作者:周利民 博士,MRSI SYSTEMS戰(zhàn)略營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)
7/22/2020,光纖在線訊,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(zhǎng)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(zhǎng)【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(chǎng)增長(zhǎng)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,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(zhǎng)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。總裝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!3】
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。【4】 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(zhǎng)期趨勢(shì)是,它將是高速增長(zhǎng)市場(chǎng)的一部分,這個(gè)市場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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<±1.5×m @ 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)
MRSI-HVM的應(yīng)用測(cè)試結(jié)果
MRSI-HVM是現(xiàn)在唯一一款可實(shí)現(xiàn)<±1.5 微米@3σ的靈活高速貼片機(jī),全球已裝機(jī)數(shù)十臺(tái),效果優(yōu)異。它為制造5G和數(shù)據(jù)中心核心器件提供了高混合大批量的最佳制造解決方案。
MRSI用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)玻璃芯片驗(yàn)證了MRSI- HVM機(jī)的精度。左邊頭和右邊頭分別進(jìn)行了100個(gè)玻璃芯片的取放精度試驗(yàn),以驗(yàn)證兩個(gè)頭的機(jī)器精度。圖4顯示了MRSI-HVM左(M1)和右(M2)頭玻璃芯片的取放精度的分布結(jié)果,兩個(gè)頭都滿足<±1微米 @ 3σ的精度。對(duì)于右側(cè)有加熱頭的配置,MRSI-HVM平臺(tái)也可以獲得相同級(jí)別的測(cè)試結(jié)果。
在客戶的生產(chǎn)線上,MRSI的解決方案以行業(yè)領(lǐng)先的速度實(shí)現(xiàn)了<±3微米貼片后的精度。下面的圖5顯示了一個(gè)典型的芯片到載體AuSn共晶工藝的500個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,MRSI-HVM貼片后能夠達(dá)到較高的精度X<±3微米@3σ,Y<±3×m微米@3σ,角度< 0.5°@3σ。貼片后的精度數(shù)據(jù)結(jié)果展示了小于±3微米的貼片后的精度。環(huán)氧蘸膠工藝的玻璃芯片取放精度是一樣的,固化后的偏移量取決于每個(gè)客戶的工藝設(shè)計(jì)。如果采用原位紫外光固化環(huán)氧膠的工藝,固化后的精度也可小于3微米。
MRSI-HVM機(jī)器UPH最高可達(dá)1800 (隨應(yīng)用不同而有差異), 機(jī)器一直在生產(chǎn)中7天24小時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。
圖4. 玻璃芯片在機(jī)器左(M1)和右(M2)頭的取放位置精度分布結(jié)果 (尺寸單位:mm)
圖5 MRSI-HVM的500個(gè)CoC量產(chǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果 (尺寸單位:mm)
小結(jié)
綜上所述,在5G和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)下,高性能光通信器件制造商面臨著重大挑戰(zhàn)。大批量、高混合生產(chǎn)制造需要封裝設(shè)備能夠同時(shí)滿足高精度、高產(chǎn)出、高靈活性和高穩(wěn)定性。我們的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示,MRSI創(chuàng)新的自動(dòng)化解決方案和MRSI-HVM系列機(jī)器可以回應(yīng)這些挑戰(zhàn)。我們的系統(tǒng)可滿足光器件“彈性”量產(chǎn)的制造要求,在生產(chǎn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了貼片后<±3微米的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn):
1. Cisco Annual Internet Report, 2018-2023
2. Lightcounting Market Research Report, May 2020
3. Limin Zhou, et. al “High-power Laser Diodes: Die-bonder innovations target HPLD
manufacturing challenges”, Laser Focus World, Feb 18th, 2020
4. Yi Qian, “Manufacturing Photonics: Challenges for photonics manufacturing in the new
data center ear”, Laser Focus World, Aug 1st, 2018
注: 原文《The most accurate high-volume and flexible die bonding solution for model photonics
manufacturing》發(fā)表于 Laser Focus World, July 2020.
MRSI Systems
Mycronic集團(tuán)旗下的MRSI Systems是全自動(dòng)、高速、高精度、靈活多功能的貼片系統(tǒng)的領(lǐng)先制造商。我們?yōu)榧す馄鳌⑻綔y(cè)器、調(diào)制器、AOC、WDM/EML TO-Can、光收發(fā)器、LiDAR、VR/AR、傳感器和光學(xué)成像等產(chǎn)品的研發(fā)、小到中等批量生產(chǎn), 直至大批量生產(chǎn)提供“一站式”解決方案。 憑借30多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和我們遍布全球的本地技術(shù)支持團(tuán)隊(duì),我們?yōu)樗屑?jí)別的封裝提供最有效的系統(tǒng)和組裝解決方案,其中包括晶片芯片(CoW)、基板芯片(CoC)、PCB和管盒封裝。有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)?jiān)L問:www.mrsisystems.com
Mycronic
Mycronic是一家從事生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)、制造和銷售的瑞典高科技公司,滿足電子行業(yè)高精度和靈活性的要求。Mycronic總部位于斯德哥爾摩北部的Taby,該集團(tuán)在中國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本、新加坡、韓國(guó)、荷蘭、英國(guó)和美國(guó)均設(shè)有分公司。Mycronic (MYCR)在納斯達(dá)克斯德哥爾摩上市。網(wǎng)址:www.mycronic.com