MRSI发布5G传输TO-can光子器件的创新装配自动化解决方案

8/19/2020，光纤在线讯，作者：周利民 博士，MRSI SYSTEMS, Mycronic Group 战略营销高级总监 limin.zhou@mycronic.com

[摘要] 5G网络是新一代移动互联网，已经在全球启动部署。它有望推动物联网(IoT)技术，提供传输海量数据所需的基础设施，通过强大的通信基础设施，实现更智能、更互联的世界。5G对高性能先进光学器件的需求大幅增长，但成本压力也非常大。为了满足5G基础设施的成本目标，许多新型的TO-CAN器件正在被开发用于5G高速网络中低成本可插拔收发器等高性能光学模组。TO-CAN封装可以降低封装材料的成本，然而，需要高效自动化设备来支持这些复杂的高性能TO-CAN的低成本批量生产。这些复杂的新型TO-CAN器件是通过不同的封装工艺将多种芯片高精度地贴合在一个小小的TO-CAN封装中。这篇文章将讨论新型的TO-CAN器件封装自动化所面临的挑战。同时，也为新一代的TO-CAN封装自动化提供一个创新的解决方案。

引言

5G网络是下一代移动互联网连接，现场部署已经在全球启动。5G有望推动物联网技术的发展，为传输大量数据提供强大的通信基础设施，实现更智能、更互联的世界。然而，向5G世界的过渡要比前几代无线技术的过渡复杂得多。升级新的5G基础设施将需要巨大的投资。移动运营商必须为5G制定战略，以应对网络成本的预期增长。5G网络部署增加了对高速、低功耗光器件的需求；然而5G光器件面临着巨大的成本压力。制造和销售的光器件的数量以每年25%的速度增长，但是器件的价格却以每年15%-20%的速度下降。针对5G高性能光器件的低成本解决方案正成为光器件供应商的优先考虑。

新型TO封装 

封装材料是光子器件的主要材料成本因素之一。近年来，针对高性能光学器件的各种低成本封装设计有了一些进展。这些创新的设计活动推动了成本的持续降低。TO-CAN封装是光学器件中常用的封装方式之一，已经使用了几十年。它是一种行业标准，规定了导电微电子封装和外壳的设计和尺寸。TO 封装通常由TO 底座和TO 封帽两部分组成，TO 底座保证了封装组件的功率，封帽保证了光信号的平稳传输。近年来，有许多新的TO-CAN封装形式为不同的光学应用而设计。我们下面总结一下基于新型TO-CAN封装重要的突破性工作。
2013年，韩国电子与电信研究所发表了一篇文章，提出了一种新的低成本双向光组件(BOSA)，它使用单窗口的传统TO-CAN封装用于无源光网络的应用。图1所示。是一个用于BOSA的新型TO底座的组装图。在这个BOSA中，光学传输和接收功能分别被整合到硅基平台和TO-CAN封装中。它可以是10 G-EPON的低成本BOSA，也可以是XG-PON的应用。[1]


图1 一个新的TO底座组装的BOSA

2015年，Lightip在OFC推出了一款基于TO-CAN的可调谐激光器TOSA，该激光器基于8针TO-CAN封装，可降低成本。这款小巧、低成本的可调谐激光器在100 GHz间距下最多有16个信道，在50GHz间距下最多有32个信道，特别适合于NGPON2和WDM-PON。

在2018年的OFC会议上，AIT奥地利理工学院的Bernhard Schrenk和华为杜塞尔多夫公司的Fotini Karinou发布了世界上第一个基于TO-CAN的相干收发器。他们在一个单光纤/射频端口的TO-CAN封装中实现了相干零拍接收器和发射器。[2] 在同一年，Sae-Kyoung Kang和他们的团队通过使用TO-CAN封装而不是昂贵的盒式封装，设计并实现了成本效益高、紧凑型的100 Gb/s(2×50 Gb/s) PAM-4接收器光学子组件(ROSA)。它由一个光解多路器、两个PIN-PDs和一个2通道线性跨阻抗放大器组成。该组件是利用标刻在每个零件上的标记来实现无源耦合对准和组装的。[3]  

今天，新的TO-CAN封装有了更多的功能，超出了传统光学收发器中低成本的简单发射器和接收器。TO-CAN封装可实现不同的高性能或复杂功能，如致冷/非致冷50G DML/EML发射器、可调激光器、BOSA、980泵浦激光器、100G PAM4接收器等。在过去，那些高性能或复杂的功能器件被封装在复杂昂贵的管盒封装中。这些具有新技术和高性能的新型To - can光子器件的重点是可以降低成本和封装尺寸。将有源发射和接收元件与无源波导、光滤波器和其他元件部分或同时集成在一个极小的TO底座内是相当困难的。

此外，低成本的新型TO-CAN光子器件均被部署在大批量应用场景中。在2018年OFC期间，全球领先的 TO-CAN封装材料供应商Schott推出了50G TO-CAN封装材料，这标志着超高速技术发展新篇章的开始，该技术将进一步满足日益增长的部署最强大网络的需求。这些器件将支持高达400G的DCI QSFP收发器，使数据传输到无线基站的速度更快，帮助电信行业向部署5G蜂窝网络迈出了一大步。

为了支持5G无线部署，波分多路复用(WDM)激光器和电吸收调制激光器(EMLs)也被封装成低成本的TO-CAN封装。由于需要贴装更多芯片，这些WDM/EML-TOs比传统的TO -can封装要复杂得多，传统的TO -CAN封装只需要处理1-2个芯片。DCI和5G应用都有很高的量产要求，对成本非常敏感，对可制造性也有严格的要求。如果新的TO-CAN光子器件没有成本效益高的全面自动化制造解决方案，新型的TO-CAN光子器件可能无法满足成本目标，这对商业应用推广至关重要。

封装自动化的挑战

新的光子器件选择了不同尺寸的TO-CAN封装，以实现多种功能，如TOSA、ROSA、可调激光器和收发器。

TO-46和TO-56是最受欢迎的尺寸被选择作为新的TO-CAN封装。芯片材料可以是III-V化合半导体发射和接收芯片，连同其他的芯片，如TEC，玻璃镜片，滤光片，隔离器，TIA和其他光学或电子元件。所有这些组件将被贴附在一个小的TO底座上。工艺可能包括有共晶、环氧树脂和UV固化。这些芯片可以设计成水平或垂直，甚至一些特殊角度贴附在定制的新型TO底座上。在复杂的新型封装设计中，装配解决方案的趋势是采用低成本的被动对准，利用刻在每个零件上的对准标记来代替成本高、周期长的主动对准工艺。基于这一趋势，需要多工序高精度的全自动化工具来支持不同类型的新型TO-CAN器件的批量生产。这给封装自动化设备公司带来了一些新挑战。

第一个挑战是机器的精度。新的TO底座提供了一个机械的基础平台，为安装光学和电子元件，如TEC，激光或接收二极管，透镜和电容器，简单的电子电路等，同时通过引脚帮助提供电源或射频信号给封装组件。在新的TO-CAN封装中的光学元件，如光电二极管、激光二极管和透镜，容易受到小的装配公差的影响，特别是对于单模设计。对于光学器件的被动定位，光学芯片必须有较高的定位精度。在新的封装设计中，芯片的位置公差可能需要小于+/-3~5微米，并要求机器具有更高的精度+/-1~2微米。机器精度越高，零件的公差就可以越大，从而一定程度上降低大批量生产中材料的一致性成本，提高装配的成品率。

第二个挑战是灵活地快速处理不同类型的新TO底座。新的TO底座有不同的方向对准标志，以确保多个组件可以正确安装在TO底座上。一个解决方案是需要处理带有多个引脚的新的TO底座，引脚的长度达14-18mm。TO底座可能需要预先定位，以将TO底座旋转到正确的位置。在一般情况下，TO底座上设计有小的方向标记，刻槽或者TO底座上的特殊结构标记等来确定TO底座的位置方向。刻槽和特殊结构的方向标记在5G新TO底座中更常见。新的To 底座预定位后，粘片的工位还需要特殊设计以适应TO-CAN的封装，因为对TO-CAN封装必须设计适应TO底座的共晶加热台。而且应该易于编程或可重新配置，以适应不同的大小的TO封装。
   

 图2 TO底座上的方向对准标记

第三个挑战是新的TO-CAN有多个芯片在一个小的TO底座上。通常，在一个新的TO 底座中至少有两到六个不同的光学和电子元件，在某些情况下会超过六个。芯片可能使用不同的材料，有不同的尺寸，以及使用不同的贴片工艺，如共晶或环氧树脂。芯片的贴片机需要有能力快速更换吸头工具，以处理这些不同的材料。芯片材料可能需要有不同的输入模式，如晶圆、华夫盒或Gel-Pak®。机器需要支持在一台机器内实现所有这些粘片工艺，以避免在粘片机之间产生额外的校准误差，以获得更高的贴片精确度。

第四个挑战是新的TO-CAN光器件是为低成本、大批量生产而设计的。完全自动化的解决方案需要非常高的效率，和工艺周期时间尽可能短。机器需要被设计为高速和并行的工艺过程，以满足客户更高的产出量，并具有灵活性，以适应所有不同种类的低成本新型TO-CAN器件的封装。机器应该有能力容易地更换夹具，和很容易的编程从一个产品切换到另一个产品。在柔性制造系统中，TO贴片机可以看作是一个对TO-CAN器件的一个柔性装配单元。

创新的解决方案和结果

MRSI-H-TO提供了一个创新的解决方案，以应对新型TO-CAN封装的挑战，完全自动化组装批量化生产。MRSI-H-TO是建立在新一代和行业首个1.5微米高精度，高灵活和高速的贴片机平台[5] 以实现多芯片和多工艺，目标是针对用于高速数据中心和5G无线网络的新型封装TO-CAN光器件的批量制造而推出的。

MRSI-H-TO采用50nm分辨率的直线电机和一个空气轴承龙门的XYZ方向
精密运动平台，机器邦头旋转ϴ360˚运行具有0.0045˚分辨率。机器放置精度可在不旋转的情况下满足±1.5微米。在MRSI-H-TO上测试玻璃芯片贴片精度的实验结果如图3所示，包括200个玻璃芯片贴片数据。结果表明，这个机器X的精度为0.662微米 & Y的精度为0.642微米，均为在3西格玛条件下。

 
  图3 玻璃芯片在MRSI-H-TO贴片结果

MRSI-H-TO有一个正在申请专利的先进的TO并行处理模块，它有一个TO底座的吸头，可以从托盘拾起一个新的TO底座，封装完成后再放回到托盘。TO处理模块也有一个TO预定位工作台，可通过识别TO底座的方向指示标记将TO底座旋转到正确的位置(对于一些具有明确的方向特征的TO可能不需要)。该TO处理模块具有两个可旋转的超快升温共晶台，可以提供TO底座的加载/卸载，以及共晶贴片的并行处理。TO处理模块可以处理多种尺寸的TO，例如38/46/56/65/72。其结果是在保持吸头工具切换灵活性的同时，使产出最大化。图4是正在申请专利的先进的TO处理模块。


 图4 MRSI-H-TO贴片机内部的新TO处理模块

MRSI-H-TO是一种创新的系统，它可以配置超快升温共晶台、并行材料处理和双贴片台。该产品提供了一种独特的能力，可在一台机器内处理和粘合多种不同大小和几何形状的芯片，而无需机器切换。具有一个从10-300克的力可编程的实时力控制的贴片头。它可以处理最小140微米的芯片尺寸。MRSI-H-TO龙门贴片头可“在运动中”进行吸头工具切换，具有+/-1.5微米的芯片放置精度，以完成共晶和环氧贴片。材料输入选项有wafer, waffle pack和Gel-Pak®。图5是MRSI-H-TO贴片头拾取来自晶圆的芯片。
在过去，处理这些挑战的传统方法是投资两台不同的机器。 这首先是昂贵的，其次是低效的，导致整个流程时间更长，从而降低产出。也许更糟糕的是，最终装配后的精度是低的，因为部署两台机器会有复合校准误差。在某些情况下，这会导致第1台机器完成一些芯片贴片覆盖后，基于TO的中心在第2台机器上无法识别。MRSI针对多芯片和多工艺的创新解决方案使客户获得一流的产能和扩产速度加快，超高精度可以实现先进的高密度产品封装、以及在一台机器上生产任何类型的TO-CAN光器件的无与伦比的灵活性，从而改变了新型TO-CAN贴片工艺的经济性和准确性。
 

图5 MRSI-H-TO 贴片头从晶圆片拾取芯片

我们在客户现场完成了一项实验，为5G TOSA生产25G DML TO 56。TO底座的组装需90˚倒装共晶贴片工艺。共生产了29个25G DML TO56样品。实验选用25G DML TO56 TOSA (样品数量为29 个)，需要90˚倒装共晶工艺。X和Y偏移结果如下。如图6所示，结果完全符合产品规格，在+/- 5微米@3西格玛范围内，X精度和Y精度均是粘片后精度。据我们所知，这些都是行业中最好的结果。该机器还展示了在处理多芯片多工艺的复杂TO产品中表现的行业领先的速度和产出量。



 图6  25G DML TO56 贴片后的结果

总结

低成本的TO-CAN封装开始用于高性能光子器件，这是由DCI和5G大量部署驱动的。与传统的TO-CAN封装相比，新的TO-CAN封装具有更大的挑战性，需要在一台机器内使用多个芯片和多个工艺实现更高的精度，以实现高性能光器件的高混合和大容量制造。MRSI-H-TO 图7 所示，提供了一个创新的解决方案，以解决新型光器件自动化封装的挑战。现场测试结果证明了在批量环境下对多芯片和多工艺的光器件可实现业界最佳粘片后精度。这是世界上第一个全自动机器以满足新型TO-CAN高精度，高速度和高灵活性的要求。
 

图7 MRSI-H-TO设备外观

参考文献

[1] Young Soon Heo, etc. “1∕10 Gb∕s single transistor-outline-CAN bidirectional optical subassembly for a passive optical network” © 2013 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). January 2013/Vol. 52(1)
[2] B. Schrenk and F. Karinou, "World’s First TO-can Coherent Transceiver," in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2018), paper Th1A.4.
[3] Sae-Kyoung Kang, etc. “Low-cost and miniaturized 100-Gb/s (2 × 50 Gb/s) PAM-4 TO-packaged ROSA for data center networks” March 2018 Optics Express 26(5):6172
[4] Y. Qian, “Manufacturing Photonics: Challenges for photonics manufacturing in the new data center era,” Laser Focus World, 54, 8, 24–29 (Aug. 2018).
[5] Limin Zhou, “Flexible die bonding solution targets modern photonics manufacturing” Laser Focus World, (July, 2020)

注: 原文《An innovative Assembly Automation Solution with the best Accuracy for New TO-CAN based photonic Devices in 5G wireless Network》发表于 Laser Focus World, Aug 2020.

MRSI Systems

  Mycronic集团旗下的MRSI Systems是全自动、高速、高精度、灵活多功能的贴片系统的领先制造商。我们为激光器、探测器、调制器、AOC、WDM/EML TO-Can、光收发器、LiDAR、VR/AR、传感器和光学成像等产品的研发、小到中等批量生产, 直至大批量生产提供“一站式”解决方案。 凭借30多年的行业经验和我们遍布全球的本地技术支持团队，我们为所有级别的封装提供最有效的系统和组装解决方案，其中包括晶片芯片(CoW)、基板芯片(CoC)、PCB和管盒封装。有关详细信息，请访问：www.mrsisystems.com

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