Technologie PCB - Technologie et encapsulation de dispositifs MOEMS pour la conception de PCB

Présentation

Les systèmes micro - Opto - électromécaniques (MOEMS) sont une technologie émergente qui est devenue l'une des plus populaires au monde. MOEMS est un système microélectromécanique (MEMS) utilisant un système photonique qui contient des modulateurs optiques micromécaniques, des commutateurs optiques micromécaniques, des circuits intégrés et d'autres composants et utilise la miniaturisation, la diversité et la microélectronique de la technologie MEMS pour permettre une intégration transparente des dispositifs optiques et électriques. En termes simples, MOEMS est une intégration supplémentaire des puces au niveau du système. Les dispositifs MOEMS de PCB design sont plus petits, plus légers et plus rapides (avec des fréquences de résonance plus élevées) que les dispositifs optoélectroniques de grande taille et peuvent être produits en série. Cette méthode en espace libre présente l'avantage de faibles pertes de couplage et d'une faible diaphonie par rapport à la méthode du Guide d'onde. Les changements dans la photonique et les technologies de l'information ont directement contribué au développement du MOEMS. La figure 1 montre les relations entre la microélectronique, la micromécanique, l'optoélectronique, les fibres optiques, les MEMS et les MOEMS. Aujourd'hui, les technologies de l'information évoluent rapidement et sont constamment mises à jour, avec des vitesses d'ouverture de la lumière pouvant atteindre TB / s d'ici 2010. La demande de MOEMS et d'interconnexions optiques est alimentée par des débits de données croissants et la demande d'équipements de nouvelle génération plus performants, et l'utilisation de dispositifs MOEMS pour la conception de circuits imprimés dans le domaine de l'optoélectronique ne cesse de croître.

Conception de circuits imprimés les dispositifs MOEMS sont classés en interférométrie, diffraction, transmission et réflexion (voir tableau 1) en fonction de leur principe de fonctionnement physique, la plupart d'entre eux utilisant des dispositifs réfléchissants. MOEMS a connu un développement remarquable au cours des dernières années. Ces dernières années, la recherche et le développement de la technologie MOEMS et de ses équipements ont été considérablement stimulés par la demande croissante de communications et de transferts de données à haut débit. Les dispositifs MOEMS requis pour la conception de circuits imprimés optiques réfléchissants à faible perte, faible sensibilité emv et faible diaphonie et haut débit de données ont été développés.

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

En technologie de l'information, l'une des clés des applications optiques est la commercialisation des sources lumineuses. Outre les sources lumineuses monolithiques telles que les sources de rayonnement thermique, les LED, les LD et les VCSEL, les sources MOEMS à dispositif actif sont particulièrement préoccupantes. Par example, dans un VCSEL accordable, il est possible de faire varier la longueur d'onde d'émission du résonateur en faisant varier la longueur du résonateur par micromécanique, ce qui permet une technologie WDM haute performance. Actuellement, un procédé d'accord en porte - à - faux de support et une structure mobile avec bras de support ont été développés.

Un commutateur optique MOEMS avec un miroir mobile et un réseau de miroirs a également été développé pour assembler des réseaux OXC, parallèles et de commutation. La figure 2 montre un commutateur à fibre optique MOEMS en espace libre avec une paire d'actionneurs en porte - à - faux en forme de u pour le déplacement latéral de la fibre. Les avantages par rapport aux commutateurs à guide d'onde traditionnels sont de faibles pertes de couplage et une faible diaphonie.

Les filtres à large plage réglable en continu sont un dispositif très important dans les réseaux DWDM variables, et des filtres MOEMS f / P utilisant divers systèmes de matériaux ont été développés. En raison de la flexibilité mécanique du diaphragme accordable et de la longueur effective de la cavité optique, la plage accordable en longueur d'onde de ces dispositifs n'est que de 70 nm. La société japonaise opnext a développé un filtre MOEMS f / P avec une largeur réglable record. Ce filtre est basé sur la technologie Multi InP / GAP MOEMS. La structure verticale est composée de 6 couches de diaphragmes INP suspendus. La membrane est une structure circulaire soutenue par trois ou quatre cadres suspendus. Connexion de table de support rectangulaire. Son filtre f / P accordable en continu a une bande résistive très large couvrant les deuxième et troisième fenêtres de communication optique (1 250 ~ 1800 nm), sa largeur d'accord en longueur d'onde est supérieure à 112 nm et sa tension de pilotage est aussi faible que 5 v.

Technologie de conception et de production de MOEMS la plupart des technologies de production de MOEMS ont évolué directement à partir de l'industrie des circuits intégrés et de ses normes de fabrication. Ainsi, les techniques de micro - usinage de masse et de surface et de micro - usinage à haut rendement (Harm) sont utilisées dans MOEMS. Mais il y a d'autres défis tels que la taille du moule, l'uniformité des matériaux, la technologie tridimensionnelle, la topographie de la surface et l'usinage final, l'inhomogénéité et la sensibilité à la température.

Généralement, les techniques de lithographie sont largement utilisées pour créer des motifs structurels. En outre, la lithographie sans masque peut également être utilisée pour la fabrication de motifs classiques. Il est par example utilisé à la surface de matériaux photosensibles tels que des polymères. Pour obtenir une surface à faible indice de réfraction, on peut également réaliser un motif bidimensionnel qui peut remplacer un revêtement antireflet multicouche classique et qui peut être utilisé dans le MOEMS pour améliorer ses performances. Les matériaux utilisés et leurs techniques de dépôt sont similaires aux procédés IC standard tels que l'oxydation thermique du si, LPCVD, PECVD, pulvérisation, galvanoplastie, etc. différents types de techniques de gravure humide et sèche peuvent également être utilisés. Par example, les rainures en Siv peuvent être réalisées avec précision par gravure anisotrope humide et sont largement utilisées pour l'alignement et l'encapsulation de fibres optiques et de dispositifs optoélectroniques. Les micromiroirs peuvent être fabriqués par Gravure ionique réactive humide (drie) et micro - usinage de surface. Il est également possible d'obtenir une structure non plane avec un grand rapport de moule longitudinal en utilisant une technique de rodage fin.

Actuellement, la méthode la plus couramment utilisée est la technologie micromécanique de plan de tranche de silicium à points convexes de la puce, qui permet des méthodes d'assemblage IC standard et peu coûteuses. Pour protéger la puce, la surface de la puce peut être scellée par un revêtement de gel et la méthode de soudage par flux concave (IRS) peut être utilisée comme moyen d'améliorer l'encapsulation au niveau de la plaquette. Certains nouveaux produits MOEMS sont particulièrement sensibles à la température. Les dispositifs avec des fils sont généralement soudés à la main, tandis que les dispositifs montés en surface sont soudés au laser.

MOEMS utilise des technologies réussies telles que la boucle de rétroaction analogique (FEA), l'optimisation des processus et la conception secondaire. Outre les simulations mécaniques, thermiques et électriques, la simulation optique (BPM) et l'évaluation des performances sont également présentées. De plus, en raison des exigences élevées en matière d'alignement optique, la technologie d'encapsulation a été introduite dans la simulation de conception afin de répondre aux exigences d'encapsulation et d'interconnexion complètes des dispositifs optiques. La figure 3 montre la simulation de conception MOEMS et le processus technique.

Outre la recherche et le développement de dispositifs MOEMS pratiques pour la conception de circuits imprimés, le principal défi consiste actuellement à assembler et à encapsuler des dispositifs fiables dans des boîtiers spécialisés. Bien que de nombreux appareils aient été développés, très peu fonctionnent de manière fiable sur le marché. L'une des raisons est la difficulté d'encapsulation et la difficulté de réaliser des liaisons optiques fiables et peu coûteuses. Surtout que les dispositifs MOEMS de conception de PCB entrent dans le domaine des applications, le principal problème est l'alignement optique et l'encapsulation. En outre, les pertes réelles des dispositifs MOEMS de conception PCB dépendent également de la technologie d'encapsulation.

Contrairement aux méthodes d'emballage standard, les composants et les emballages MOEMS sont des applications spéciales. Étant donné que chaque dispositif MOEMS de conception de PCB est développé de manière non standard et que différentes applications ont des exigences d'encapsulation différentes, la technologie de fabrication de MOEMS est principalement la technologie d'encapsulation, le coût d'encapsulation représentant le plus grand pourcentage du coût total du système. Ainsi, certains développeurs disent: l'emballage est un processus, pas une science.

Les boîtiers MOEMS sont généralement divisés en trois niveaux: au niveau de la puce, au niveau du dispositif et au niveau du système. Dans lequel le boîtier au niveau de la puce comprend la passivation, l'isolation et le soudage de la puce, assurant la voie d'alimentation, la conversion du signal et les conducteurs d'interconnexion, ainsi que la protection et l'isolation de la passivation de l'élément sensible et de l'actionneur; Le boîtier au niveau du dispositif comprend la mesure et la conversion du signal, le collage des fils et le soudage des éléments; Le système d'emballage comprend l'emballage, la production, l'assemblage et les essais. Paquet de commutateur optique 2 * 2 avec fibre de verre et lentille à bille. Ce commutateur optique MOEMS haute performance, à faible rendement et produit en série peut répondre aux exigences des réseaux optiques complets pour les équipements.

Exigences d'emballage MOEMS

Les exigences d'emballage de MOEMS sont: résistance aux chocs mécaniques et thermiques, résistance aux vibrations et à la corrosion chimique, longue durée de vie. Comprend l'épaisseur adhésive du Wafer et du Wafer, la découpe du Wafer, la fixation de la puce, le processus de placement de la puce, le contrôle thermique, l'isolation sous contrainte, l'encapsulation hermétique, l'inspection et le réglage.

Épaisseur du collage des puces et des puces: le collage des puces est généralement assez épais (plus de 1 mm), mais le marché des boîtiers IC STANDARD évolue aujourd'hui vers plusieurs dimensions, ce qui pose des défis majeurs pour la technologie d'emballage, car certains dispositifs d'assemblage traditionnels ne sont pas disponibles. Il n'y a pas d'outils standardisés.

Découpe de plaquettes: le processus de découpe de plaquettes est le plus gros problème. Actionné manuellement à l'aide d'une bande porteuse de viscose, l'écoulement de l'eau et les vibrations peuvent détruire la structure micromécanique de petites surfaces. De plus, la découpe avant la gravure de la couche sacrificielle augmente le coût. Ce problème peut être résolu car l'encapsulation MOEMS Tier 1 n'a pas besoin de toucher l'environnement. Contrôle thermique: le contrôle thermique est nécessaire dans la puce et le boîtier, car les fluctuations thermiques entraînent des performances instables, tandis que les différents matériaux cte provoquent des sorties optiques. Un radiateur tel qu'un régulateur thermique peut être utilisé pour le refroidissement afin de maintenir une température constante. Le montage sur puce utilise des matériaux en argent remplis de soudure ou de résine époxy à haute conductivité thermique.

Isolation des contraintes: les contraintes mécaniques ou thermiques dans les dispositifs MOEMS de conception PCB sont liées à leur principe de fonctionnement. On pense que les problèmes fonctionnels et les problèmes de contraintes causés par la perte d'appariement réduisent la fiabilité et les performances et sont généralement causés par un retrait lent de la colle ou de la résine époxy reliant la Feuille de silicium et le boîtier.

Emballage scellé: les emballages scellés sont souvent utilisés pour améliorer la fiabilité à long terme de l'équipement. En général, il est évacué ou rempli de gaz inerte pour empêcher l'humidité, la vapeur d'eau et la pollution de pénétrer dans l'enceinte ou l'environnement corrosif. Les boîtiers de tubes étanches doivent être réalisés en métal, en céramique, en silicium ou en verre d'épaisseur millimétrique et les connexions étanches doivent être assurées lors de l'interconnexion électrique et optique.

Inspection et réglage: en raison d'écarts mineurs dans le processus de fabrication, l'équipement MOEMS de conception de PCB doit être inspecté pour répondre aux indicateurs techniques requis. L'un utilise un laser pour affiner la résistance ou la méthode d'ablation laser, l'autre utilise une méthode de compensation électronique.

Technologie d'encapsulation MOEMS

La technologie d'encapsulation MOEMS peut être divisée en principaux aspects tels que la fixation du moule, le boîtier, le câblage et l'interconnexion optique. Dans MOEMS, les équipements commerciaux ont besoin d'un mélange pratique de MOEMS avec un emballage blindé fiable et sûr. En raison de la nature sans contact et non invasive de l'optique, la conception de circuits imprimés pour les boîtiers de dispositifs MOEMS est beaucoup plus facile que pour les boîtiers de dispositifs MEMS, et la conception MEMS peut être utilisée, mais nécessite un alignement optique excellent et fiable.

Alignement optique: pour obtenir un système fiable et à faibles pertes. L'alignement des optiques est de la plus haute importance dans MOEMS. Actuellement, MOEMS a deux méthodes: l'alignement passif et l'alignement actif. L'alignement passif est généralement réalisé une fois dans le processus de fabrication. Les erreurs de fabrication ou les variations de température peuvent réduire la précision de l'alignement. Ces erreurs peuvent être compensées par un système d'alignement actif. L'alignement actif est plus complexe, mais l'alignement actif contribue à réduire les tolérances du système et peut permettre l'alignement en temps réel des dispositifs optiques. L'alignement optique pour les applications multimodes peut utiliser des structures guidées passives telles que des rainures en V en silicium. Une méthode éprouvée pour assembler les modules MOEMS consiste à utiliser un assemblage photonique d'alignement passif basé sur la technologie si Optical Step / si Micromechanical. Il peut également être utilisé pour l'alignement passif de fibres optiques monomodes et de composants optiques ou électriques intégrés hybrides, principalement en fonction de la précision des rainures en v. Cette technique d'encapsulation a évolué vers des substrats en silicium auto - alignés au niveau de la tranche. Pour empêcher le déplacement de la fibre, le Guide d'onde INP est utilisé à la place du fonctionnement manuel de la fibre. En raison du manque de précision de la technologie MOEMS elle - même, la plupart des appareils monomodes tels que OXC doivent utiliser un alignement actif.

Dans le domaine de l'interconnexion optique en espace libre et du stockage optique, des sous - systèmes micro - optiques intégrés avec des exigences particulières ont été simulés et normalisés. Pour répondre aux exigences d'alignement, la liberté de positionnement doit être minimisée et des modules préfabriqués avec des moyens de positionnement ont été développés. Pour combiner librement différents composants standard, la clé est d'établir des normes mécaniques et optiques. Les commutateurs optiques MOEMS auto - assemblés typiques font un grand pas vers une intégration élevée.

Boîtier: les exigences d'interface géométrique de MOEMS sont similaires à celles d'une interface géométrique intégrée à plat. Dans l'intégration de l'espace libre plan, la lumière se propage dans le substrat à un angle hors axe et toutes les fonctions optiques sont réalisées à la surface du substrat. Son interface est donc également située à la surface du substrat. Par conséquent, il ne peut pas être encapsulé avec l'encapsulation IC traditionnelle. Typiquement, la puce est placée dans un boîtier fermé pour éviter que l'optique sensible ne soit affectée par la lumière extérieure, mais les canaux de lumière doivent être conservés et un capot ou une fenêtre de guidage doit être conçu dans le boîtier. Actuellement, MOEMS dispose de nombreuses technologies d'emballage commerciales et les méthodes d'emballage largement utilisées comprennent trois types courants de céramique, de plastique et de métal. Étant donné que la céramique est sûre, fiable, stable et robuste, elle ne fléchit pas et ne se déforme pas, la plupart des MOEMS utilisent des boîtiers à cavité en céramique. L'enveloppe en céramique est généralement constituée d'une base ou d'un siège de tube relié à un ou plusieurs moules par une colle ou une soudure, le couvercle étant en verre transparent. Assurer de bonnes propriétés d'étanchéité. Par exemple, les boîtiers de cavité en céramique LCC snap Array utilisant la technologie snap - on sont plus petits et moins coûteux que les boîtiers de tuyaux en plomb, et le soudage par fil et le soudage inverse sont adaptés aux interconnexions électriques.

Câblage et interconnexion électrique: tous les boîtiers MOEMS doivent fournir une interconnexion optique et électrique. Le soudage par fil est une technique traditionnelle de connexion électrique du moule et du boîtier. L'utilisation de la technologie Flip - chip (FC) permet de disposer des billes de soudure dans toute la zone de la puce et de fournir des connexions d'E / s plus denses. Cependant, comme le processus de chauffage de la soudure fondue peut endommager la puce et créer des phénomènes d'axes différents, il ne peut pas être utilisé pour l'assemblage Opto - mécanique. Une solution efficace consiste à déterminer les canaux de contact électrique (y compris la conductivité à travers le substrat) de la surface du MOEMS à la surface extérieure du boîtier, à réaliser les Vias de ces canaux par la technique de gravure rie profonde et à revêtir les couches isolantes et conductrices.

En outre, dans la production de MOEMS en silicium, il existe une incompatibilité entre les procédés traditionnels de câblage des circuits et des métaux et les procédés de gravure profonde anisotrope. Les circuits finis et le câblage métallique sont vulnérables à la corrosion et aux dommages lors de la gravure profonde des structures micromécaniques par Anisotropie du silicium. La solution générale est: utiliser au comme film de protection pour les circuits et le câblage; Après avoir déployé intensivement les trous de plomb de l'électrode, l'Al sur le couvercle en verre est évaporé comme point de soudure de plomb, puis pressé ensemble. Mais les deux méthodes augmentent la difficulté d'usinage du MOEMS de silicium, limitant son intégration et sa miniaturisation. Ainsi, des méthodes ont été développées pour utiliser SiO 2 / CR comme film protecteur. Le processus est simple, peu coûteux et permet une compatibilité entre les processus. Interconnexion optique: la clé de la conception de PCB d'interconnexion optique pour les dispositifs MOEMS est de réduire les pertes d'alignement. Utilisez un adhésif très stable pour fixer les fibres de verre dans des rainures en V précises et Alignez le moule par réglage passif ou actif.

Outre le développement et la conception de dispositifs MOEMS pour la conception de PCB, il convient de noter la technologie d'assemblage de MOEMS sur PCB. Dans l'interconnexion optique de l'optoélectronique et du MOEMS, le fond de panier et la carte de circuit imprimé (PCB) attirent de plus en plus l'attention. Mais les PCB ne suivent aucune règle lors de l'assemblage. Le principe de base est de considérer l'équipement, l'emballage et l'assemblage comme un système interactif. L'impact du MOEMS sur l'assemblage de PCB est actuellement à l'étude et nécessite l'élaboration de processus et de normes d'assemblage de PCB.

Une bonne solution consiste à utiliser une carte de circuit optique conductrice d'ondes en polymère, c'est - à - dire à combiner un support PCB et une structure optique. Pour les liaisons optiques, on choisit une couche optique supplémentaire avec une structure de guide d'onde à bossage thermique. La couche optique supplémentaire comprend la gaine inférieure, la couche de coeur et la gaine supérieure et est réalisée en lamelles par la technologie de laminage standard du processus de fabrication de PCB, qui devient finalement une carte de circuit électro - optique (eocb). La figure 5 montre l'assemblage d'un eocb comprenant un support électrique / optique, un dispositif optoélectronique et un pilote. Les dispositifs optoélectroniques tels que VCSEL et pin peuvent être couplés directement au Guide d'onde. Une couche optique est placée au milieu de l'enveloppe du tube plat pour protéger la structure optique avec une charge thermique élevée lors du soudage. L'eocb est ensuite fabriqué à l'aide d'un stratifié standard.

Le couplage entre le dispositif optoélectronique et le Guide d'onde peut être réalisé par couplage direct d'accostage. Ce processus de connexion résout également le problème de l'alignement précis entre le dispositif optoélectronique et la structure optique multimode en couche mince et minimise le décalage d'axe entre le dispositif et l'axe du Guide d'onde. De plus, l'effet de l'élargissement du faisceau étant réduit, la diaphonie entre canaux adjacents est également limitée par un couplage direct d'accostage. L'ensemble du dispositif optoélectronique pour le couplage bout à bout de l'eocb est représenté sur la figure 6. Actuellement, un système de carte de test eocb avec émetteur optique, pilote et plug - in a été développé.

Processus d'encapsulation MCM HDI avec des perspectives de développement en outre, le processus d'encapsulation MCM HDI pour MEMS est une approche très prometteuse. Il s'agit également d'une nouvelle application pour introduire la technologie MEMS dans les modules optoélectroniques à puces multiples (OE - MCM). Le procédé d'encapsulation MCM HDI étant capable de supporter de nombreux types de puces dans un substrat commun, il convient parfaitement à l'encapsulation MOEMS. Hdimcm offre de la flexibilité pour l'intégration et l'encapsulation de MOEMS, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de modifier le MEMS ou le processus de fabrication électronique. Après avoir utilisé un procédé HDI standardisé pour compléter les fenêtres nécessaires à l'encapsulation des puces MOEMS, la technologie de découpe laser de grande surface peut être utilisée pour découper les puces à connecter au MOEMS. Ouvrez la fenêtre nécessaire pour accéder physiquement à la puce MEMS. Mais l'un des inconvénients des MCM ou des plaques PLANeS est que les structures optiques passives telles que les séparateurs de faisceaux ou les combineurs ne peuvent pas être implémentées dans les fibres optiques et que seules des méthodes d'épissage peuvent être utilisées. Par conséquent, le MOEMS ne peut pas être assemblé en utilisant le processus SMD standard et doit utiliser d'autres méthodes qui augmentent les coûts.

Perspectives de développement MOEMS est une technologie émergente. Il fournit des équipements optiques légers, miniaturisés et à faible coût pour les applications de télécommunications et de communication de données et permet une structure mobile intégrée monolithiquement avec des composants micro - optiques. Il est devenu l'une des technologies emblématiques de l'électronique du 21ème siècle.

Le MOEMS attire l'attention des unités de recherche et de l'industrie. Sandia National Laboratory, l'Université du Colorado et d'autres instituts de recherche ont développé des dispositifs MOEMS de conception de PCB précieux, déclenchant un boom mondial du développement de dispositifs optoélectroniques tels que les commutateurs optiques MOEMS. Actuellement, MOEMS est déjà commercialisé. Par exemple, les optiques MOEMS commerciales ont été utilisées dans les projecteurs numériques les plus avancés et ont commencé à fonctionner dans les salles de cinéma numériques.

Le marché MOEMS est prometteur. On dit que les interrupteurs optiques qui sont entrés sur le marché en 2003 ont été évalués entre 440 et 10 milliards de dollars. En 2003, la part de marché des MOEMS représentait 8% du marché total des MEMS. Le tableau 2 présente les types et les parts de marché des applications MOEMS.

MOEMS, en tant que nouveau type de dispositif d'encapsulation avec des composants et des boîtiers pour des applications spéciales, diffère des méthodes microélectroniques standard. Ses coûts d'emballage représentent la plus grande part du MOEMS. Le packaging MOEMS doit non seulement garantir les performances attendues du produit, mais aussi rendre l’équipement fiable et compétitif sur le marché. Pour prendre sa place dans ce domaine technologique émergent, MOEMS sera confronté à une série de problèmes tels que la répétabilité de la fabrication des produits, la normalisation des processus d'emballage et de processus, la fiabilité et la durée de vie des dispositifs de base. Il ne s'agit pas seulement de développer la technologie des dispositifs, mais aussi de développer la technologie d'encapsulation. Bien que l’emballage de MOEMS soit difficile, il évolue rapidement et il existe de nombreuses technologies d’emballage commerciales. Cela signifie qu’il n’y a pas de pénurie de solutions ou de moyens de les appliquer à la production MOEMS. MOEMS et ses technologies de dispositifs ont de belles perspectives dans le domaine des technologies de l'information et de l'optoélectronique du futur.