PCB技術 - PCB設計のためのMOEMSデバイス技術とパッケージ

紹介

マイクロ電子機械システム（MOEMS）は、世界で最も人気のある技術の1つとなっている新興技術です。MOEMSは、マイコン電気光学変調器、マイコン電気光学スイッチ、IC、その他のコンポーネントを含む光子システムを使用し、MEMS技術の小型化、多様性、マイクロ電子技術を利用して光学デバイスと電気デバイスのシームレスな統合を実現するマイコン電気システム（MEMS）である。簡単に言えば、MOEMSはシステムレベルのチップのさらなる統合である。PCB設計のMOEMSデバイスは、大型光機デバイスに比べて、より小さく、より軽く、より速く（より高い共振周波数を有する）、量産可能である。導波路法に比べて、この自由空間法は結合損失が低く、クロストークが小さいという利点がある。フォトニクスと情報技術の変化はMOEMSの発展を直接促進した。図1は、マイクロ電子、ミクロ力学、光電子、光ファイバ、MEMS、MOEMSの関係を示す。現在、情報技術は急速に発展し、更新を続けており、2010年までに光開放の速度はTb/sに達することができる。向上し続けるデータレートとより高性能な次世代デバイスの要求はMOEMSと光相互接続への需要を推進し、PCB設計MOEMSデバイスの光電子分野への応用も増加している。

PCB設計MOEMSデバイスと技術PCB設計MOEMSデバイスは、その物理的動作原理に基づいて干渉型、回折型、透過型、反射型に分類される（表1参照）。その多くは反射型デバイスを使用している。過去数年間、MOEMSは顕著な発展を遂げた。近年、高速通信やデータ伝送に対する需要の増加により、MOEMS技術及びそのデバイスの研究開発は大きな刺激を受けている。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PCB設計MOEMSデバイスが開発されている。

現在、MOEMS技術は、可変光減衰器（VOA）などの簡単なデバイスに加えて、可変垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）、光変調器、可変波長選択光検出器、その他の光学デバイスを製造するために使用することができる。能動素子とフィルタ、光スイッチ、プログラマブル波長光分岐マルチプレクサ（OADM）と他の光受動素子、および大規模光交差接続（OXC）。

情報技術において、光学応用の鍵の一つは商業化された光源である。熱放射源、LED、LD、VCSELなどのモノリシック光源のほか、能動デバイスを備えたMOEMS光源も特に注目されている。例えば、同調可能なVCSELでは、微視的力学的に共振器の長さを変化させることによって共振器の送信波長を変化させ、高性能WDM技術を実現することができる。現在、支持片持ちアームの同調方法と支持アーム付き可動構造が開発されている。

また、OXC、並列およびオン/オフスイッチアレイを組み立てるための可動ミラーおよびミラーアレイを有するMOEMS光スイッチを開発した。図2は、光ファイバの横方向移動のためのU字カンチレバーアクチュエータを備えた自由空間MOEMS光ファイバスイッチを示している。従来の導波スイッチと比べて、結合損失が低く、クロストークが小さいという利点がある。

広範囲の連続可変同調フィルタは可変DWDMネットワークにおいて非常に重要なデバイスであり、各種材料システムを用いたMOEMS F _ Pフィルタが開発されている。これらのデバイスの波長調整可能範囲は、調整可能なダイアフラムの機械的柔軟性と有効な光キャビティ長のためにわずか70 nmである。日本のOpNext社は、記録的に調整可能な幅を持つMOEMS F _ Pフィルタを開発した。このフィルタは多重InP／エアギャップMOEMS技術に基づいている。垂直構造は6層の懸垂InPダイアフラムからなる。この映画は円形構造で、3 ~ 4つのサスペンションで支えられている。矩形支持台接続。その連続可変F _ Pフィルタは非常に広い阻止帯域を有し、第2と第3の光通信窓（1250 ~ 1800 nm）を覆い、波長同調幅は112 nmより大きく、駆動電圧は5 Vまで低い。

MOEMS設計と生産技術のほとんどは、IC業界とその製造基準から直接進化したMOEMS生産技術である。そのため、MOEMSには、バルク及び表面マイクロ加工及び高収量マイクロ加工（HARM）技術が用いられている。しかし、金型サイズ、材料均一性、3次元技術、表面形態、最終加工、不均一性、温度感受性などの他の課題がある。

一般に、リソグラフィ技術は構造パターンを作成するために広く用いられている。また、マスクレスリソグラフィを用いて、従来のパターンを作製することもできる。例えば、ポリマーなどの感光材料の表面に用いられる。低屈折率の表面を得るために、従来の多層反射防止コーティングの代わりに2次元パターンを作製することもでき、その性能を向上させるためにMOEMSに使用することもできる。使用される材料及びその堆積技術は、シリコンの熱酸化、LPCVD、PECVD、スパッタリング、めっきなどの標準ICプロセスと類似しており、異なるタイプのウェットエッチング及びドライエッチング技術を使用することもできる。例えば、SiV形溝は、光ファイバ及び光電素子のアライメント及びパッケージングに広く用いられている湿式異方性エッチングにより正確に作製することができる。マイクロミラーは、湿式反応性イオンエッチング（DRIE）及び表面マイクロ加工により製造することができる。ファインホーニング技術を用いることにより、大きな縦型比を有する非平面構造も得ることができる。

現在、最も一般的な方法はチップバンプ付きマイクロメカニカルシリコンウェハ平面技術であり、これにより標準的で低コストなIC組立方法が可能になる。チップを保護するために、チップ表面はゲルコーティングで密封することができ、凹流溶接法（IRS）はウェハレベルのパッケージを改善する方法として使用することができる。いくつかの新しいMOEMS製品は温度に特に敏感です。リード付きデバイスは通常手動で溶接され、表面実装デバイスはレーザーで溶接される。

MOEMSはシミュレーションフィードバック回路（FEA）、プロセス最適化と二次設計などの成功技術を採用した。機械、熱、電気シミュレーションのほか、光学シミュレーション（BPM）と性能評価を紹介した。また、光学アライメントの要求が高いため、完全な光学デバイスパッケージと相互接続の要求を実現するために、設計シミュレーションにパッケージ技術を導入した。図3は、MOEMS設計シミュレーションと技術プロセスプログラムを示す。

MOEMSパッケージ技術は実用的なPCB設計MOEMSデバイスの研究と開発のほか、現在の主な課題は専用パッケージにおける信頼性の高いデバイスの組み立てとパッケージ化である。すでに多くの設備が開発されているが、市場で信頼性の高い作業ができる設備は少ない。その理由の1つは、パッケージが困難であり、信頼性と低コストの光リンクを実現することが困難であることです。特にPCB設計MOEMSデバイスの応用分野への進出に伴い、主な問題は光学アライメントとパッケージである。さらに、PCB設計MOEMSデバイスの実際の損失はパッケージ技術にも依存する。

標準的な包装方法とは異なり、MOEMSコンポーネントと包装は特殊な応用である。各PCBが設計したMOEMSデバイスは非標準的に開発されているため、異なるアプリケーションには異なるパッケージ要件があり、MOEMS製造技術は主にパッケージ技術であり、パッケージコストはMOEMSの中で最も大きく、システムの総コストの75%から95%を占めている。そのため、一部の開発者は、包装は科学ではなくプロセスだと言っています。

通常、MOEMSパッケージは、チップレベル、デバイスレベル、およびシステムレベルの3つのレベルに分類されます。ここで、チップ段パッケージはチップの不動態化、隔離と溶接を含み、電源経路、信号変換と相互接続リード線、及びセンシング素子とアクチュエータの不動態化保護と隔離を提供する、デバイスレベルのパッケージには、信号測定と変換、ワイヤボンディング、素子溶接、システムレベルのパッケージには、パッケージ、製造、組立、テストが含まれます。ガラス繊維とボールレンズを用いた2＊2光スイッチ包装。このような高性能、低収量、大規模生産のMOEMS光スイッチは、全光ネットワークの設備に対する要求を満たすことができる。

MOEMS包装要求

MOEMS包装の要求は：機械と熱衝撃に耐え、振動と化学性に耐え、寿命が長い。ウエハとウエハの接着厚さ、ウエハ切断、チップ配置プロセス、熱制御、応力分離、封止パッケージ、検査、調整を含む。

チップとチップの接着厚さ：チップ接着は通常厚い（1 mm以上）が、現在、標準的なICパッケージ市場は複数の次元に発展しており、これはパッケージ技術に重大な挑戦を構成している。一部の従来の組立設備が使用できないためだ。標準化されたツールはありません。

ウェハ切断：ウェハ切断プロセスは最大の問題である。接着テープを用いて手動で操作すると、水の流れと振動が微小な表面微小機械構造を破壊する。また、犠牲層をエッチングする前に切断するとコストが増加する。MOEMS 1次パッケージは周囲の環境に触れる必要がないため、この問題を解決することができる。熱制御：熱変動により性能が不安定になり、異なるCTE材料により光線が軸線からずれるため、チップとパッケージでは熱制御が必要である。サーモスタットのようなラジエータは、恒温を維持するために冷却するために使用することができます。チップ実装には、熱伝導性の高い半田やエポキシ樹脂で充填された銀材料が用いられる。

応力隔離：PCB設計MOEMSデバイスにおける機械的または熱的応力はその動作原理と関係がある。不整合損失による機能的問題や応力の問題は、通常、シリコンチップをパッケージに接続する接着剤やエポキシ樹脂の緩慢な収縮に起因する信頼性や性能を低下させると考えられている。

密封包装：密封包装は通常、設備の長期信頼性を高めるために用いられる。一般的には、水分、水蒸気、汚染物質が外殻や腐食環境に侵入するのを防ぐために、不活性ガスを抽出または充填します。気密管シェルを製造するためには、金属、セラミックス、シリコン、またはミリメートル厚のガラスを使用する必要があり、電気的および光学的相互接続を行う際には気密接続を確保する必要があります。

検査と調整：製造過程における微小な偏差のため、PCB設計MOEMS設備は必要な技術指標を満たすために検査を経なければならない。1つはレーザー微調整抵抗またはレーザーアブレーション方法を用い、もう1つは電子補償方法を用いた。

MOEMSパッケージ技術

MOEMSパッケージ技術は、チップ固定、ハウジング、配線、光相互接続などの主要な側面に分けることができる。MOEMSにおいて、商業機器は実用的なMOEMS混合信頼性と安全なシールド包装を必要とする。光学的非接触性と非侵襲性のため、MOEMSデバイスパッケージのPCB設計はMEMSデバイスパッケージよりはるかに容易であり、MEMS設計を使用することができるが、優れた信頼性のある光学アライメントが必要である。

光学アライメント：信頼性と低損失のシステムを得るために。光学デバイスのアライメントはMOEMSにおいて最も重要である。現在、MOEMSにはパッシブアライメントとアクティブアライメントの2つの方法があります。パッシブアライメントは通常、製造過程で1回実現される。製造誤差や温度変化はアライメント精度を低下させる。これらの誤差は、アクティブアライメントシステムによって補償することができる。能動的アライメントはより複雑であるが、能動的アライメントはシステムの公差を低減し、光学装置のリアルタイムアライメントを実現するのに役立つ。マルチモード用途の光学アライメントには、シリコンV溝などの受動導波構造を用いることができる。MOEMSモジュールを組み立てるための成熟した方法の1つは、Si光学ステップ／Siマイクロメカニカル技術に基づく受動アラインメントフォトニックアセンブリを使用することである。V字溝の精度に応じて、単一モードファイバと混合集積光学または電気素子の受動的アライメントにも使用できます。このパッケージ技術は、ウェハレベルの自己整列シリコン基板にまで発展している。光ファイバの移動を防ぐために、光ファイバの手動操作の代わりにInP導波路を使用します。MOEMS技術自体の精度が不足しているため、アクティブアライメントはOXCなどのほとんどの単一モードデバイスに使用する必要があります。

自由空間光相互接続と光記憶の分野では、特別な要求を持つ集積微光サブシステムをシミュレーションし、標準化した。アライメント要件を満たすためには、アライメントの自由度をできるだけ小さくしなければならず、アライメント装置付きプリフォームモジュールを開発した。異なる標準コンポーネントを自由に組み合わせるためには、機械的および光学的な標準を確立することが重要です。典型的な自己集合MOEMS光スイッチは高集積度に向けて大きな一歩を踏み出した。

ハウジング：MOEMSの幾何学的インタフェース要件は平面統合と似ている。平面自由空間積分では、光が基板中を軸外角で伝播するため、すべての光学機能が基板表面で完成する。そのため、その界面も基材の表面に位置している。そのため、従来のICパッケージではパッケージ化できません。一般に、チップは、感受性のある光学素子が外部光の影響を受けるのを防ぐために密閉された筐体内に配置されるが、光チャンネルを予約しなければならず、筐体内に導光カバーまたは窓を設計する必要がある。現在、MOEMSには多くの商業包装技術があり、セラミックス、プラスチック、金属の3つの一般的なタイプの包装方法が広く使用されている。セラミックは安全、信頼性、安定、堅牢であり、曲げたり変形したりしないため、MOEMSの多くはセラミックキャビティシェルを使用しています。セラミックハウジングは通常、接着剤または半田を介して1つまたは複数のコアに接続されたベースまたはチューブホルダからなり、カバーは透明ガラスから作られています。良好なシール性能を確保する。例えば、スナップ技術を採用したLCCスナップアレイセラミックキャビティシェルは鉛管シェルよりも小さく、コストが低く、ワイヤ圧着と逆溶接は電気相互接続に適している。

配線と電気的相互接続：すべてのMOEMSパケットは光学的および電気的相互接続を提供する必要があります。溶接ワイヤ溶接は、金型とハウジングを電気的に接続する伝統的な技術である。フリップチップ（FC）技術を使用して、チップ領域全体に半田ボールを配置し、より高密度のI/O接続を提供することができます。しかし、溶融はんだの加熱過程はチップを損傷し、異なる軸の現象が発生するため、光機組立には使用できない。1つの有効な解決策は、MOEMS表面からパッケージ外面への電気的接触チャネル（基板を通過する導電性を含む）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製し、分離層と導電層をコーティングすることである。

また、シリコンMOEMSの製造において、従来の回路及び金属配線プロセスと異方性深エッチングプロセスとの間には互換性がない。マイクロ機械構造のシリコン異方性深エッチング中に、完成した回路や金属配線は腐食や損傷を受けやすい。一般的な解決策は、回路と配線の保護膜として金を使用すること、電極リード穴が密集して分布した後、ガラスカバー上のアルミニウムをワイヤボンディングスポットとして蒸発させ、それを一緒に圧着した。しかし、この2つの方法はいずれもプロセスの難易度を高め、シリコンMOEMSの集積化と小型化を制限している。そこで、保護膜としてSiO 2/Crを用いる方法を開発した。このプロセスは簡単で、コストが低く、プロセス間の互換性を実現した。光相互接続：MOEMSデバイス光相互接続PCB設計の鍵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字溝にガラス繊維を固定し、パッシブまたは能動的に整列金型を調整します。

PCB設計MOEMSデバイスの開発と設計に加えて、PCB上でのMOEMSの組み立て技術にも注意しなければならない。光電子とMOEMSの光相互接続では、バックプレーンとプリント配線基板（PCB）への関心が高まっている。しかし、PCBは組み立てる過程で規則的に従うことができなかった。基本原則は、設備、包装、組立を相互作用するシステムと見なすことである。現在、PCB組立に対するMOEMSの影響を検討しており、PCB組立プロセスと基準を制定する必要がある。

1つの良い解決策は、PCBキャリアと光学構造を結合するポリマー導波光回路基板を使用することである。光リンクについては、熱ボス導波路構造を有する追加の光学層を選択する。追加の光学層は下クラッド層、コア層、上クラッド層を含み、PCB製造プロセスの標準的な積層技術によってシートを作製し、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、光電デバイス、およびドライバを含むEOCBの組み立てを示す。例えば、VCSEL及びPIN光電素子は導波路に直接結合することができる。光学層は、溶接中の熱負荷の高い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間に配置される。その後、標準積層板を用いてEOCBを製造した。

直接ドッキング結合により、光電素子と導波路との結合を実現することができる。接続プロセスはまた、光電デバイスと薄層中の光学マルチモード構造との間の正確なアライメント問題を解決し、デバイスと導波軸との間の軸オフセットを最小限に抑えた。さらに、隣接チャネル間のクロストークも、ビーム広がりの影響が小さくなるため、直接ドッキング結合によって制限される。図6に、EOCBドッキング結合のための光電デバイス全体を示す。現在、光送信機、ドライバ、プラグインを備えた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パッケージ技術は発展の見通しがある。また、MEMSに適用されるHDI MCMsパッケージ技術は非常に有望な方法である。これもMEMS技術を光電マルチチップモジュール（OE−MCM）に導入するための新しい応用である。HDI MCMパッケージプロセスは、通常の基板上で複数のタイプのダイレクタをサポートできるため、MOEMSパッケージに最適です。HDIMCMはMOEMSの統合とパッケージに柔軟性を提供するため、MEMSや電子製造プロセスを変更する必要はありません。標準化されたHDIプロセスを用いてMOEMSチップをカプセル化するために必要なウィンドウを完成させた後、大面積レーザー切断技術を用いてMOEMSに接続するチップを切断することができる。MEMSコアへの物理的アクセスに必要なウィンドウを開きます。しかし、MCMや平板の欠点の1つは、ビームスプリッタやビームスプリッタなどの受動光学構造が光ファイバでは実現できず、分割方法しか使用できないことである。そのため、MOEMSは標準的なSMDプロセスを使用して組み立てることができず、他のコストアップ方法を使用しなければならない。

MOEMSは新興技術であり、発展の見通しが広い。それは電気通信とデータ通信応用のために軽便、小型化と低コストの光学デバイスを提供し、そして微小光学素子のモノリシック集積の可動構造を実現した。21世紀の電子分野の代表的な技術の一つになっている。

MOEMSは研究機関や業界から大きな注目を集めている。サンディア国立実験室、コロラド大学などの研究機関は、価値のあるPCB設計MOEMSデバイスを相次いで開発し、世界的にMOEMS光スイッチなどの光電デバイスの発展ブームを巻き起こした。現在、MOEMSは商業化が始まっている。例えば、商用MOEMS光学系は最先端のデジタルプロジェクタに使用されており、デジタルシアターでの試運転が開始されています。

MOEMS市場の見通しは広い。2003年に市場に参入した光スイッチの価値は4億4000万から100億ドルに達したという。2003年、MOEMSの市場シェアはMEMS市場全体の8%を占めた。表2にMOEMSアプリケーション市場のタイプとシェアを示す。

新しいパッケージデバイスとして、MOEMSは特別な用途のコンポーネントとパッケージを備えているため、標準的なマイクロエレクトロニクス方法とは異なります。その包装コストはMOEMSの中で最も大きい。MOEMSパッケージは製品の期待される性能を確保するだけでなく、設備の性能を確実にし、市場で競争力を持たなければならない。MOEMSがこの新興技術分野で地位を占めたい場合、製品製造の再現性、包装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など、一連の問題に直面します。これはデバイス技術を発展させるだけでなく、包装技術を発展させることでもある。MOEMSのパッケージ化は難しいが、急速に発展しており、多くの商業パッケージ技術がある。これは、ソリューションが不足しているわけではなく、MOEMS生産にどのように適用すればよいか分からないことを意味します。MOEMS及びそのデバイス技術は、将来の情報技術及び光電子分野において広い応用の将来性を有する。