大容量PIC组装和测试

许多报告将PIC市场增长放置在2025年以上超过20％的CAGR1甚至超过20％。因此，随着组装和测试的卓越自动化对于实现高批量生产，适用于每份可行的成本至关重要。

光子学技术正朝着更高层次的集成发展，多个组件和功能现在可以在单个设备或小型混合装配中使用。这被称为a光子集成电路。

由于不断增长的电信和数据通信需求(分别为互联网通信和云服务的数据中心)，发展的重点是满足带宽密度和功耗需求。

有效地传输数据已经成为人们最关心的问题，远远超过了绝对的处理能力。这导致这些部门成为持续发展的PICs背后的驱动力。

Photonics通常被认为是一个不可缺少的使能技术广泛的应用和工业过程，这意味着PIC已经自然地“涓滴”到其他Photonics使dsectors和应用。这反过来又增加了支持PIC生态系统所需的扩展基础设施的范围。许多人现在认为，技术基础设施已经足够稳定，可以成为主流。

新兴图片应用程序

除了电信和数据通信PIC应用之外，还存在不同的、强大的市场机会，利用类似的IR波长，受益于这些波长的现有开发成熟度。还有许多不同的应用，这些应用传统上希望在更可见的波长上使用微型化。

图1。激光雷达和其他光学传感器在汽车领域的应用将大幅增长。图片来源:pixelfit / iStock.com

前者的一个示例是逐步更先进的光学传感装置，专为（越来越多的自主）汽车应用而设计。越来越多的光学传感装置，例如延期雷达²，正被纳入各种汽车运输系统中。预计这一部门会遇到大量的动荡^3.在接下来的15到20年。

其他一些市场也值得考虑。其中包括:虚拟现实和增强现实应用(当它们影响消费者市场时，这些应用尤其重要);用于分散测试的生物光子学、OCT和生物医学传感设备(使用光流和/或BioMEM设备的即时诊断);利用大量的联网传感器(物联网(IoT))使我们周围的世界更“有意义”;射频光子学用于太赫兹技术、量子系统、国防和航空航天等。

这些应用程序都需要集成的光电设备，如果这些市场预测准确，则需要大量制造，装配，测试和适当的包装。

图2。增强/虚拟现实应用程序展示了证明PIC使用的卷尺。

为大容量做准备

传统上，设备生产 - 包括大多数光子应用空间 - 专为数十万个组件之间的卷而设计。在过去，在组装成完整的装置之前，已经将光子和微电子和微电子一起制造和整合，并测试并最终包装。

然而，当处理数以十万计甚至上百万计的光子器件时，“单独”和“离散”的程序不再是明智的方法。

对于PIC组装，各种主动/被动功能元件仍然必须安装和组合(杂交)到一个基础平台上。不是单一的技术平台提供所需的全部功能，而是各种不同的材料系统为PIC生态系统贡献了不同的功能构建块。

必须使这些是极其集成的，这意味着它们可以始终容纳晶圆级方法来装配和测试。将分割移动到生产线的实际情况下也有益。

在此和CMOS的情况之间存在相似性，其中通过降低元件分集来使能够通过降低元件分集来使能通过降低互相兼容的微平台的量来实现途径的途径。

分离的装配和测试方法对于低产量是令人满意的，但当需要相当高的产量时，完全不可行。

图3。在低体积中，离散的组装和测试方法已被接受，但在更高的制造体积中完全是不现实的。

光电子技术向更高集成的过渡需要光电子技术和电子技术的融合，贯穿于生产的每个方面(设计、制造、装配、测试和封装)，而不仅仅是在部件制造阶段。

这种方法的主要限制是，与用于微电子生产的CMOS工艺中常见的成熟度、规模(晶圆的数量)和自动化水平相比，PIC生态系统基础设施的当前发展状况仍然是相当初级的。

这种融合需要一些时间才能实现，主要是因为PICs的基础设施成熟度与CMOS相比不一致，累积起来大约需要40年。

机会可能存在于CMOS中获得的知识可以直接转移到PIC。通过实施在线测试程序，标准CMOS芯片的装配成本，标准CMOS芯片的成本减少到整个生产成本的10-20％ - 这只是知识转移潜力的一个例子。

光学装配和测试程序是瓶颈

原则上，总的生产方法用于图片与传统的微电子相同。光学探测要求的复杂性提高：

• 被测量的各种光学特性，如偏振或光谱特性、传输损耗、多(光纤)通道和温度敏感性
• 光波导或纤维元件的组装或探测（测试）需要采用亚100nm定位，而不是电接触所需的80×80μm焊盘（或更大）
• 光连接需要提供高可靠性、准确性和一致性，过程时间对整个设备周期时间有很大的影响

这些不同的需求有两个结果，它们与CMOS知识可以直接转换到pic的建议不一致。

第一次后果是，Pics的装配过程从几十秒到几十分钟内完成，对旨在实现这些任务的机器的复杂性奠定严格的要求。即使在考虑将单个照片的离散组装到设备中，也要达到令人满意的短暂循环时间，达到令人满意的短循环时间是非常具有挑战性的。

图4。使用具有6度自由度的对准系统将光纤阵列耦合到PIC。

第二种后果或问题是，随着PIC测试需要电气和光学探测，测试程序具有增加的复杂性。探测的每种方法都涉及自己的参数特定要求（DC /低频和电气的RF），以及需要不同的位置精度。

为了解决这些问题，PICs传统的光/电混合探头头通常会首先使用满足更有挑战性的光学要求的布局。

Ficontec一直在一系列举措和项目中追求这种方法，公司有机会在真正的制造环境中探索这些要求是非常有用的。

虽然有些过时，但一般认为PICs的^4.前端流程只增加了总生产成本的20%，而后端流程(组装、包装和测试)贡献了大约80%。

现实地，现在必须探索汇集的光学和电气测试程序套件，因此在这方面与CMOS发夹是不切实际的。

也就是说，可以合理地假设，至少尽可能地实现公认的cmos风格的内联测试基础设施和过程，可能有助于最小化这些后端成本。

高容量的装配和测试

由于产量的增加，需要向具有晶圆级能力的工艺转变。在晶圆环境中，不同的光学测试参数、总体引脚数和耦合类型/速度/精度都可能在整个工艺链中造成问题。此外，热的考虑变得更加重要，因为许多安装在PIC上的光学特性要么产生热量，要么对温度敏感。

由于在许多应用中，在组装步骤之后的返工几乎是不可能的，PIC设备制造商的特殊要求意味着测试是组装周期中越来越重要的一部分。

通过在开发阶段应用仔细设计原则，可以减轻这些问题，明确指定必须进行测试，概述必要测试何时必须进行什么，并通过提供合适的探测方法。

耦合是必须小心处理的重要考虑因素。边缘耦合提供了一些实际的好处，^5.然而，除非引入了补充的过程步骤，否则在切割之前通常是无法访问的。

光栅耦合器(vgc)提供晶圆级的设备访问，其中一种方法是在整个制造过程中将vgc作为“仅限测试”的过渡结构(可移动的光学测试点)。^6.

另一种方法是使用两者的组合-表面耦合用于晶圆级测试，甚至当边缘耦合封装器件时。

同样重要的是要考虑到表征过程，它可以发生在模块级和作为一个设备鉴定测试，后处理。在线表征和最终器件测试可能有不同的要求。

这些程序还必须考虑到任何特定应用程序的需求，如herome特性和/或环境需求，这在Telcordia和生物医学应用程序之间可能是非常不同的。最后，可能还需要进一步纳入第三方测试。

在大多数情况下，PIC生产中的装配布局和相关过程要求在电气I / O要求之前通过光学要求决定。如果稍后将最小化冲突，应尽早探索光学，电气，固定和布局考虑的全部范围。

然而，遗憾的是，而不是解决自动组装或可扩展性等方面，而是这些考虑仍然是源于特定于设备的特定需求。大批量产品一般倾向于专门定制的解决方案，使制造商能够实现性能，尺寸和/或成本节约的最佳组合。

经验表明，“光学优先”的方法更有利。对于光学探测的预对准，以及与光电探测方法相结合的晶圆级测试的某种程度的并行性，需要混合实际的想法。然而，没有真正的方法可以避免增加自动化的实现。

项目和举措

Ficontec已经开发出来一个新的晶圆级测试仪AIM Photonics系统^7.。该测试仪采用了Robotized晶圆加载方式完成 - 专为较高程度的光子集成而设计的并行活动之一。

该系统具有边缘耦合器和垂直光栅的自动测试周期，可灵活适应晶圆级和单片芯片的所有光电测试程序。

通过与PIXAPP的合作伙伴关系提供了朝着中小批量生产的封装图片的另一条路径。^8.目前正在为四个不同的应用领域——数据通信和电信、光纤传感和生物传感——开发解决方案，每一个都在预期的可靠性、成本影响和包装方面有自己的特殊挑战。

该关系由爱尔兰科克特泰缅国家研究所组织。^9.PIXAPP将为工业用户提供PIC供应链全面概述的单点访问，将设计工具与全自动测试、装配和包装系统连接起来。

fiicontec希望通过与各种合作伙伴及其特定需求的长期合作，提高对不同细分市场PIC组装和测试需求的了解。

图5。PIXAPP光电封装试点线的重点领域。图片信用：PIXAPP

ficicontec还与许多全球技术领域的知名领导者合作，在目前使用晶圆级工艺的生产项目上进行合作。这导致了显著的经验收获。以上概述的想法和例子反映了一些项目的概要:

• 开创性的装配开发，旨在减少低成本空气纯度传感器设备的周期时间，旨在非常大批量的汽车应用
• 在中等体积TOSA / ROSA应用中使用VGC将光纤耦合到PIC上
• 为创新的表面连接器技术开发定制处理系统，旨在使片上耦合(和测试)更容易
• 重要的过程自动化开发，以减少用于Datacom应用程序的硅光子组件组装的过程时间

为了充分理解客户的需求，ficicontec与客户的开发团队一起工作，要么直接与客户一起开发所需的系统，要么在可用的系统框架和功能内进行调优。

在某些情况下，这些合作伙伴已经在监督高档生产所需的必要流程和系统更改的实施。

然而，这些实现并不只是看到多个生产线在相同的任务上并行运行。另外还有一层控制，它以公共版本控制服务器的形式存在。和系统范围的更新一样，这允许自动和远程地实现单个流程更新。

通过这些先进的自动化程序将很快将不可避免的任何组织转换到增加产量，同时希望平衡设备复杂性的生产成本。

前景

虽然在快速组装和测试方面可能存在一些障碍图片在美国，可以通过改进自动化和工艺开发来提高光子器件的生产。与微电子技术一样，指示总体生态系统的标准将被开发，这些标准最终将导致更有能力的测试和组装系统。

fixtec在光子器件的测试、组装和封装领域的工作持续增长。

自2001年以来，该公司在全球安装了800多个系统。这种经验还表明，即使是现在，对新系统的请求几乎完全包括非常不同的需求。

所有这些系统开发的中心主题是在适当的时间内设计生产过程，并考虑到可用工具的范围。

参考资料及进一步阅读

1. 市场研究人员的例子预测了大量的PIC市场增长潜力：https://bit.ly/2k8vj2q.那https://bit.ly/2k5oyk1.,https://bit.ly/2wRMzvX
2. LIDAR技术：https://bit.ly/2IWZTVp
3. 汽车行业的波动性和增长潜力:https://bit.ly/2s1zjiC
4. PIC路线图示例:JEPPIX roadmap 2018，第37页
5. “用于硅光子学高通量测试的晶圆尺度高密度边缘耦合”，R. Polster等人，OFC 2018 -参见AIM photonics
6. “光子集成电路的自主测试”，M. Milosevic, SPIE 10108, si Photonics XII, 1010817 (2017/02/20)
7. 目标光子的链接：http://www.aimphotonics.com/
8. PIXAPP链接:https://pixapp.eu/
9. 链接到Tyndall National Institute：https://www.tyndall.ie/about-us.
10. 链接到euroatom EU Horizon 2020计划信息:https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/h2020-section/euratom
11. 链接到EMVA计划信息:http://www.emva.org/

此信息已采购，从Ficontec Service GmbH提供的材料进行审核和调整。欧洲杯足球竞彩

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