光模塊封裝工藝流程概述

光模塊封裝是光通信領(lǐng)域中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其基本結(jié)構(gòu)包含光發(fā)射端模塊（TOSA）和驅(qū)動電路、光接收端模塊（ROSA）和接收電路。將激光器、探測器封裝成TOSA、ROSA的過程是光模塊封裝的核心部分，也是主要的技術(shù)壁壘所在 。TOSA和ROSA的封裝工藝類型主要有TO - CAN同軸封裝、蝶形封裝、COB封裝、BOX封裝以及FlipClip等 。不同的封裝工藝適用于不同的應(yīng)用場景，例如TO - CAN封裝主要部署在10G光模塊中，蝶形封裝可用于各種速率及80km長距離傳輸，BOX封裝常用于中長距離高速光學(xué)設(shè)備傳輸，COB封裝對于100G QSFP28光模塊來說更為合適 。

光模塊在光通信產(chǎn)業(yè)鏈中處于中游位置，光模塊廠商從上游企業(yè)采購光芯片及電芯片、光組件等原材料，經(jīng)過集成、封裝、測試合格后供給設(shè)備集成商整合為有對應(yīng)需求的光通信設(shè)備，應(yīng)用于電信及數(shù)據(jù)中心市場。并且隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光模塊的封裝形式也朝著小型化、高速率、低成本等方向不斷演進(jìn)，以滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)鏈接速率需求以及不同的應(yīng)用環(huán)境要求 。

光模塊封裝工藝流程詳細(xì)步驟

1. TO - CAN同軸封裝

• 準(zhǔn)備工作：TO - CAN封裝是一種氣密性封裝。首先要將激光器管芯和背光檢測管粘接在熱沉上。熱沉的作用是幫助散熱，由于TO - CAN封裝體積小，散熱相對困難，熱沉對于保證激光器的正常工作溫度非常重要。激光器管芯是光發(fā)射的核心部件，背光檢測管用于檢測激光器的一些工作狀態(tài)參數(shù)，它們的粘接需要精確操作，保證連接的穩(wěn)定性和電氣性能 。

• 鍵合互聯(lián)：粘接好的部件通過鍵合的方式與外部實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。鍵合是一種高精度的連接技術(shù)，通常使用金屬絲（如金線）將芯片上的電極與外部引腳或線路連接起來。這種連接方式能夠有效地傳輸電信號，確保光模塊的正常工作。在10G光模塊及以下速率（如2.5Gbit/s及10Gbit/s短距離傳輸）中，TO - CAN同軸封裝因其成本低廉、工藝簡單而被廣泛應(yīng)用，雖然其存在難以內(nèi)置制冷、散熱困難、難以用于大電流下的高功率輸出從而難以用于長距離傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，但在短距離傳輸場景下性價比很高 。

2. 蝶形封裝

• 部件集成：蝶形封裝的殼體通常為長方體。在封裝過程中，要在金屬封裝的管殼內(nèi)集成半導(dǎo)體激光器、制冷器、熱敏電阻等部件。制冷器用于調(diào)節(jié)溫度，保證半導(dǎo)體激光器在合適的溫度范圍內(nèi)工作，因?yàn)闇囟葘す馄鞯男阅埽ㄈ绮ㄩL、功率等）有顯著影響；熱敏電阻則可以實(shí)時監(jiān)測溫度，反饋給控制系統(tǒng)以便對制冷器進(jìn)行精確控制。同時，還需要集成陶瓷基塊等部件，這些部件在提供物理支撐、電氣絕緣等方面起到重要作用 。

• 光信號耦合：通過一定的光學(xué)系統(tǒng)將激光器發(fā)出的光信號耦合到光纖。這個光學(xué)系統(tǒng)可能包含透鏡、反射鏡等光學(xué)元件，用于調(diào)整光的傳播方向、聚焦等，以確保光信號能夠高效地耦合到光纖中。蝶形封裝由于其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，能夠集成多種功能部件，所以可以用于各種速率及80km長距離傳輸 。

3. COB封裝（板上芯片封裝）

• 貼片操作：將激光芯片直接粘附在PCB（印刷電路板）上。首先是貼片過程，例如SMT（表面貼裝技術(shù)）貼片完成的pcb板放在光芯片貼片機(jī)上，蘸取銀漿然后貼芯片。貼片完成后需要進(jìn)行目檢，主要觀察銀漿的量是否溢出等情況，以確保芯片粘貼的質(zhì)量。銀漿在這里起到粘接和電氣連接的作用，它需要均勻分布并且適量，過多可能會溢出影響其他部件或造成短路，過少則可能導(dǎo)致芯片粘貼不牢固或者電氣連接不良 。

• 貼電芯片：在完成激光芯片的貼片后，進(jìn)行電芯片的粘貼操作，同樣需要蘸取銀漿然后貼電芯片，并且也要進(jìn)行目檢。電芯片包括如TIA（跨阻放大器）等，這些電芯片在光模塊中起到放大、處理電信號的作用。

• 打線工序：打線是在Driver（驅(qū)動器）、TIA和LD（激光二極管）PIN陣列之間以及Driver、TIA和PCB之間打金線。常用打線機(jī)進(jìn)行打線操作。金線的連接質(zhì)量直接影響信號傳輸，如打線不良可能會導(dǎo)致信號衰減、干擾或中斷等問題。在高速光模塊（如100G光模塊）中，COB封裝通過將TIA/LA芯片、激光陣列和接收器陣列集成封裝在一個小空間內(nèi)，可以節(jié)省PCB面積，并且由于構(gòu)建了較短的互連路徑，提高了性能。但這種封裝方式的技術(shù)難點(diǎn)在于對光芯片貼片的定位精度（影響光耦合效果）和打線質(zhì)量（影響信號質(zhì)量、誤碼率） 。

4. BOX封裝

• 并行封裝準(zhǔn)備：BOX封裝屬于蝶形封裝，用于多通道并行封裝。在封裝前，要準(zhǔn)備好多個通道對應(yīng)的光芯片、電芯片以及其他相關(guān)部件，如分光器等。分光器可以將輸入的光信號按照一定比例分配到不同的通道中，或者將不同通道的光信號合并起來。這些部件的準(zhǔn)備工作需要嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行，確保各個通道的性能一致 。

• 封裝過程：可以做成氣密性和非氣密性封裝。對于氣密性封裝，外殼的主要材料可采用可伐合金（Kovar）和玻璃，玻璃用于透光，可伐合金和玻璃的熱膨脹系數(shù)接近，兩者通過焊接實(shí)現(xiàn)氣密。在進(jìn)行BOX封裝時，對于氣密性封裝采用平行封焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)氣密封裝。平行封焊設(shè)備大部分是半自動化的，設(shè)備整體上是一個密封的大箱子，里面充有干燥氮?dú)?，需要監(jiān)控內(nèi)部氣體的凝露溫度；兩側(cè)各有一個小箱子，用于產(chǎn)品物料的出箱入箱，人員通過塑料手套進(jìn)行蓋板上下料，焊接過程是自動完成的。BOX封裝常用于中長距離高速光學(xué)設(shè)備傳輸，不過價格比較昂貴 。

5. 通用的測試與調(diào)試

• 測試環(huán)節(jié)：在完成上述各種封裝工藝后，光模塊需要進(jìn)行多項(xiàng)測試。對于光發(fā)射部分，主要測試光功率、消光比等參數(shù)；對于接收部分（以PIN為例），是由PINTIA（InGaAsPIN和跨阻放大器）和限幅放大器組成，將輸入的光信號通過PIN管轉(zhuǎn)換成光電流，光電流又通過跨阻放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號，需要測試電壓信號的相關(guān)參數(shù)，同時還要測試無光告警功能，當(dāng)光功率不足以維持模塊正常工作時，SD端應(yīng)產(chǎn)生邏輯低信號，產(chǎn)生告警。這些測試能夠確保光模塊的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求 。

• 調(diào)試操作：如果在測試過程中發(fā)現(xiàn)問題，如誤碼等情況，就需要進(jìn)行調(diào)試。常規(guī)的調(diào)試在上位機(jī)上完成，由于每個產(chǎn)品使用的電芯片（Driver + TIA）不同，每個電芯片的特點(diǎn)提供的功能模塊不同，所以在調(diào)試時需要根據(jù)芯片規(guī)格書進(jìn)行。上位機(jī)通過usb與模塊通信，模塊收到來自上位機(jī)的指令后通過I2C與MCU通信，然后MCU再通過I2C分別與電芯片通信進(jìn)行讀寫操作，上位機(jī)對各種電流、均衡器大小、去加重大等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化光模塊的性能 。

光模塊封裝工藝的關(guān)鍵技術(shù)

1. 耦合技術(shù)

• 耦合的重要性：耦合是光模塊封裝中的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是在光發(fā)射模塊中。它直接影響著出射光的性能。激光器芯片和光纖的耦合有直接耦合和間接耦合兩種形式。直接耦合是由激光器發(fā)出的光直接進(jìn)入光纖，不經(jīng)過其他中間元件，這種方式簡單直接，但對激光器和光纖的對準(zhǔn)精度要求很高；間接耦合則在激光器和光纖之間加入其他光學(xué)元件（如透鏡、反射鏡等），通過這些元件調(diào)整光的傳播方向、聚焦等，完成由激光器到光纖的耦合。在一些對耦合精度要求極高的場合，如單模光纖的耦合，由于單模光纖纖芯直徑很小（只有9μm），需要采用透鏡進(jìn)行聚焦耦合，以提高耦合效率 。

• 影響耦合效果的因素：光芯片貼片的定位精度對耦合效果有著顯著影響。在COB封裝工藝中，光芯片直接粘附在PCB上，如果貼片的定位精度不足，會導(dǎo)致光芯片與光纖或者其他光學(xué)元件之間的相對位置偏差，從而降低耦合效率。例如，在高速光模塊中，為了實(shí)現(xiàn)高速率、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，需要保證光信號的高效耦合，定位精度可能需要控制在很小的范圍內(nèi)（如±3μm），以確保足夠、穩(wěn)定的對準(zhǔn)誤差空間，為后續(xù)的耦合工藝提供良好的基礎(chǔ) 。

2. 散熱技術(shù)

• 散熱的必要性：在光模塊封裝中，散熱是一個至關(guān)重要的問題。例如蝶形封裝和BOX封裝中集成了多種電子元件，如半導(dǎo)體激光器等，這些元件在工作過程中會產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時散發(fā)出去，會導(dǎo)致元件溫度升高，進(jìn)而影響其性能（如激光器的波長漂移、功率下降等），甚至?xí)s短元件的使用壽命。在一些高功率輸出或者高速率工作的光模塊中，散熱問題更為突出，因?yàn)楦吖β屎透咚俾释殡S著更多的熱量產(chǎn)生。

• 散熱技術(shù)措施：蝶形封裝通過較大的殼體面積來散熱，并且可以內(nèi)置制冷器、熱沉等散熱部件。制冷器可以主動調(diào)節(jié)溫度，將溫度控制在合適的范圍內(nèi)；熱沉則可以吸收熱量并將其傳導(dǎo)出去。在一些小型化的封裝工藝（如TO - CAN封裝）中，雖然難以內(nèi)置制冷設(shè)備，但也需要通過優(yōu)化熱沉的設(shè)計來提高散熱效率，例如選擇導(dǎo)熱性能良好的材料制作熱沉，合理設(shè)計熱沉的結(jié)構(gòu)以增加散熱面積等。

3. 氣密性封裝技術(shù)

• 氣密性封裝的意義：對于部分光模塊（如BOX封裝和TO - CAN封裝在某些應(yīng)用場景下），氣密性封裝是非常重要的。氣密性封裝可以保護(hù)內(nèi)部的光學(xué)和電子元件免受外界環(huán)境的影響，如防止水汽、灰塵等進(jìn)入封裝內(nèi)部。水汽可能會導(dǎo)致元件短路、腐蝕等問題，灰塵可能會影響光的傳播或者造成電氣接觸不良。在一些惡劣的工作環(huán)境（如戶外、高溫高濕環(huán)境等）下，氣密性封裝能夠保證光模塊的可靠性和穩(wěn)定性。

• 實(shí)現(xiàn)氣密性封裝的方法：對于BOX封裝，采用平行封焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)氣密封裝。平行封焊設(shè)備內(nèi)部充有干燥氮?dú)?，通過焊接可伐合金和玻璃來實(shí)現(xiàn)氣密，并且需要監(jiān)控內(nèi)部氣體的凝露溫度。對于TO - CAN封裝的氣密封裝設(shè)備叫封帽機(jī)，設(shè)備采用儲能焊原理，通過脈沖電流融化縫隙實(shí)現(xiàn)氣密性焊封。儲能焊效率高、成本低，是一種有效的氣密性封裝方法 。

光模塊封裝工藝流程實(shí)例分析

以COB封裝工藝制作100G QSFP28光模塊為例：

1. 貼片階段

• 初始準(zhǔn)備：首先是SMT貼片完成的pcb板準(zhǔn)備。這個pcb板是經(jīng)過前期的線路設(shè)計和制作，具備了一定的電路布局，能夠滿足光模塊中各個芯片的電氣連接需求。然后將pcb板放在光芯片貼片機(jī)上，這臺貼片機(jī)是高精度的設(shè)備，對于100G QSFP28光模塊這種高速率的光模塊來說，貼片機(jī)的精度要求很高，因?yàn)樗苯佑绊懙胶罄m(xù)光芯片的定位精度，進(jìn)而影響光耦合效果。

• 芯片粘貼：在貼片機(jī)上蘸取銀漿然后貼芯片。銀漿的質(zhì)量和涂抹量需要精確控制，因?yàn)殂y漿不僅起到粘接芯片的作用，還參與電氣連接。如果銀漿涂抹不均勻或者量過多過少都會對芯片的粘貼和電氣性能產(chǎn)生影響。例如，涂抹過多可能在芯片周圍溢出，造成短路風(fēng)險；涂抹過少可能導(dǎo)致芯片粘貼不牢固，在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)松動等問題。粘貼完成后進(jìn)行目檢，目檢人員通過顯微鏡等工具仔細(xì)觀察銀漿的量是否溢出、芯片的位置是否準(zhǔn)確等情況，確保貼片質(zhì)量符合要求。

2. 貼電芯片階段

• 電芯片粘貼：與光芯片貼片類似，貼電芯片同樣是蘸取銀漿然后粘貼到指定位置。電芯片在光模塊中起著至關(guān)重要的作用，如TIA（跨阻放大器）負(fù)責(zé)將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大，Driver（驅(qū)動器）用于驅(qū)動激光器等。這些電芯片的粘貼位置精度同樣重要，因?yàn)樗鼈冎g的相對位置關(guān)系會影響到信號的傳輸和處理。

• 質(zhì)量檢查：粘貼完成后同樣需要進(jìn)行目檢，檢查電芯片是否粘貼牢固、銀漿是否正常等情況。一旦電芯片粘貼出現(xiàn)問題，可能會導(dǎo)致信號傳輸?shù)闹袛唷⑺p或者出現(xiàn)噪聲等問題，影響光模塊的整體性能。

3. 打線階段

• 打線操作：打線是在Driver、TIA和LD PIN陣列之間以及Driver、TIA和PCB之間打金線。打線機(jī)按照預(yù)定的程序進(jìn)行操作，將金線準(zhǔn)確地連接到相應(yīng)的引腳和線路上。金線的直徑、材質(zhì)以及打線的工藝參數(shù)（如壓力、溫度等）都會影響打線的質(zhì)量。在100G QSFP28光模塊中，由于信號傳輸速率高，對打線質(zhì)量要求更為嚴(yán)格，因?yàn)榇蚓€不良可能會導(dǎo)致信號的反射、衰減等問題，從而影響光模塊的誤碼率等性能指標(biāo)。

• 質(zhì)量控制：在打線過程中，需要對打線質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，例如通過檢測打線的拉力、電氣導(dǎo)通性等指標(biāo)來確保打線質(zhì)量。如果拉力不足，金線可能在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)松動甚至斷開；如果電氣導(dǎo)通性不好，則會影響信號的傳輸。

4. 測試與調(diào)試階段

• 測試過程：完成上述封裝步驟后，光模塊要進(jìn)行一系列的測試。對于光發(fā)射部分，主要測試光功率和消光比等參數(shù)。光功率的大小直接影響光模塊的傳輸距離和信號強(qiáng)度，消光比則反映了光信號在“1”和“0”狀態(tài)下的功率差異，這兩個參數(shù)對于光模塊的性能評估非常重要。對于接收部分，要測試其將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的能力以及無光告警功能等。

• 調(diào)試措施：如果在測試過程中發(fā)現(xiàn)誤碼等問題，就需要進(jìn)行調(diào)試。由于100G QSFP28光模塊使用的電芯片（Driver + TIA）具有特定的功能和特性，調(diào)試時需要根據(jù)芯片規(guī)格書進(jìn)行操作。上位機(jī)通過usb與模塊通信，模塊收到指令后通過I2C與MCU通信，MCU再與電芯片通信進(jìn)行讀寫操作，上位機(jī)對各種電流、均衡器大小、去加重大等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以解決誤碼等問題，優(yōu)化光模塊的性能。

不同類型光模塊封裝工藝流程差異

1. 速率與封裝工藝的關(guān)聯(lián)

• 低速光模塊（如2.5G及以下速率）：

• 封裝工藝選擇傾向：對于2.5G及以下速率的光模塊，如百兆、千兆SFP光模塊等，多采用單通道TO或蝶形封裝。這些封裝工藝有標(biāo)準(zhǔn)的制程和自動化設(shè)備，技術(shù)壁壘相對較低。例如，TO - CAN同軸封裝在這種低速率光模塊中應(yīng)用時，由于其成本低廉、工藝簡單，能夠滿足基本的功能需求，所以被廣泛采用。雖然它存在散熱困難等問題，但在低速率下，功率較低，散熱問題相對不那么突出。蝶形封裝在低速率下也可使用，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一些，但在一些對穩(wěn)定性和功能擴(kuò)展性有一定要求的場景下可以發(fā)揮優(yōu)勢，如在一些需要內(nèi)置制冷器、熱敏電阻等部件來保證長期穩(wěn)定工作的應(yīng)用場景中 。

• 工藝特點(diǎn)：這些封裝工藝在低速率下，對芯片的集成度要求不高，所以不需要過于復(fù)雜的芯片布局和封裝結(jié)構(gòu)。例如，在單通道的TO - CAN封裝中，只需要將激光器管芯和少量的相關(guān)部件（如背光檢測管）進(jìn)行簡單的封裝即可滿足低速率光信號的發(fā)射和接收需求。

• 高速光模塊（如40G及以上速率）：

• 封裝工藝選擇傾向：在高速率的光模塊（如40G、100G等）中，由于需要處理更高的數(shù)據(jù)流量，對封裝工藝提出了更高的要求。例如，100G光模塊在采用25G芯片時，需要4組組件，如果采用傳統(tǒng)的SFP封裝，將需要4倍空間，而COB封裝可以將TIA/LA芯片、激光陣列和接收器陣列集成封裝在一個小空間內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)小型化，所以高速光模塊多采用COB封裝。BOX封裝用于多通道并行封裝，也適用于高速光模塊的封裝，常用于中長距離高速光學(xué)設(shè)備傳輸，不過價格比較昂貴。在高速光模塊中，由于信號傳輸速率高，對封裝工藝中的耦合精度、散熱性能、電磁干擾屏蔽等方面的要求更高 。

• 工藝特點(diǎn)：以COB封裝為例，在高速光模塊中，對光芯片貼片的定位精度要求極高，因?yàn)槎ㄎ痪葧绊懝怦詈闲Ч?，進(jìn)而影響高速信號的傳輸質(zhì)量。同時，打線質(zhì)量也非常關(guān)鍵，不良的打線可能導(dǎo)致信號衰減、干擾或誤碼等問題。另外，高速光模塊在工作過程中會產(chǎn)生更多的熱量，所以散熱設(shè)計也更為重要，如在COB封裝中，需要考慮如何通過PCB的設(shè)計、散熱材料的選擇等方式來提高散熱效率。

2. 傳輸距離與封裝工藝的關(guān)系

• **短距離傳輸光模塊（

芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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