PCB設(shè)計與MOEMS器件的封裝方法解析

引言

微光電子機械系統(tǒng)（MOEMS）是一種新興技術(shù)，日前已成為全球最熱門的技術(shù)之一。MOEMS是利用光子系統(tǒng)的微電子機械系統(tǒng)（MEMS），內(nèi)含微機械光調(diào)制器、微機械光學(xué)開關(guān)、IC及其他構(gòu)件，并利用了MEMS技術(shù)的小型化、多重性、微電子性，實現(xiàn)了光器件與電器件的無縫集成。簡單地說，MOEMS就是對系統(tǒng)級芯片的進一步集成。與大規(guī)模光機械器件相比，PCB設(shè)計MOEMS器件更小、更輕、更快速（有更高的諧振頻率），并可采用批量制作技術(shù)。與波導(dǎo)方式相比，這種自由空間方式優(yōu)點是具有較低的耦合損耗和較小的串話。光子學(xué)和信息技術(shù)的變革直接促進了MOEMS的發(fā)展，圖1示出了微電子學(xué)、微機械學(xué)、光電子學(xué)、纖維光學(xué)、MEMS與MOEMS的關(guān)系。如今信息技術(shù)迅速發(fā)展、不斷更新，到2010年光開天速度可達Tb／s。日益增長的數(shù)據(jù)率和更高性能的新一代設(shè)備需求，驅(qū)動了對MOEMS和光互連的需求，使PCB設(shè)計MOEMS器件在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增長。

PCB設(shè)計MOEMS器件與技術(shù)PCB設(shè)計MOEMS器件按其物理工作原理分為干涉、衍射、透射、反射型（見表1），大多數(shù)采用反射型器件。MOEMS在過去幾年中已獲得顯著發(fā)展。最近幾年，由于對高速率通信和數(shù)據(jù)傳輸需求的增長，大大激發(fā)了對MOEMS技術(shù)及其器件的研發(fā)。已開發(fā)出所需的低損耗、低EMV敏感性、低串話的高數(shù)據(jù)率反射光型PCB設(shè)計MOEMS器件。

如今，除了諸如可變光衰減器（VOA）之類的簡單器件之外，采用MOEMS技術(shù)也可制作可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、光調(diào)制器、可調(diào)波長選擇光探測器等光有源器件和濾波器、光開關(guān)、可編程波長光插／分復(fù)用器（OADM）等光無源器件及大規(guī)模光交叉連接（OXC）。

在信息技術(shù)中，光學(xué)運用的關(guān)鍵之一是商品化的光源，除單片光源（如熱輻射源、LED、LD、VCSEL）之外，特別受到關(guān)注的是具有活動器件的MOEMS光源。例如，在可調(diào)諧VCSEL中，通過微機械改變諧振器的長度即可改變其發(fā)射波長，由此實現(xiàn)了高性能WDM技術(shù)。目前，已開發(fā)了支撐懸臂調(diào)諧方式和具有支撐臂的活動結(jié)構(gòu)。

還開發(fā)出具有可移動反射鏡和反射鏡陣列的MOEMS光開關(guān)，用于組裝OXC、并聯(lián)和開／關(guān)（On／Off）開關(guān)陣列。圖2示出了自由空間MOEMS纖維光學(xué)開關(guān)，它具有一對用于光纖橫向移動的U形懸臂式致動器。與傳統(tǒng)的波導(dǎo)開關(guān)相比，其優(yōu)點是耦合損耗較低、串話較小。

具有寬范圍連續(xù)可調(diào)的光濾波器是可變DWDM網(wǎng)絡(luò)中非常重要的器件，已開發(fā)了采用各種材料系統(tǒng)的MOEMS F_P濾波器。由于可調(diào)膜片和有效光腔長度的機械靈活性限制，這些器件的波長可調(diào)諧范圍僅為70nm。日本OpNext公司開發(fā)了具有創(chuàng)紀(jì)錄可調(diào)諧寬度的MOEMS F_P濾波器。該濾波器基于多個InP／空氣隙MOEMS技術(shù)，垂直結(jié)構(gòu)由6層懸浮的InP膜片構(gòu)成，薄膜為圓形結(jié)構(gòu)，并由三個或四個懸浮架支撐，并分別與三個或四個矩形支撐臺連接。其連續(xù)可調(diào)諧F_P濾波器阻帶極寬，覆蓋了第二和第三個光通信窗口（1 250～l 800nm），其波長調(diào)諧寬度大于ll2nm，致動電壓低至5V。

MOEMS設(shè)計與制作技術(shù)大多數(shù)MOEMS制作技術(shù)是直接由IC工業(yè)及其制造標(biāo)準(zhǔn)演化而來。因此，在MOEMS中采用體和表面微機械加工及高產(chǎn)量的微機械加工（HARM）技術(shù)。但有管芯尺寸、材料均勻性、三維技術(shù)、表面構(gòu)形和最后加工、不平度和溫度敏感性等其他挑戰(zhàn)。

一般廣泛采用光刻技術(shù)制作結(jié)構(gòu)圖形。此外，無掩膜光刻技術(shù)也可用于制作常規(guī)圖形。如用于聚合物一類光敏材料的表面。為了獲得低折射率表面，也可制作二維圖形，該表面可取代傳統(tǒng)的多層抗反射涂層，并可用于MOEMS以改善其性能。所采用的材料及其淀積技術(shù)類似于標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝，如Si熱氧化、LPCVD、PECVD、濺射、電鍍等，也可采用不同類型的濕法腐蝕和干法腐蝕技術(shù)。例如，通過濕法各向異性腐蝕可很精確地制作SiV形槽，并廣泛用于光纖與光電器件的對準(zhǔn)與封裝。通過濕法反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）和表面微機械加工可制作微反射鏡。采用精珩磨技術(shù)也可獲得具有大縱模比的非平面結(jié)構(gòu)。

目前，采用最多的方法是帶有芯片焊凸的微機械硅晶片平面技術(shù)，它使標(biāo)準(zhǔn)和低成本IC組裝的方法成為可能。為保護芯片，可通過凝膠涂層封閉晶片平面，并可采用凹槽同流焊方法（IRS）作為改進晶片級封裝的方法。一些新型MOEMS產(chǎn)品對溫度特別敏感，帶引線的器件一般采用手工焊接，而表面貼裝器件則采用激光焊接。

在MOEMS中已采用模擬反饋環(huán)路（FEA）、工藝最佳化和二次設(shè)計等成功的技術(shù)。除機械、熱、電模擬之外，還引入了光模擬（BPM）和性能鑒定。此外，由于光對準(zhǔn)要求高，為了實現(xiàn)完整的光器件封裝和互連要求，在設(shè)計模擬中已引入了封裝技術(shù)。圖3示出MOEMS設(shè)計模擬和技術(shù)工藝程序。

MOEMS封裝技術(shù)除了研發(fā)實用的PCB設(shè)計MOEMS器件之外，目前主要挑戰(zhàn)是在專用管殼中組裝和封裝可靠的器件。雖然已開發(fā)了許多器件，但在市場中能可靠工作的器件很少。原因之一是封裝困難和難以實現(xiàn)可靠的低成本光鏈路。特別是隨著PCB設(shè)計MOEMS器件進入應(yīng)用領(lǐng)域，主要問題是光對準(zhǔn)與封裝。此外，PCB設(shè)計MOEMS器件的實際損耗也取決于封裝技術(shù)。

與標(biāo)準(zhǔn)封裝方式不同的是MOEMS組件和封裝為特殊應(yīng)用，由于每個PCB設(shè)計MOEMS器件是非標(biāo)準(zhǔn)研制，并且不同的應(yīng)用其封裝要求也不同，因此MOEMS制作技術(shù)主要是封裝技術(shù)，其封裝成本在MOEMS中占最大比例，為系統(tǒng)總成本的75％～95％。所以也有開發(fā)者稱：封裝是工藝而不是科學(xué)。

一般將MOEMS封裝分為芯片級、器件級、系統(tǒng)級三級。其中芯片級封裝包括芯片鈍化、隔離和焊接，提供電源通路、信號轉(zhuǎn)換和互連引線，并對傳感元件和執(zhí)行元件進行鈍化保護和隔離等；器件級封裝包括信號測量和變換、引線鍵合及元件焊接；系統(tǒng)級封裝包括封裝沒汁、制作、組裝和測試。采用玻璃光纖和球透鏡的2×2光開關(guān)的封裝。這種高性能、低成木、可批量生產(chǎn)的MOEMS光開關(guān)可滿足全光網(wǎng)絡(luò)對器件的要求。

MOEMS封裝要求

MOEMS封裝要求是：抗機械和熱沖擊、抗振動和抗化學(xué)性及長壽命。包括晶片和晶片粘附厚度、晶片切割、管芯固定芯片貼裝工藝、熱控制、應(yīng)力隔離、氣密封裝、檢驗和調(diào)整。

晶片和晶片粘附厚度：該晶片粘附一般相當(dāng)厚（1mm以上），但如今標(biāo)準(zhǔn)IC的封裝市場正朝多維發(fā)展，這對封裝技術(shù)提出了重大挑戰(zhàn)，因為不能采用某些傳統(tǒng)的組裝設(shè)備，也沒有標(biāo)準(zhǔn)化的工具。

晶片切割：晶片切割工藝是最大的問題。采用粘膠載帶手工操作，水流和振動可破壞微小的表面微機械結(jié)構(gòu)。另外，在犧牲層腐蝕之前進行切割則增加了成本。由于MOEMS第一級封裝不必與周圍環(huán)境接觸，可解決這個問題．熱控制：由于熱波動可引起性能不穩(wěn)定，并且CTE不同的材料可導(dǎo)致光不同軸，因此要求在芯片和管殼中進行熱控制?？刹捎脽嵴{(diào)節(jié)器一類的散熱器進行制冷，以保持恒溫。芯片貼裝是采用焊料或具有高熱導(dǎo)率的填充環(huán)氧樹脂的銀材料。

應(yīng)力隔離：PCB設(shè)計MOEMS器件中機械或熱產(chǎn)生的應(yīng)力與其工作原理有關(guān)。一股認為功能問題和失配損耗產(chǎn)生的應(yīng)力問題可減少可靠性和性能，常常由連接硅芯片與管殼的粘接劑或環(huán)氧樹脂的緩慢收縮引起。

氣密封裝：常采用氣密封裝，以增加器件的長期可靠性。一般抽真空或充入惰性氣體，以防潮氣、水汽和污染進入管殼內(nèi)或侵蝕環(huán)境。必須采用金屬、陶瓷、硅或毫米厚的玻璃制作氣密管殼，在電和光互連時要確保氣密封接。

檢測、調(diào)節(jié)：由于制造工藝中有小的偏差，PCB設(shè)計MOEMS器件必須檢測，以滿足所需的技術(shù)指標(biāo)。一是采用激光微調(diào)電阻器或激光燒蝕的方法，二是采用電子補償方法。

MOEMS封裝技術(shù)

MOEMS封裝技術(shù)可分為管芯固定、外殼、布線和光互連幾個主要方面。在MOEMS中，商用器件需要實用的MOEMS混合的可靠和安全屏蔽的封裝。由于光學(xué)具有非接觸、非插入性，所以PCB設(shè)計MOEMS器件的封裝比MEMS器件的封裝要容易得多，并可利用MEMS設(shè)計，但需要極好和可靠的光對準(zhǔn)。

光對準(zhǔn)：為了獲得可靠和低損耗的系統(tǒng)。在MOEMS中光器件的對準(zhǔn)是最重要的。目前MOEMS有無源對準(zhǔn)和有源對準(zhǔn)兩種方法。無源對準(zhǔn)通常是在制作工藝期間一次實現(xiàn)，制作誤差或溫度變化都可降低對準(zhǔn)的精確性，這些誤差可用有源對準(zhǔn)系統(tǒng)進行補償。有源對準(zhǔn)較復(fù)雜，但有源對準(zhǔn)有助于減少系統(tǒng)公差，并可獲得光器件的實時對準(zhǔn)。多模應(yīng)用的光對準(zhǔn)可采用無源的像Si V形槽一類的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。組裝MOEMS模塊的一個成熟的方法是采用基于Si光臺階／Si微機械技術(shù)的無源對準(zhǔn)光子系統(tǒng)組裝。它也可用于單模光纖與混合集成的光元件或電元件的無源對準(zhǔn)，主要取決于V形槽的精度。這種封裝技術(shù)已發(fā)展到晶片級的自對準(zhǔn)Si基板。為防止光纖移動，采用InP波導(dǎo)來替代光纖的手工操作。由于MOEMS技術(shù)本身的精度不夠，對大多數(shù)像OXC一類的單模器件，還必須采用有源對準(zhǔn)。

在自由空間光互連和光存儲領(lǐng)域中，有特殊要求的集成微光子系統(tǒng)是模擬和標(biāo)準(zhǔn)化的。為達到對準(zhǔn)要求，定位的自由度必須減至最少，已開發(fā)了具有定位裝置的預(yù)制模塊。為了可自由地組合不同的標(biāo)準(zhǔn)部件，關(guān)鍵是需要建立機械和光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。典型的自組裝式MOEMS光開關(guān)已向高度集成化方向前進了一大步。

外殼：MOEMS的幾何接口要求與平面集成類似。在平面自由空間集成中，由于在襯底內(nèi)以一個偏離軸心的角度進行光傳播，并且所有的光功能在襯底的表面完成。因此其接口也位于襯底的表面。所以不能采用諸如傳統(tǒng)的IC管殼進行封裝。一般將芯片置于密閉的外殼內(nèi)，以防止敏感的光學(xué)器件受到外界光線影響，但必須留出一條光通道，需要在外殼內(nèi)設(shè)計一個導(dǎo)光的蓋板或窗口。如今MOEMS已有許多商用化的封裝技術(shù)，廣為采用的封裝方法有陶瓷、塑料和金屬三種普通類型。由于陶瓷安全可靠、穩(wěn)定、堅固、不會彎曲變形，MOEMS大多采用陶瓷空腔外殼。陶瓷外殼常由一個基座或通過粘接劑或焊料連接一個或多個管芯的管座構(gòu)成，蓋板為透明玻璃。以確保良好的密封性能。例如，采用snap技術(shù)的LCC snap陣列陶瓷空腔外殼比有引線的管殼小、成本低，導(dǎo)線壓焊和倒焊適應(yīng)于電互連。

布線和電互連：所有MOEMS封裝必須提供光和電的互連。金屬線焊接是電連接管芯和管殼的傳統(tǒng)技術(shù)。采用倒裝片（FC）技術(shù)可在整個芯片區(qū)布置焊料球，可提供較高密度的I／O連接。但由于熔化焊料的加熱工藝可使芯片受到損傷并產(chǎn)生不同軸的現(xiàn)象，所以不能用于光機械組裝。一個有效的解決方法是確定從MOEMS表面到管殼外表面的電接觸通道（包括通過襯底的導(dǎo)電性），通過深RIE腐蝕技術(shù)制作這些通道的通孔，并涂覆隔離層和導(dǎo)電層。

此外，電路、金屬布線常規(guī)工藝與Si MOEMS制作中的各向異性深腐蝕工藝之間有不相容性。在制作微機械結(jié)構(gòu)的Si各向異性深腐蝕過程中，已制作完成的電路和金屬布線易受到腐蝕而被損壞。一般解決方法有：用Au作電路和布線的保護膜；對電極引線孔進行濃擴散后，在玻璃蓋上蒸發(fā)Al作為引線焊點，再將其壓合到一起。但這兩種方法都增大了工藝難度，并限制了Si MOEMS的集成化和微型化。為此又開發(fā)了采用SiO2／Cr作保護膜的方法，其工藝簡單、成本低，并實現(xiàn)了工藝之間的兼容性。 光互連：PCB設(shè)計MOEMS器件光互連的關(guān)鍵是減小對準(zhǔn)損耗。在精確的V槽中用穩(wěn)定性很好的粘接劑固定玻璃光纖，并需通過無源或有源調(diào)節(jié)來對準(zhǔn)管芯。

除了進行PCB設(shè)計MOEMS器件的開發(fā)設(shè)計外，還應(yīng)重視MOEMS在PCB上的裝配技術(shù)。在光電子學(xué)和MOEMS的光互連中，對背板和印制板（PCB）的關(guān)注正在增長。但PCB在裝配方面還無章可循?；驹瓌t是將器件、封裝和裝配作為一個相互影響相互作用的系統(tǒng)。目前正在研究MOEMS對PCB裝配的影響，并需要開發(fā)PCB裝配工藝及標(biāo)準(zhǔn)。

一個好的解決方法是采用聚合物波導(dǎo)電光電路板，即將PCB載體與光結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。對于光鏈路，選擇帶有熱凸臺波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個附加光層。該附加光層包括下包層、芯層、上包層，并通過PCB制作工藝的標(biāo)準(zhǔn)壓層技術(shù)制作成一個薄片，最終成為電光電路板（EOCB）。圖5示出該EOCB的裝配，它包括電／光載體、光電器件和驅(qū)動器。如VCSEL和PIN光電器件可直接與波導(dǎo)耦合。該光層放進平板管殼的中間，以便在焊接期間保護具有高熱負載的光結(jié)構(gòu)。然后通過標(biāo)準(zhǔn)壓層制作EOCB。

通過直接對接耦合，可實現(xiàn)光電器件與波導(dǎo)之間的耦合。其連接過程也解決了薄層內(nèi)光電器件與光多模結(jié)構(gòu)的精確對準(zhǔn)問題，并使器件與波導(dǎo)軸之間的軸偏移最小化。此外，由于減小了光束變寬的效應(yīng)，通過直接對接耦合也限制了相鄰信道之間的串話。在圖6中示出了整個用于EOCB的對接耦合的光電器件裝置。目前，已開發(fā)了具有光發(fā)射器、驅(qū)動器和插件的EOCB測試插件板系統(tǒng)。

具有發(fā)展前景的HDI MCM封裝工藝此外，適合于MEMS的HDI MCM封裝工藝是一個很有希望的方法。這也是將MEMS技術(shù)引進光電一多芯片組件（OE-MCM）中的新應(yīng)用。由于在公共襯底中HDI MCM封裝工藝有支持多種類型管芯的能力，很適合用于MOEMS封裝。HDIMCM為MOEMS的集成和封裝提供了靈活性，所以無需改變MEMS或電子學(xué)制作工藝。在采用標(biāo)準(zhǔn)化HDI工藝完成封裝MOEMS芯片所需的窗口之后，可采用大面積激光切開技術(shù)切開要接入MOEMS的芯片。打開可物理接入MEMS管芯所必須的窗口。但MCM或平板級的缺點之一是在光纖中不能實現(xiàn)無源光結(jié)構(gòu)（諸如分束器或合束器一類），只能采用拼接方式。因此，MOEMS不能用標(biāo)準(zhǔn)的SMD工藝組裝，必須采用增加成本的其他方法。

發(fā)展前景MOEMS是一種新興技術(shù)，它為電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用提供了重量很輕、小型化和低成本的光器件，實現(xiàn)了具有微光元件單片集成的可移動結(jié)構(gòu)，已成為21世紀(jì)電子領(lǐng)域的代表性技術(shù)之一。

MOEMS正受到研究單位和工業(yè)界的極大關(guān)注。美國Sandia國家實驗室、科羅拉多大學(xué)及其他一些研究機構(gòu)都相繼開發(fā)出頗有價值的PCB設(shè)計MOEMS器件，并在國際上掀起了開發(fā)MOEMS光開關(guān)等光電器件的熱潮。目前MOEMS已開始商用化。例如商品化的MOEMS光學(xué)系統(tǒng)已用于最先進的數(shù)字投影儀，并開始在數(shù)字影院試運行。

MOEMS市場前景看好。據(jù)稱在2003年進入市場的光開關(guān)價值達4.4～l0億美元，在2003年，MOEMS的市場份額為MEMS總市場的8％。

MOEMS作為一種新型封裝器件，其組件和封裝為特殊應(yīng)用，所以與標(biāo)準(zhǔn)的微電子方法不同。在MOEMS中其封裝成本所占比例最大。MOEMS封裝不僅要確保產(chǎn)品的預(yù)期性能，而且要使器件性能可靠，并具有市場競爭力。MOEMS要在這一新興技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地，將面臨產(chǎn)品制造的可重復(fù)性、封裝和工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化、核心器件的可靠性和壽命等一系列課題。即不僅要開發(fā)器件技術(shù)，也要開發(fā)封裝技術(shù)。雖然MOEMS的封裝難度較大，但發(fā)展速度很快，如今已有許多商用化的封裝技術(shù)。這意味著并不缺少解決辦法，而缺少如何將它運用到MOEMS生產(chǎn)中，MOEMS及其器件技術(shù)在未來的信息技術(shù)和光電子學(xué)領(lǐng)域的前途一片光明。