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用于大批量模型光學器件制造的精確而靈活的貼片機

導讀：這篇文章描述了最精確的靈活量產貼片機，以解決由互聯網帶寬增長引發的光子器件制造的挑戰。該貼片機系統是用于解決目前大批量高混合的生產情況。適用于大批量、靈活的±1.5微米MRSI-HVM貼片機平臺，在實際的批量生產中展現了對用于5G無線、400G+數據中心和骨干網新一代光子器件可以實現<±3 微米貼片后的精度。

引言

未來5年，全球5G部署和數據中心應用有望呈指數級增長【1】。這推動了高性能光通信器件的需求，使其成為最重要的基礎之一。具體來說，這些關鍵組件支持5G無線前傳和下一代以太網模塊的出貨，包括2x200GbE、4x100GbE和400GbE，以及CWDM/DWDM收發器【2】。這類新型高性能光學器件的主要市場增長引發了新的貼片需求，包括更小的封裝外殼，更高的封裝密度，更小的芯片尺寸，更快的技術創新和產品迭代，以及更大的產量需求和更經濟的價格。在激光雷達、AR/VR、先進光子傳感器、MEMS(微機電系統)，甚至高度集成的硅光子器件方面也有同樣的需求。

在這些器件的制造過程中，最大的挑戰之一是如何成功地部署靈活的芯片貼片解決方案，以滿足大批量柔性生產的需求，并能保持較高的貼片后的精度和機器能有良好的長期穩定性【3】。從歷史上看，每一代光子器件都有貼片后的精度要求，從15-20微米發展到7-10微米，再到5-7微米。最新一代的高性能光子器件需要小于3微米的貼片后的精度，而且不能犧牲高產出或高靈活性，以實現大批量生產中產品類型的高混合。傳統的高產出半導體設備可能具有高精度和高速度，但不具備光子器件所需要的靈活性。也有一些貼片機專門為光子制造設計的，具備準確性，靈活性或者速度，但不能同時滿足所有這些要求。在這里，我們介紹的是業界首次在量產環境下驗證的，同時具備高速度和高度靈性的貼片機平臺MRSI-HVM上實現3微米或更好的貼片后的精度，可用于大批量高混合的光子制造。

 

     大批量高混合光子制造的挑戰

圖1. 光學器件發展趨勢及裝配公差
 

圖1說明了光器件的發展趨勢，以及伴隨的器件裝配公差。新一代光器件要求更小的裝配公差和更高的貼片后的精度，因而需要更高精度的貼片機。貼片后的精度不僅取決于機器的精度，還取決于芯片和基板的公差，以及工藝的穩定性。總裝配公差限度是非常有限的，機器精度和工藝穩定性越高，可以留出更多容差給材料，而且封裝工藝成品率也會越高。要想達到<±3微米的貼片后的精度，芯片貼片機需要有穩定的<±1.5微米的機器精度。這種<±1.5微米@3σ的機器精度，加上高速度和高靈活性，對芯片貼片機供應商來說是一個巨大的挑戰。

附加的另一個挑戰是對更小和更高密度的組件的需求，這些組件可以降低光器件的功耗。對于要求共晶工藝的高密度的器件，需要提供特殊的高精度頂部加熱工具，以防止相鄰芯片在共晶過程中的二次回流。這種高精度脈沖加熱技術在高密度光學器件中是非常有用，但又給芯片貼片機帶來了更多的挑戰。另外，與硅基的電芯片不同，光子芯片通常非常脆弱，對貼片焊頭的結合力需要精準控制，這個也是非常關鍵的。【3】

圖2比較了顛覆性的基于云的新數據中心的業務模型與傳統的以電信為中心的業務模型。【4】 在這個比較中，新的基于云的數據中心模型要求包括一個滿足訂單規模的大型制造基地，同時可以即時提升產能，以及一個對成本敏感的價格。這意味著新的基于云的數據中心業務模型需要一個我們稱之為“彈性”的大批量生產。在5G時代，5G前傳類似于數據中心模式，5G后傳類似于電信模式。5G光學器件的長期趨勢是，它將是高速增長市場的一部分，這個市場對帶寬有不同的要求，即包括對不同高速收發器的需求。由于5G和數據中心市場上快速的技術創新和產品迭代，量產制造商需要比過去有更高的靈活性。這對光子器件供應商提出了新的挑戰。
 

圖2. 新的基于云的數據中心的模型與傳統的以電信為中心的模型比較
 

MRSI-HVM解決方案

MRSI的MRSI- HVM憑借高水平的靈活芯片貼片工藝和長期的機器穩定性，以行業領先的速度實現了<±3微米粘片后的精度(見圖3)。該機器旨在為光電子行業提供最新靈活的量產制造解決方案。為了達到<±3微米 @ 3σ的貼片后的精度，芯片貼片機本身應具有<±1.5μm @ 3σ的取放精度。該機器的設計配置了雙貼片頭和雙共晶臺，“在飛行中”實現吸頭工具的同步切換，可以在同一臺設備上實現適應于不同芯片貼片工藝的高速批量制造。此外，該解決方案還可以作為一個芯片貼片單元，支持光器件柔性制造系統中不同類型的芯片貼片工藝，以及與其他制造單元連接的連線系統，實現人工智能工廠。
 

圖3. MRSI-HVM 1.5微米的高速，高靈活性貼片機

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