光模塊生產工藝的核心環(huán)節(jié)介紹

5G通信、人工智能、元宇宙等新技術的涌現(xiàn)使得光通信行業(yè)快速發(fā)展。光模塊作為光通信設備中完成光電轉換的關鍵組件，與服務器暴增的算力和數據交互直接配套。因此，能夠滿足高速數據傳輸、海量數據處理等要求的高性能光模塊產品成為數字化發(fā)展關鍵基礎。

圖 光模塊內部結構

光模塊中的核心器件是實現(xiàn)光電信號轉換的光收發(fā)器件，主要包括光發(fā)射器件 TOSA、光接收器件 ROSA 和通過同軸耦合將 TOSA 和 ROSA 等組件集成的光發(fā)射接收器件 BOSA。當前光模塊的技術壁壘主要就在于光收發(fā)器件的光芯片和封裝技術這兩個方面。

光模塊生產工藝的核心環(huán)節(jié)主要包括貼片、引線鍵合、光學耦合、封裝、焊接、老化測試等，以下將一一介紹各工藝環(huán)節(jié)，歡迎大家進行補充修正，

圖 光模塊生產工藝主要環(huán)節(jié)

1. 貼片

貼片（Die attach or Die bonding）是指將半導體裸片（die）器件貼在載體（carrier）上。光模塊中的半導體裸片器件主要是光電芯片，其原材料包括GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）、Si（硅基）等；貼片的載體主要包括PCB、可伐合金、陶瓷基板（AlN氮化鋁等）、鎢銅等。

貼片可分為手動和自動，目前光模塊貼片已實現(xiàn)自動化。傳統(tǒng)的貼片工藝是人工涂膠或使用點膠機通過空氣擠壓出的膠水將芯片固定在 PCB 板上，但光芯片的貼片要求比電芯片的貼片要求精度更高，傳統(tǒng)貼片無法達到精準控制膠量大小、上膠速度和位置等嚴格要求，因此高精度貼片機就顯得尤為重要，而且隨著 400G、800G 等高速光模塊的快速發(fā)展，高精度貼片機的需求也愈加旺盛。當前高精度貼片機市場主要依賴進口，國產替代空間廣闊。

另外，貼片主要通過共晶焊和導電膠完成固定。共晶焊料一般使用金錫焊料，雖然導電性和可靠性更好，但價格昂貴、效率較低，多用于激光器芯片貼裝；導電膠一般用銀膠，電阻大，但成本低、工藝簡單、適用范圍更廣。此外，還有紫外UV固化膠可用于一些電芯片的貼裝。

2. 引線鍵合

引線鍵合（Wire-Bonding）是指芯片貼裝完成后，用金屬引線將芯片的壓焊位連接在印制電路板的焊盤上，形成可靠的電氣鍵合，俗稱打線。引線鍵合按照鍵合能量可分為熱壓鍵合、超聲鍵合、以及二者結合的熱超聲鍵合；按照鍵合線的材料分為金絲、鋁絲、銅絲。光通信行業(yè)一般采用金絲熱超聲鍵合，因為光電芯片的表面普遍會鍍金，金的高頻性能好，而熱超聲鍵合的溫度較低、速度快，可靠性更好。

圖源 面包板，中泰證券研究所

在引線鍵合的過程中，根據劈刀和焊點形狀可分為球焊和楔焊。球焊使用毛細管劈刀，可形成球狀焊點，與焊盤接觸面積大，可靠性好，速度快，使用場景最廣；楔焊使用楔形劈刀，可形成方形焊點，與焊盤接觸面積小，可靠性較差，速度較慢，一般只用于高頻信號焊盤之間的引線鍵合。

圖源 光通信小黃人

3. 光學耦合

耦合是光模塊封裝中工時最長、最容易產生不良品的步驟。光模塊實現(xiàn)光電和電光轉換，因此一端是電口，連接網線/交換機，另一端是光口，連接光纖。光纖導光的物理基礎是入射光在光纖內部發(fā)生全反射，光學耦合的目的就是將光高效、高質地耦合進入光纖。

根據光纖的不同，可以把光模塊分為單模和多模，這兩種光模塊內部的光學耦合差別較大。多模光纖（MMF）的纖芯直徑通常為 50/125μm 或 62.5/125μm，普遍采用面發(fā)射激光器 VCSEL，經反射鏡耦合進入多模光纖中，光路簡單、容差大、工藝相對簡單。而單模光纖（SMF）單模光纖纖芯直徑比多模光纖小，通常為 9μm，耦合較為復雜， 需要透鏡進行聚焦耦合。透鏡耦合大概分為上料、預耦合、點膠、膠水固化、下料5個步驟。

圖源 天孚通信

光模塊中用到的透鏡按形狀可分為球面和非球面，按材質主要有玻璃、硅、塑料等，優(yōu)缺點對比如下表。玻璃透鏡是傳統(tǒng)工藝中經常用的材料，價格較貴，常用于高端模塊；硅透鏡價格便宜，目前已大量應用于中低端COB、Box封裝模塊中；光學塑料透鏡常用PEI塑料，價格便宜，可應用于多模短距模塊中。

表源 光通信小黃人公眾號

4. 外殼封裝

完成光路耦合后，光模塊已形成雛形，下一步的外殼封裝將使之完整。封裝通常分氣密性封裝和非氣密性封裝。氣密性封裝目的是為了防止外部的水汽和其他有害氣體進入密封光器件內部，影響光芯片和相關零組件的性能。為了實現(xiàn)封裝的可靠密封，封裝外殼上電通路所使用的電介質一般為非有機材料，如玻璃或者陶瓷。

氣密性封裝的方式主要有To-can、BOX （盒式）、蝶形封裝，主要應用在工作環(huán)境復雜，對可靠性要求高的電信市場或者DCI市場（數據中心長距離傳輸）。非氣密性封裝主要是COB（板上芯片封裝）封裝技術，多用于數據中心光模塊。

To-Can同軸封裝成本低廉、生產制造簡單，但體積較小導致散熱不佳使其不適用于長距離傳輸，主要應用于基站、PON等單通道的傳輸距離和傳輸速率要求低一點的市場，如2.5Gbit/s和10Gbits/s等短距離傳輸。儲能焊設備可用于To-Can氣密性封裝。

BOX/蝶形通常為長方體，結構復雜，具有可實現(xiàn)多種功能、散熱好等優(yōu)點，適用于長距離多種速率傳輸，主要應用于傳輸網、多通道居多，傳輸速率高，傳輸距離長，對可靠性要求高，包括40G/100G/200G/400G及相應速率的相干光模塊；BOX封裝為蝶形封裝的多通道升級版，適用于40G及以上速率的高速光模塊，隨著400G、800G時代的到來，將對并行光學設計提出更高的要求。采用平行封焊設備可實現(xiàn)Box氣密封裝。

COB封裝也是板上芯片封裝、有線印制板封裝，是直接在印制電路板上安裝裸芯片，用金線或銅線將芯片引腳與印制電路板的接觸點連接起來的封裝工藝。COB封裝可以將芯片封裝在極小的體積內，不需要外殼或支架等附加配件，具有尺寸小、重量輕、可靠性高、成本低等優(yōu)點，廣泛用于微型電子設備和便攜式電子產品中。

5. 焊接

光模塊中焊接工藝包括激光焊接、熱壓焊接（hot bar）、烙鐵焊接、熱風焊接、回流焊接、波峰焊接、電子壓焊等。氣密密封焊接需要在填充惰性氣體環(huán)境中進行，通常采用的惰性氣體是純氮氣或氬氣。

單模類的光模塊一般使用激光調整焊接（laser welding）將Receptacle和Box或TO-can焊接起來，這種焊接工藝自動化程度較高，除了上下料需要人工操作外其他步驟基本可以由激光調整焊設備完成。

多模光模塊集成度高，大量使用FPC軟板，焊接需使FPC軟板和PCBA板形成電氣互聯(lián)。目前行業(yè)內主要用熱壓焊來完成軟板焊接，有相應的熱壓焊設備，效率和良率都較高；激光焊接是近幾年的新技術，目前的行業(yè)接受度不高，最大的特點是焊接時不接觸焊盤，對高密度pin軟板焊接有優(yōu)勢，但也有難保證激光照射均勻性，效率低，成本高等缺點。

6. 老化測試

老化（burn in），也可以稱為老煉，是一種篩選測試，按照MIL-STD-883的定義，其目的是為了篩選或者剔除本身具有固有缺陷，或其制造工藝控制不當產生缺陷的器件。這些缺陷會造成與時間和應力相關的失效，如果不進行老化篩選，有缺陷的器件在使用條件下會出現(xiàn)初期致命失效或早期壽命失效。

光模塊內部的激光器由于結構和制程工藝復雜，需要進行老化，其他光電器件除APD外，不需要進行老化。在目前大部分光模塊廠家的生產工序中，一般有兩道針對激光器的burn in篩選測試。

第一道是激光器的管芯級，是在激光器完成必要的生產步驟，如外延生長、刻蝕、外觀檢查后，裝載到專用的老化夾具上進行，有比較成熟的商業(yè)化設備，國外廠家有ILX Lightwave、Chroma，國內廠家有蘇州聯(lián)訊（Stelight）、上海菲萊（Feedlight）。根據不同測試方案，可以區(qū)分為在線測試老化和分立測試老化。在線測試老化可以持續(xù)記錄BI過程中的激光器數據，但是測試成本高，一般用于設計階段的少量樣品驗證測試。分立測試老化是在老化開始和結束時分別記錄激光器數據，測試成本低，一般用于批量化生產。

第二道是光模塊級，是在激光器組裝到光模塊內后，通過測試夾具進行的，目前尚沒有商業(yè)化設備，多數光模塊廠商使用自研設備進行測試。在測試方案上，在線測試和分立測試都有，一般根據模塊的DDM進行激光器參數記錄，因此從成本上并無太大差異。

從生產和成本管控角度上看，第一道管芯級激光器burn in篩選測試應力大，目的是盡可能地篩選出早期失效產品，第二道模塊級burn in測試更多地只是對第一道測試的補充。

來源：半導體工程師