y evaluaciones de 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 moems y el programa de 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 del diseño de PCB de los dispositivos moems 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 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 ejecutores; El paquete a nivel de dispositivo incluye medición y conversión de señales, Unión de cables y soldadura de componentes; El embalaje a nivel de sistema incluye embalaje, producción, montaje y pruebas. Empaquetado con interruptor óptico 2 * 2 de fibra de vidrio y lente esférica. Este interruptor óptico moems de alto rendimiento, bajo rendimiento y producción a gran escala puede cumplir con los requisitos de toda la red óptica para el equipo.

Requisitos de embalaje moems

Los requisitos de embalaje moems son: resistencia a impactos mecánicos y térmicos, resistencia a vibraciones y química, larga vida útil. Incluye espesor de Unión de obleas y obleas, Corte de obleas, proceso de colocación de chips, control térmico, aislamiento de estrés, encapsulamiento sellado, inspección y ajuste.

Espesor de la adherencia entre chips y chips: la adherencia entre chips suele ser gruesa (más de 1 mm), pero hoy en día el mercado de encapsulamiento IC estándar está evolucionando 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 pequeñas estructuras micromecánicas superficiales. Además, el Corte antes de grabar la capa de sacrificio aumenta los costos. 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, diferentes materiales Cte pueden causar que la luz se desvíe del eje, por lo que el control térmico es necesario en el chip y el embalaje. Los radiadores, como los termomoduladores, se pueden utilizar para enfriarse para mantener la 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 por la pérdida de desajuste reducen la fiabilidad y el rendimiento, generalmente causados 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. En general, se bombea o se llena con gases inertes para evitar que la humedad, el vapor de agua y los contaminantes entren en la carcasa o en un ambiente corrosivo. Las carcasas herméticas deben fabricarse utilizando metales, cerámica, silicio o vidrio de espesor milimétrico y deben garantizarse conexiones herméticas al realizar interconexiones eléctricas y ópticas.

Inspección y ajuste: debido a las 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 chips, 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, se puede utilizar el diseño de microelectromes, pero se necesita 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 a través del 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 los equipos ópticos. La alineación óptica de aplicaciones multimodo puede utilizar estructuras de guía de ondas pasivas como ranuras en forma de V de silicio. Un método maduro para ensamblar módulos moems es utilizar componentes fotónicos 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 obleas. Para evitar el Movimiento de la fibra óptica, se utiliza una guía de onda INP en lugar de una operación manual de la fibra óptica. Debido a la falta de precisión de la propia tecnología moems, la alineación activa debe usarse en la mayoría de los dispositivos monomodo, como oxc.

En el campo de la interconexión óptica y el almacenamiento óptico en el espacio libre, se simulan y estandarizan los microsistemas de luz integrados con requisitos especiales. Para cumplir con los requisitos de alineación, es necesario minimizar la libertad de posicionamiento y desarrollar 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 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, 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 con encapsulamiento IC tradicional. Por lo general, el chip se coloca en una carcasa cerrada para evitar que los dispositivos ópticos sensibles se vean afectados por la luz externa, pero el canal de luz debe reservarse y es necesario diseñar una tapa o ventana guía de luz en la carcasa. Hoy en día, 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 de tubería, conectado a uno o más núcleos 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 con tecnología de hebillas es más pequeña y más barata que la carcasa del tubo de plomo, y la soldadura a presión de alambre de soldadura y la soldadura inversa son adecuadas para la interconexión eléctrica.

Cableado e interconexión eléctrica: todos los paquetes moems deben proporcionar interconexión óptica y eléctrica. La soldadura por alambre de soldadura es la tecnología tradicional para conectar electrónicamente el molde y la carcasa. El uso de la tecnología de chip invertido (fc) permite organizar 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 eléctrica 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 cableado de circuitos y metales 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 oro como película protectora para circuitos y cableado; Después de que los agujeros de alambre del electrodo se distribuyen densamente, el aluminio en la tapa de vidrio evaporado sirve como punto de soldadura del alambre y luego se presiona juntos. Pero ambos métodos aumentan la dificultad del proceso y limitan la integración y miniaturización del moems de silicio. Por lo tanto, se desarrolló un método que utiliza 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. Fije la fibra de vidrio en una ranura V precisa con un adhesivo muy estable y ajuste el molde de alineación de forma pasiva o activa.

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 de Optoelectrónica y moems, la atención a las placas traseras y las placas de circuito impreso (pcb) está aumentando. Sin embargo, los PCB no tienen reglas a seguir durante el proceso de montaje. El principio básico es considerar el equipo, el embalaje y el montaje como un sistema interactivo. En la actualidad, se está estudiando el impacto de moems en el montaje de pcb, y es necesario desarrollar procesos y estándares de montaje de pcb.

Una buena solución es utilizar placas de circuito óptico guiadas por polímeros, 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 una capa inferior de recubrimiento, una capa central y una capa superior de recubrimiento, 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 el montaje del eocb, que incluye portadores eléctricos / ópticos, dispositivos fotoeléctricos y conductores. Por ejemplo, los dispositivos fotoeléctricos vcsel y pin se pueden acoplar 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 fotoeléctricos y guías de onda. El proceso de conexión también resuelve el problema de alineación precisa entre el dispositivo fotoeléctrico y la estructura multimodo óptica en la fina capa, y minimiza el desplazamiento del eje entre el dispositivo y el eje de guía de onda. Además, debido a la reducción del impacto de la ampliación del haz, la conversación cruzada entre canales adyacentes también está limitada por el acoplamiento de acoplamiento directo. La figura 6 muestra todo el dispositivo fotoeléctrico para el acoplamiento de acoplamiento de eocb. En la actualidad, se ha desarrollado un sistema de tablero de plug - in de prueba eocb con transmisores 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 para introducir 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 sustratos ordinarios, 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 completar la ventana necesaria para encapsular el chip moems con un proceso HDI estandarizado, 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 los combinados de haz) no se pueden implementar en la fibra óptica y solo se puede utilizar el método de empalme. Por lo tanto, moems no se puede ensamblar con un proceso SMD estándar y debe usar otros métodos para aumentar los costos.

Moems es una tecnología emergente con amplias perspectivas de desarrollo. Proporciona dispositivos 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 recibiendo gran atención de 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 fotoeléctricos 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 para aplicaciones especiales, por lo que es diferente 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. Si moems quiere ocupar 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 y la fiabilidad y vida útil de los dispositivos centrales. Esto no es solo el desarrollo de la tecnología de dispositivos, sino también el desarrollo de la tecnología de embalaje. Aunque el encapsulamiento de moems es difícil, se desarrolla rápidamente y tiene muchas tecnologías de encapsulamiento comercial. Esto significa que no faltan soluciones y no se sabe cómo aplicarlas a la producción de moems. Moems y su tecnología de dispositivos tienen amplias perspectivas de aplicación en el futuro campo de la tecnología de la información y la optoelectrónica.