PCB设计MOEMS器件技术与封装 （上）
时间：10-02
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1 引言微光电子机械系统(MOEMS)是一种新兴技术，日前已成为全球最热门的技术之一。MOEMS是利用光子系统的微电子机械系统(mems)，内含微机械光调制器、微机械光学开关、IC及其他构件，并利用了MEMS技术的小型化、多重性、微电子性，实现了光器件与电器件的无缝集成。简单地说，MOEMS就是对系统级芯片的进一步集成。与大规模光机械器件相比，pcb设计MOEMS器件更小、更轻、更快速(有更高的谐振频率)，并可采用批量制作技术。与波导方式相比，这种自由空间方式优点是具有较低的耦合损耗和较小的串话。光子学和信息技术的变革直接促进了MOEMS的发展，图1示出了微电子学、微机械学、光电子学、纤维光学、MEMS与MOEMS的关系。如今信息技术迅速发展、不断更新，到2010年光开天速度可达Tb／s。日益增长的数据率和更高性能的新一代设备需求，驱动了对MOEMS和光互连的需求，使PCB设计MOEMS器件在光电子学领域的应用不断增长。
2 PCB设计MOEMS器件与技术PCB设计MOEMS器件按其物理工作原理分为干涉、衍射、透射、反射型(见表1)，大多数采用反射型器件。MOEMS在过去几年中已获得显著发展。最近几年，由于对高速率通信和数据传输需求的增长，大大激发了对MOEMS技术及其器件的研发。已开发出所需的低损耗、低EMV敏感性、低串话的高数据率反射光型PCB设计MOEMS器件。
如今，除了诸如可变光衰减器(VOA)之类的简单器件之外，采用MOEMS技术也可制作可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光调制器、可调波长选择光探测器等光有源器件和滤波器、光开关、可编程波长光插／分复用器(OADM)等光无源器件及大规模光交叉连接(OXC)。
在信息技术中，光学运用的关键之一是商品化的光源，除单片光源(如热辐射源、LED、LD、VCSEL)之外，特别受到关注的是具有活动器件的MOEMS光源。例如，在可调谐VCSEL中，通过微机械改变谐振器的长度即可改变其发射波长，由此实现了高性能WDM技术。目前，已开发了支撑悬臂调谐方式和具有支撑臂的活动结构。
还开发出具有可移动反射镜和反射镜阵列的MOEMS光开关，用于组装OXC、并联和开／关(On／Off)开关阵列。图2示出了自由空间MOEMS纤维光学开关，它具有一对用于光纤横向移动的U形悬臂式致动器。与传统的波导开关相比，其优点是耦合损耗较低、串话较小。
具有宽范围连续可调的光滤波器是可变DWDM网络中非常重要的器件，已开发了采用各种材料系统的MOEMS F_P滤波器。由于可调膜片和有效光腔长度的机械灵活性限制，这些器件的波长可调谐范围仅为70nm。日本OpNext公司开发了具有创纪录可调谐宽度的MOEMS F_P滤波器。该滤波器基于多个InP／空气隙MOEMS技术，垂直结构由6层悬浮的InP膜片构成，薄膜为圆形结构，并由三个或四个悬浮架支撑，并分别与三个或四个矩形支撑台连接。其连续可调谐F_P滤波器阻带极宽，覆盖了第二和第三个光通信窗口(1 250～l 800nm)，其波长调谐宽度大于ll2nm，致动电压低至5V。
3 MOEMS设计与制作技术大多数MOEMS制作技术是直接由IC工业及其制造标准演化而来。因此，在MOEMS中采用体和表面微机械加工及高产量的微机械加工(HARM)技术。但有管芯尺寸、材料均匀性、三维技术、表面构形和最后加工、不平度和温度敏感性等其他挑战。
一般广泛采用光刻技术制作结构图形。此外，无掩膜光刻技术也可用于制作常规图形。如用于聚合物一类光敏材料的表面。为了获得低折射率表面，也可制作二维图形，该表面可取代传统的多层抗反射涂层，并可用于MOEMS以改善其性能。所采用的材料及其淀积技术类似于标准的IC工艺，如Si热氧化、lpcVD、PECVD、溅射、电镀等，也可采用不同类型的湿法腐蚀和干法腐蚀技术。例如，通过湿法各向异性腐蚀可很精确地制作SiV形槽，并广泛用于光纤与光电器件的对准与封装。通过湿法反应离子刻蚀(DRIE)和表面微机械加工可制作微反射镜。采用精珩磨技术也可获得具有大纵模比的非平面结构。
目前，采用最多的方法是带有芯片焊凸的微机械硅晶片平面技术，它使标准和低成本IC组装的方法成为可能。为保护芯片，可通过凝胶涂层封闭晶片平面，并可采用凹槽同流焊方法(IRS)作为改进晶片级封装的方法。一些新型MOEMS产品对温度特别敏感，带引线的器件一般采用手工焊接，而表面贴装器件则采用激光焊接。
在MOEMS中已采用模拟反馈环路(FEA)、工艺最佳化和二次设计等成功的技术。除机械、热、电模拟之外，还引入了光模拟(BPM)和性能鉴定。此外，由于光对准要求高，为了实现完整的光器件封装和互连要求，在设计模拟中已引入了封装技术。图3示出MOEMS设计模拟和技术工艺程序。
4 MOEMS封装技术除了研发实用的PCB设计MOEMS器件之外，目前主要挑战是在专用管壳中组装和封装可靠的器件。虽然已开发了许多器件，但在市场中能可靠工作的器件很少。原因之一是封装困难和难以实现可靠的低成本光链路。特别是随着PCB设计MOEMS器件进入应用领域，主要问题是光对准与封装。此外，PCB设计MOEMS器件的实际损耗也取决于封装技术。
与标准封装方式不同的是MOEMS组件和封装为特殊应用，由于每个PCB设计MOEMS器件是非标准研制，并且不同的应用其封装要求也不同，因此MOEMS制作技术主要是封装技术，其封装成本在MOEMS中占最大比例，为系统总成本的75％～95％。所以也有开发者称：封装是工艺而不是科学。
一般将MOEMS封装分为芯片级、器件级、系统级三级。其中芯片级封装包括芯片钝化、隔离和焊接，提供电源通路、信号转换和互连引线，并对传感元件和执行元件进行钝化保护和隔离等；器件级封装包括信号测量和变换、引线键合及元件焊接；系统级封装包括封装没汁、制作、组装和测试。采用玻璃光纤和球透镜的2×2光开关的封装。这种高性能、低成木、可批量生产的MOEMS光开关可满足全光网络对器件的要求。
4.1 MOEMS封装要求MOEMS封装要求是：抗机械和热冲击、抗振动和抗化学性及长寿命。包括晶片和晶片粘附厚度、晶片切割、管芯固定芯片贴装工艺、热控制、应力隔离、气密封装、检验和调整。
晶片和晶片粘附厚度：该晶片粘附一般相当厚(1mm以上)，但如今标准IC的封装市场正朝多维发展，这对封装技术提出了重大挑战，因为不能采用某些传统的组装设备，也没有标准化的工具。
晶片切割：晶片切割工艺是最大的问题。采用粘胶载带手工操作，水流和振动可破坏微小的表面微机械结构。另外，在牺牲层腐蚀之前进行切割则增加了成本。由于MOEMS第一级封装不必与周围环境接触，可解决这个问题．热控制：由于热波动可引起性能不稳定，并且CTE不同的材料可导致光不同轴，因此要求在芯片和管壳中进行热控制。可采用热调节器一类的散热器进行制冷，以保持恒温。芯片贴装是采用焊料或具有高热导率的填充环氧树脂的银材料。
应力隔离：PCB设计MOEMS器件中机械或热产生的应力与其工作原理有关。一股认为功能问题和失配损耗产生的应力问题可减少可靠性和性能，常常由连接硅芯片与管壳的粘接剂或环氧树脂的缓慢收缩引起。
气密封装：常采用气密封装，以增加器件的长期可靠性。一般抽真空或充入惰性气体，以防潮气、水汽和污染进入管壳内或侵蚀环境。必须采用金属、陶瓷、硅或毫米厚的玻璃制作气密管壳，在电和光互连时要确保气密封接。
检测、调节：由于制造工艺中有小的偏差，PCB设计MOEMS器件必须检测，以满足所需的技术指标。一是采用激光微调电阻器或激光烧蚀的方法，二是采用电子补偿方法。
2 PCB设计MOEMS器件与技术PCB设计MOEMS器件按其物理工作原理分为干涉、衍射、透射、反射型(见表1)，大多数采用反射型器件。MOEMS在过去几年中已获得显著发展。最近几年，由于对高速率通信和数据传输需求的增长，大大激发了对MOEMS技术及其器件的研发。已开发出所需的低损耗、低EMV敏感性、低串话的高数据率反射光型PCB设计MOEMS器件。
如今，除了诸如可变光衰减器(VOA)之类的简单器件之外，采用MOEMS技术也可制作可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光调制器、可调波长选择光探测器等光有源器件和滤波器、光开关、可编程波长光插／分复用器(OADM)等光无源器件及大规模光交叉连接(OXC)。
在信息技术中，光学运用的关键之一是商品化的光源，除单片光源(如热辐射源、LED、LD、VCSEL)之外，特别受到关注的是具有活动器件的MOEMS光源。例如，在可调谐VCSEL中，通过微机械改变谐振器的长度即可改变其发射波长，由此实现了高性能WDM技术。目前，已开发了支撑悬臂调谐方式和具有支撑臂的活动结构。
还开发出具有可移动反射镜和反射镜阵列的MOEMS光开关，用于组装OXC、并联和开／关(On／Off)开关阵列。图2示出了自由空间MOEMS纤维光学开关，它具有一对用于光纤横向移动的U形悬臂式致动器。与传统的波导开关相比，其优点是耦合损耗较低、串话较小。
具有宽范围连续可调的光滤波器是可变DWDM网络中非常重要的器件，已开发了采用各种材料系统的MOEMS F_P滤波器。由于可调膜片和有效光腔长度的机械灵活性限制，这些器件的波长可调谐范围仅为70nm。日本OpNext公司开发了具有创纪录可调谐宽度的MOEMS F_P滤波器。该滤波器基于多个InP／空气隙MOEMS技术，垂直结构由6层悬浮的InP膜片构成，薄膜为圆形结构，并由三个或四个悬浮架支撑，并分别与三个或四个矩形支撑台连接。其连续可调谐F_P滤波器阻带极宽，覆盖了第二和第三个光通信窗口(1 250～l 800nm)，其波长调谐宽度大于ll2nm，致动电压低至5V。
3 MOEMS设计与制作技术大多数MOEMS制作技术是直接由IC工业及其制造标准演化而来。因此，在MOEMS中采用体和表面微机械加工及高产量的微机械加工(HARM)技术。但有管芯尺寸、材料均匀性、三维技术、表面构形和最后加工、不平度和温度敏感性等其他挑战。
一般广泛采用光刻技术制作结构图形。此外，无掩膜光刻技术也可用于制作常规图形。如用于聚合物一类光敏材料的表面。为了获得低折射率表面，也可制作二维图形，该表面可取代传统的多层抗反射涂层，并可用于MOEMS以改善其性能。所采用的材料及其淀积技术类似于标准的IC工艺，如Si热氧化、lpcVD、PECVD、溅射、电镀等，也可采用不同类型的湿法腐蚀和干法腐蚀技术。例如，通过湿法各向异性腐蚀可很精确地制作SiV形槽，并广泛用于光纤与光电器件的对准与封装。通过湿法反应离子刻蚀(DRIE)和表面微机械加工可制作微反射镜。采用精珩磨技术也可获得具有大纵模比的非平面结构。
目前，采用最多的方法是带有芯片焊凸的微机械硅晶片平面技术，它使标准和低成本IC组装的方法成为可能。为保护芯片，可通过凝胶涂层封闭晶片平面，并可采用凹槽同流焊方法(IRS)作为改进晶片级封装的方法。一些新型MOEMS产品对温度特别敏感，带引线的器件一般采用手工焊接，而表面贴装器件则采用激光焊接。
在MOEMS中已采用模拟反馈环路(FEA)、工艺最佳化和二次设计等成功的技术。除机械、热、电模拟之外，还引入了光模拟(BPM)和性能鉴定。此外，由于光对准要求高，为了实现完整的光器件封装和互连要求，在设计模拟中已引入了封装技术。图3示出MOEMS设计模拟和技术工艺程序。
4 MOEMS封装技术除了研发实用的PCB设计MOEMS器件之外，目前主要挑战是在专用管壳中组装和封装可靠的器件。虽然已开发了许多器件，但在市场中能可靠工作的器件很少。原因之一是封装困难和难以实现可靠的低成本光链路。特别是随着PCB设计MOEMS器件进入应用领域，主要问题是光对准与封装。此外，PCB设计MOEMS器件的实际损耗也取决于封装技术。
与标准封装方式不同的是MOEMS组件和封装为特殊应用，由于每个PCB设计MOEMS器件是非标准研制，并且不同的应用其封装要求也不同，因此MOEMS制作技术主要是封装技术，其封装成本在MOEMS中占最大比例，为系统总成本的75％～95％。所以也有开发者称：封装是工艺而不是科学。
一般将MOEMS封装分为芯片级、器件级、系统级三级。其中芯片级封装包括芯片钝化、隔离和焊接，提供电源通路、信号转换和互连引线，并对传感元件和执行元件进行钝化保护和隔离等；器件级封装包括信号测量和变换、引线键合及元件焊接；系统级封装包括封装没汁、制作、组装和测试。采用玻璃光纤和球透镜的2×2光开关的封装。这种高性能、低成木、可批量生产的MOEMS光开关可满足全光网络对器件的要求。
4.1 MOEMS封装要求MOEMS封装要求是：抗机械和热冲击、抗振动和抗化学性及长寿命。包括晶片和晶片粘附厚度、晶片切割、管芯固定芯片贴装工艺、热控制、应力隔离、气密封装、检验和调整。
晶片和晶片粘附厚度：该晶片粘附一般相当厚(1mm以上)，但如今标准IC的封装市场正朝多维发展，这对封装技术提出了重大挑战，因为不能采用某些传统的组装设备，也没有标准化的工具。
晶片切割：晶片切割工艺是最大的问题。采用粘胶载带手工操作，水流和振动可破坏微小的表面微机械结构。另外，在牺牲层腐蚀之前进行切割则增加了成本。由于MOEMS第一级封装不必与周围环境接触，可解决这个问题．热控制：由于热波动可引起性能不稳定，并且CTE不同的材料可导致光不同轴，因此要求在芯片和管壳中进行热控制。可采用热调节器一类的散热器进行制冷，以保持恒温。芯片贴装是采用焊料或具有高热导率的填充环氧树脂的银材料。
应力隔离：PCB设计MOEMS器件中机械或热产生的应力与其工作原理有关。一股认为功能问题和失配损耗产生的应力问题可减少可靠性和性能，常常由连接硅芯片与管壳的粘接剂或环氧树脂的缓慢收缩引起。
气密封装：常采用气密封装，以增加器件的长期可靠性。一般抽真空或充入惰性气体，以防潮气、水汽和污染进入管壳内或侵蚀环境。必须采用金属、陶瓷、硅或毫米厚的玻璃制作气密管壳，在电和光互连时要确保气密封接。
检测、调节：由于制造工艺中有小的偏差，PCB设计MOEMS器件必须检测，以满足所需的技术指标。一是采用激光微调电阻器或激光烧蚀的方法，二是采用电子补偿方法。