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用于大批量模型光學(xué)器件制造的精確而靈活的貼片機(jī)

作者：網(wǎng)站管理員　來源：本站原創(chuàng)　日期：2022/11/18 14:50:13　點(diǎn)擊：982　屬于：技術(shù)資訊

導(dǎo)讀：這篇文章描述了最精確的靈活量產(chǎn)貼片機(jī)，以解決由互聯(lián)網(wǎng)帶寬增長引發(fā)的光子器件制造的挑戰(zhàn)。該貼片機(jī)系統(tǒng)是用于解決目前大批量高混合的生產(chǎn)情況。適用于大批量、靈活的±1.5微米MRSI-HVM貼片機(jī)平臺(tái)，在實(shí)際的批量生產(chǎn)中展現(xiàn)了對(duì)用于5G無線、400G+數(shù)據(jù)中心和骨干網(wǎng)新一代光子器件可以實(shí)現(xiàn)<±3 微米貼片后的精度。

引言

未來5年，全球5G部署和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用有望呈指數(shù)級(jí)增長【1】。這推動(dòng)了高性能光通信器件的需求，使其成為最重要的基礎(chǔ)之一。具體來說，這些關(guān)鍵組件支持5G無線前傳和下一代以太網(wǎng)模塊的出貨，包括2x200GbE、4x100GbE和400GbE，以及CWDM/DWDM收發(fā)器【2】。這類新型高性能光學(xué)器件的主要市場增長引發(fā)了新的貼片需求，包括更小的封裝外殼，更高的封裝密度，更小的芯片尺寸，更快的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品迭代，以及更大的產(chǎn)量需求和更經(jīng)濟(jì)的價(jià)格。在激光雷達(dá)、AR/VR、先進(jìn)光子傳感器、MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))，甚至高度集成的硅光子器件方面也有同樣的需求。

在這些器件的制造過程中，最大的挑戰(zhàn)之一是如何成功地部署靈活的芯片貼片解決方案，以滿足大批量柔性生產(chǎn)的需求，并能保持較高的貼片后的精度和機(jī)器能有良好的長期穩(wěn)定性【3】。從歷史上看，每一代光子器件都有貼片后的精度要求，從15-20微米發(fā)展到7-10微米，再到5-7微米。最新一代的高性能光子器件需要小于3微米的貼片后的精度，而且不能犧牲高產(chǎn)出或高靈活性，以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)中產(chǎn)品類型的高混合。傳統(tǒng)的高產(chǎn)出半導(dǎo)體設(shè)備可能具有高精度和高速度，但不具備光子器件所需要的靈活性。也有一些貼片機(jī)專門為光子制造設(shè)計(jì)的，具備準(zhǔn)確性，靈活性或者速度，但不能同時(shí)滿足所有這些要求。在這里，我們介紹的是業(yè)界首次在量產(chǎn)環(huán)境下驗(yàn)證的，同時(shí)具備高速度和高度靈性的貼片機(jī)平臺(tái)MRSI-HVM上實(shí)現(xiàn)3微米或更好的貼片后的精度，可用于大批量高混合的光子制造。

 

     大批量高混合光子制造的挑戰(zhàn)

圖1. 光學(xué)器件發(fā)展趨勢(shì)及裝配公差
 

圖1說明了光器件的發(fā)展趨勢(shì)，以及伴隨的器件裝配公差。新一代光器件要求更小的裝配公差和更高的貼片后的精度，因而需要更高精度的貼片機(jī)。貼片后的精度不僅取決于機(jī)器的精度，還取決于芯片和基板的公差，以及工藝的穩(wěn)定性?？傃b配公差限度是非常有限的，機(jī)器精度和工藝穩(wěn)定性越高，可以留出更多容差給材料，而且封裝工藝成品率也會(huì)越高。要想達(dá)到<±3微米的貼片后的精度，芯片貼片機(jī)需要有穩(wěn)定的<±1.5微米的機(jī)器精度。這種<±1.5微米@3σ的機(jī)器精度，加上高速度和高靈活性，對(duì)芯片貼片機(jī)供應(yīng)商來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

附加的另一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)更小和更高密度的組件的需求，這些組件可以降低光器件的功耗。對(duì)于要求共晶工藝的高密度的器件，需要提供特殊的高精度頂部加熱工具，以防止相鄰芯片在共晶過程中的二次回流。這種高精度脈沖加熱技術(shù)在高密度光學(xué)器件中是非常有用，但又給芯片貼片機(jī)帶來了更多的挑戰(zhàn)。另外，與硅基的電芯片不同，光子芯片通常非常脆弱，對(duì)貼片焊頭的結(jié)合力需要精準(zhǔn)控制，這個(gè)也是非常關(guān)鍵的?！?】

 

圖2比較了顛覆性的基于云的新數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)模型與傳統(tǒng)的以電信為中心的業(yè)務(wù)模型?！?】 在這個(gè)比較中，新的基于云的數(shù)據(jù)中心模型要求包括一個(gè)滿足訂單規(guī)模的大型制造基地，同時(shí)可以即時(shí)提升產(chǎn)能，以及一個(gè)對(duì)成本敏感的價(jià)格。這意味著新的基于云的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)模型需要一個(gè)我們稱之為“彈性”的大批量生產(chǎn)。在5G時(shí)代，5G前傳類似于數(shù)據(jù)中心模式，5G后傳類似于電信模式。5G光學(xué)器件的長期趨勢(shì)是，它將是高速增長市場的一部分，這個(gè)市場對(duì)帶寬有不同的要求，即包括對(duì)不同高速收發(fā)器的需求。由于5G和數(shù)據(jù)中心市場上快速的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品迭代，量產(chǎn)制造商需要比過去有更高的靈活性。這對(duì)光子器件供應(yīng)商提出了新的挑戰(zhàn)。
 

圖2. 新的基于云的數(shù)據(jù)中心的模型與傳統(tǒng)的以電信為中心的模型比較
 

MRSI-HVM解決方案

 

MRSI的MRSI- HVM憑借高水平的靈活芯片貼片工藝和長期的機(jī)器穩(wěn)定性，以行業(yè)領(lǐng)先的速度實(shí)現(xiàn)了<±3微米粘片后的精度(見圖3)。該機(jī)器旨在為光電子行業(yè)提供最新靈活的量產(chǎn)制造解決方案。為了達(dá)到<±3微米 @ 3σ的貼片后的精度，芯片貼片機(jī)本身應(yīng)具有<±1.5μm @ 3σ的取放精度。該機(jī)器的設(shè)計(jì)配置了雙貼片頭和雙共晶臺(tái)，“在飛行中”實(shí)現(xiàn)吸頭工具的同步切換，可以在同一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)適應(yīng)于不同芯片貼片工藝的高速批量制造。此外，該解決方案還可以作為一個(gè)芯片貼片單元，支持光器件柔性制造系統(tǒng)中不同類型的芯片貼片工藝，以及與其他制造單元連接的連線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工智能工廠。
 

圖3. MRSI-HVM 1.5微米的高速，高靈活性貼片機(jī)

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