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光学MEMS制造面临挑战
作者:佚名    文章来源:不详    点击数:3101    更新时间:2007-2-13
  过去几年中开发了大量光学MEMS器件,仅有为数不多的器件实现了批量生产。这些器件成功的关键之一就是通过模块化和灵活的系统方案实现了制造和封装低成本化。 同时,光电子器件市场也在不断地发生变化,这是因为系统运营商试图在增加系统复杂度的同时缩减投资和运营成本。对运营商而言,减少元器件总量是缩减成本中重要的一环,包括用可调组件取代固定波长组件,如激光器和滤波器等。市场变化的另一表现则是生产周期的缩短,从而加速了对产业周期性的反应。此外,还要寻求节省空间的方式,这意味着要减少光纤插接并在同一模块中集成更多的组件并提高模块的智能性。  
  
光学功能的集成

  这方面的趋势有一些在MEMS器件及其结构上得到了体现。当前MEMS技术最显著的趋势就是在单一芯片或模块中集成多种光学功能。在产量相对较低的现阶段,混合集成是首选,但是,步入批量生产后单片集成将成为进一步缩减成本的长远路线。通过在平面波导线路中集成数组波导光栅、探测器以及放大器,同一芯片就能实现更多的功能。  
  
模块生产方案

  另一种降低成本的方式则是综合非电信和电信应用的需求。这样将导致微机械组件产量增长,从而将总成本分摊到几个市场中。换句话说,把光学MEMS组件设计成“微砖”,它们所构成的产品就能处理电信领域之外的应用。以创新的方式组装这些光学MEMS模块,就能应用于新的领域中,例如医学、物理学以及环境学应用中的微显示器和微传感器。

  无论是结合“微砖”方案,还是独立于这种方案,用精密自动机械取代昂贵的手工安装将成为成本缩减中另一重大里程碑,甚至可能是最重要的一个。目前开发的相对通用型制造平台有很多种,但是绝大多数解决方案都是在客户定制的基础上开发的。只有个别几个供货商提供了精密自动机械,有些甚至采用了早期的MEMS 技术,例如用硅刻蚀方法实现MEMS功能,并用电镀金属沉积实现电互连(图1)。
  
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图1
  
  
光混合技术

  光混合制造技术极有可能像电混合技术那样成为一种标准。对下一代光通信组件而言,光混合制造技术是满足成本缩减需求的关键。采用标准化自动装配平台能够实现更高的集成度,而解决方案中则可能采用可调或可重配置模块。目前,企业如果想建立光混合技术平台,就必须设计出基础的平台,同时还要设计或修改组件使之适合这种平台。例如,可以引入我们熟知的适合光电及MEMS组件的优秀模块概念,以及芯片级封装的精密器件(如MEMS和滤波器)。生产厂商则应当设计或改装自动装配机械,同时设计或修改诸如组件放置、有源光对准及封装这样的工艺(图2)。
  
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图2

  
  生产厂商希望减少装配技术的多样性,因而倾向于那些适合整类组件的标准方案。新装配平台应当适合低成本电子封装,并能解决在同一封装中集成更多功能引起复杂度增大的问题。此外还必须确定组件、衬底和装配工具之间的标准光接口。所有这些技术必须结合在一起,以形成标准光学装配技术为目标,同时该技术还应满足3个关键的需求:低成本、恰当的功能(精度、稳定度和复杂度)以及可靠性。

  其它的要求则包括:
  ‧电互连:低频到10Gbit/s。
  ‧光纤支撑结构。
  ‧MEMS功能,如可变光放大器,以及可用于组件(如激光器、光纤和透镜)有源对准的活动组件平台。
  ‧水平或垂直安装和连接光电子及MEMS芯片。
  ‧具有标准接口的光电子及MEMS组件,其接口适用于MEMS装配平台。  
  
基于MEMS的对准和联接技术

  在实现自动化生产的过程中出现了一些重要的实例,如先进的MEMS硅质光学平台(SiOB)、基于无源MEMS  V型槽对准的光纤连接技术,以及基于其它几何形状MEMS的无源对准和连接技术。就光纤装配而言,业界已经采用的技术包括硅质V型槽、机械夹、以及熔接光纤上的透镜(图3)。诸如此类的微机械联接组件一般具有灵活的结构,这样光纤和透镜就可以作为主要部分固定在微型光门这样的MEMS结构中(图4)。这类技术能够回避通常的方案,即先以微米级的精度对组件进行固定,然后借助昂贵的有源对准和激光锤打进行精细调整。
  
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图3
  
  
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图4

  
  在这些方案中,为了获得更稳定、更可靠的机械应力释放,可以用焊料焊接和激光焊接取代粘合剂。此外,一些新型技术可以将光纤更好的固定在MEMS结构中,例如玻璃珠焊接,该技术在光纤和金属封装之间提供了一层连接介质。低温焊料能够熔化玻璃珠,从而将光纤牢牢固定住。采用玻璃珠焊接技术,可以省去金属化光纤,从而节省至少50%的成本。  
  
封装

  如同半导体那样,湿度和微粒污染将导致光学MEMS中的机械组件损坏并导致光信号劣化,为了避免这种损害,必须对封装进行密封。选择密封技术时必须权衡外部环境和器件预期的寿命,获得一个折衷的方案。常用的密封方案基于聚合物材料,虽然并不能做到完全密封。完全密封的方案如Kovar(科瓦铁镍钴合金)“蝶”型封装,它是一种将金属化光纤焊接到金属封装上的方法,是一种非常昂贵的方案。最具竞争力的方案是用粘合剂和聚合物,用这些材料在封装的外面形成密封层。

  在光学MEMS领域内,那种认为装配完成后再决定封装方案的想法是错误的。在设计MEMS组件及其周围电子组件的早期就应当考虑封装问题的方方面面。因为对性能和成本所进行的折衷将影响MEMS 的设计,比如所采用的光学技术,光纤对准的类型以及是否需要反馈环路等。  
  
新的制造伙伴关系

  要想在新兴的光学组件产业中获得成功,关键问题是要加强传统电信组件供货商和MEMS技术供货商的合作,这是很多小型制造商甚至是大型制造商达成的共识。MEMS厂家要灵活应对用户方提出的要求并做出迅速反应,同时还要实现用户描述的MEMS制造步骤。如果MEMS供货商与系统制造商进行灵活的合作,就能缩短产品进入市场的时间。同时,合作还将节约产业各阶段的成本,这些阶段覆盖了设计环节、低产量生产阶段以及大批量生产阶段。
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