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光电子封装--制造的新纪元 |
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| http://cn.newmaker.com
3/19/2004 2:56:00 PM
李桂云 王彩萍
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摘要：光通讯市场的发展为EMS供货商提供了机会和挑战。光电子组件的问世将推动电子组装行业进一步向纵深发展，不过，必须在降低光电子组件封装的成本前提下，才能够实现这种技术的推广应用。总之，光电子封装的前景是好的，它将成为被关注的对象并被应用于各个领域中。
在整个电子工业处于停滞不前的情况下，而有一个领域却引起了人们的关注，并成为一个新的亮点--光电子技术。光电子是光子组件和电子电路互连的产物。光子组件有有源组件和无源组件，其互连体中有光通路。光电子封装是光、光电子和受许多物理约束(如象：介入损耗(dB)、热、材料、可靠性、质量因素、可制造性和成本)的电子组件的系统集成。封装和组装包括器件、模块、板子和子系统级组装。
1为什么要使用光纤?
光纤是承载声信号和数据信号的铜线的替代产品。使用光子，而不是电子来传输通讯信号可以提供相当大的带宽和速度。其基本理念是很简单的，即采用光信号远距离传输信号，然后，以同样快的速度和更经济的方法接收信号。
2多样性与复杂性
光学组件的种类繁多。一般，光学组件可以分为无源或有源组件。而且还可以进一步细分，诸如多路转换器、隔离器、循环器、波长锁与发射器、放大器、路由器和开关等。加上那些参与竞争的组件制造商使用的各种结构与技术。由于组件的多样性和复杂性，到目前为止，基本上还没有实现这些组件的标准化。
3光通讯的发展
根据几家主要光纤制造厂家的报导，在今年光纤产品已经销售一空。象Lucent和Coming这样的公司增加了生产，并计划将来扩大生产规模。国家电子制造创新公司(NEMl)已发布了10年的发展规划，并说明了光纤的年增长率为17%；激光和检波器的年增长率为1 5%；光转换组件为67%；波长分隔多路传输(WDM)组件为34%。由于光通讯在新市场中的应用，如象光通讯在城市和办公室中的应用和家庭中应用，所以，应对其的将来发展进行预测。
4组装的竞争
光电子产品要求对有源组件和无源组件进行组装。有源光子器件包括边沿发射源激光器(EESL)，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和光二级管接收器(PD)。有源器件互连包括光对齐器件(有源和无源)，与透镜键合和锥形波导管相匹配的模场、光通路转换和多层布线。而复杂棘手的项目数得上是光通路转换，如象曲线形波导管和透镜。无源器件包括过滤器和纤维产品。
在光电子产品中有可将随后到来的光信号转换成电子输出信号的高速接收机。今天，2．5Gb/S的信号已是很普遍了，在生产中都是采用10Gb/S的信号，40Gb/S信号的应用也即将实现。为了生产这类接收机，必须根据严格的容差要求、长期稳定性和良好的电子和热性能要求，将光电探测器安装到气密的封装中，同时必须是在低成本的条件下。在很多情况下，光二极管必须与光的输入和输出垂直。由于光信号受到材料羽汽的影响，(由于对位存在的问题购置的变化或其它因素，使得许多材料的使用受到限制。多数材料的湿气吸收特性肯定较低，严格的容差使得组装中的对齐操作难度更大。
当今的二级管组装方法包括线焊--未来的方案是采用倒装芯片。陶瓷基板也是一种普遍使用的材料，但是正在研究的材料有柔性电路、熔氧化硅、堇青石、低温共烧陶瓷(LTCC)、硅、特氟隆和液晶聚合物(LCP)。根据气密性的要求，一般外壳都是采用带有黄铜盖的精密的加工的柯伐封装。新型的外壳材料和方法正在开发研制中，包括用铝碳化硅、金属注塑模、喷射铸造法和各种陶瓷材料制造的外壳。光学组件的粘接方法是一项专门技术，但是，精确对齐的方法包括使用焊料、环氧树脂、低温玻璃、氧化铝(AIO)与硅键合和激光焊接。
用玻璃制造的光纤的组装，其竞争更加激烈。必须寻求适当的能够通过直径只有6μm芯线束发射光的单模玻璃纤维、精确对齐、移动和粘接的方法。必须在没有介人损耗的前提下完成每一步骤的操作，这样就不会导致光信号的衰减。
印制电路板(PCB)还必须紧跟光电子的信号速度和宽带的发展。最后，可望信号带宽超过铜的能力，而且板级光传输成为必然的发展趋势。可选用的方案有;1)通过平版印刷技术建立光波导；2)在PCB表面上形成薄的聚合物膜图形或通过随后的基板层压将图形掩埋其中。
然后，还要考虑竞争性问题。因为每一个组件制造商都把其制造技术看成是它的竞争优势，所以公司是不会分享其制造工艺的详细情况。如果一个组件或模块供货商可以使其产品比其竞争对手更好、更便宜和更可靠，那幺它可以抓住很大的市场份额。因此，制造的设计与技术是作为知识财产来对待的，公司都不愿意把它分享给设备或者材料供货商。光子公司甚至更不愿意发包其制造，因为担心在公众领域展示其产品的可制造性。事实上，光学组件制造商所关注的这些问题反映了30年前半导体组件制造商所关心的问题。
光电子组件与模块的绢装不仅对半导体割装界是-次良好的机遇，而且对于那些从事磁盘驱动器组装和其它电子制造服务(EMS)的公司也是一次难得的机会。竞争可能还包括你预期服务的组件制造商本身，因为许多光电子组件的制造商其内部正在设计其自己的设备和自动化解决方案。因此，如果你的公司提供组装服务，要面对的是一些最大型和实力较强的EMS工厂，它们倾向于投人大量劳力进行攻关，以较低的利润率来参与竞争。
5光电子组装的有效途径：低成本
今天，对低成本光电子组装的浓厚兴趣不乏有许多原因。首先，在北美，只有部分必要的基础设施已经建立，只有5%的光纤和5%的人口应用了宽带网。
比欧洲和亚洲低得多。在局域级接口所需的投资密度，设备成本必须降低，投资者必须看到得到投资回报(ROI)的有效途径。
另外，不断提高的计算机总线速度在不久的将来将变成一个关键因素。现在桌面计算机的时钟速度达到2GHz，但是一些指引认为在可预见的将来更快速的处理器将达到5GHz的总线速度。在传统的电路中获得数据量与速度是困难的，因此，光电子技术的应用将延伸到数据处理中去。
现在电路板的成本大约90%源自光电子组件，这些组件都是为性能而不是为可制造性而设计的。这是可以理解的，因为数据传输率已从2．5上升到10．0乃至40．0Gbps，制造商们都迫切地要在技术上实现突破，一旦成功就将之商业化。在发射激光器和接收器之间的损耗上与成本有着密切的关系。移动对中使光纤传输达到六维空间(X、Y、2、间距、侧倾、偏转)上定位和固定，达到几十个纳米。商业封装的合格率降到10%。
在组装中，采用手工的方法将非标准的密封封装焊接到电路板上是常见的，虽然较新的小形接收器可以使用一种具有BGA类型焊盘的可再流焊接的插入式安装来装配，但需付出40dB的代价，因为需要两个额外的连接器来避免安装引出线。手工焊接典型的密封封装是费时并影响到合格率。
为了加倍输出，制造商需要双倍的操作员。大批生产的、低成本非密封或半密封封装正处在开发之中，并且开始进入市场。
6潜在的发展趋势
目前，光学印制版的特性是使用光纤，增加层数和缩小外形尺寸。目前很多公司正在酝酿使用聚合物光波导管来降低发射损耗。
平面光波电路(PLC)平台将集成光波导和电子器件和光器件与要求的高频布线。采用玻璃光波导和数组波导光栅的硅平台，将光分成多信号通路。
光电子印制版是为了使路由器/转换功能实现高速多芯片集成电路(IC)封装而设计的。由于低的传输损失(<1dB/M)和高的传输速度(>200Mbps)的要求推动着对这种选择的需求。基板的选择包括陶瓷或铜聚亚氨薄膜，并具有聚合物波导管组合的特征。
7将来的需要
自动化生产实际上是虚无子有的，封装和组装标准仍没有出台。由于组件的种类使得产量带很低，而潜在的产量是大的，当今的市场还很小，缺乏规模经济。光电子产品的设计者和制造这类组件、模块和设备的厂家要求市场能够满足通讯领域的潜在需求和将来的更大需求。
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