大批量PIC组装和测试

许多报告指出，到2025年，PIC的市场增长率将超过20%，甚至更高。正因为如此，装配和测试的高级自动化对实现以可行的每件成本进行大批量生产至关重要。

光电子技术是看到向更高集成水平的移动，具有多个组件和功能现在正在单个设备或小型混合组件内可用。这就是所谓的光子集成电路（PIC）．

发展一直专注于满足带宽密度和功耗需求，由于日益增加的电信和数据通信（分别为互联网通信和云服务数据中心）的要求。

在传输数据和进行有效地已成为最令人关注的，远远超过了绝对的处理能力。这导致了这些行业成为太平洋岛国的不断发展的原动力。

光电子技术被普遍认为是广泛应用和工业过程中不可或缺的使能技术，这意味着PIC已自然地“渗透”到其他光电子使能部门和应用中。这反过来又导致扩大支持PIC生态系统所需的基础设施的范围。许多人现在认为，技术基础设施足够稳定，可以纳入主流。

PIC的新兴应用

除了电信和数据通信应用PIC，不同的，强大的市场机遇存在其利用类似的红外波长，在这些波长从现有的发展成熟度中受益。的应用的多样化也存在这些都是通常看着使用小型化的更多的可见波长。

图1所示。激光雷达和其他用于汽车的光学传感器应用将显著增长。图片来源：pixelfit/iStock.com

前者的一个例子是为(越来越多的自动驾驶)汽车应用而设计的越来越先进的光学传感设备。越来越多的光学传感设备，如激光雷达²，正被纳入各种汽车运输系统。预计这个行业将经历巨大的动荡^3.在接下来的15到20年里。

其他一些市场是非常值得考虑的。这些措施包括：虚拟和增强现实应用程序（当它们影响到消费市场，这些都是特别重要）;生物光子学，OCT和分散测试（定点护理诊断，其利用光流体和/或BioMEM设备）的生物医学感测设备;让世界上更多的“感觉”我们周围使用了大量联网的传感器（物联网（IOT）的互联网）;并用于太赫兹技术，量子系统，国防和航空航天，以及其他RF光子。

这些应用都需要集成光电子器件，如果这些市场预测是准确的，则需要大批量生产、组装、测试和适当的封装。

图2。增强/虚拟现实应用程序显示了证明PIC使用的容量规模。

准备为高容量

传统上，设备生产——包括大多数光子学应用空间——是为成百上千的组件设计的。在过去，光子学和微电子学都是先单独制造和集成，然后再组装成一个完整的设备，进行测试并最终封装。

然而，随着光子器件的量在几十万甚至上百万，“个人”和“独立”的程序不再是明智的做法的时候。

对于PIC组件，各种主动/被动功能元件仍必须安装并组合（混合）到基础平台上。不同的材料系统为PIC生态系统提供了不同的功能构建块，而不是单一的技术平台，提供了所需的全部功能。

它们必须具有高度的集成能力，这意味着它们总是能够适应晶圆级的组装和测试方法。在实际情况下，将模拟移到生产线的最下面也是有益的。

这与CMOS的情况有相似之处，在CMOS中，通过减少元素多样性，进而通过减少相互兼容的微平台来实现大批量、晶圆规模的生产。

单独组装和测试的方法是令人满意的用于低体积，但是需要显着更高的制造卷时完全不可行的。

图3。在低产量情况下，离散装配和测试方法是可以接受的，但在高产量情况下是完全不现实的。

向光电子集成增加了过渡既需要光子和电子装置的收敛性，在整个生产过程的各个方面（设计，制造，组装，测试和包装），而不是仅仅在元件制造阶段。

这种方法的主要限制是PIC生态系统基础设施的发展现状仍然很不成熟与成熟度相比，规模是很常见的CMOS工艺的微（晶圆的数量）和自动化水平电子产品的生产。

这种融合将需要一段时间，主要是由于PIC的基础设施成熟度与CMOS相比不一致，加起来大约需要40年。

可能存在这样的机会，在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芯片的组装、测试和封装成本降低到整个生产成本的10- 20%，这只是这种知识转移潜力的一个例子。

光学组件和测试程序的瓶颈

原则上，总体生产方法用于图片和传统的微电子学是一样的。复杂性的增加是由光学探测需求引起的:

• 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）通道和温度灵敏度
• 组装或测试光波导或光纤元件需要使用低于100纳米的定位，而电接触需要80 x 80微米(或更大)的μ m垫
• 光连接需要提供高可靠性、准确性和一致性，处理时间对整个设备周期时间有很大影响

这些不同的需求有两成方面的后果，以及它们与建议，CMOS知识可以直接换位到太平洋岛国不一致。

第一个结果是，PICs的组装过程需要几十秒到几十分钟的时间才能完成，这对完成这些任务的机械设计的复杂性提出了严格的要求。要在不危及产量的情况下获得令人满意的短周期时间是一项极具挑战性的工作，即使考虑到将正弦PICs离散地组装到器件中。

图4。使用6自由度对准系统将光纤阵列耦合到PIC上。

第二个后果或问题是，由于PIC测试需要电学和光学探测，测试过程增加了一层复杂性。每一种探测方法都涉及到它自己的一组特定参数要求(电气的DC/低频和RF)，以及需要不同的位置精度。

为了解决这些问题，传统的混合式光学/电探针头的PIC通常，满足更具挑战性的光学要求第一利用布局。

ficicontec在一系列的计划和项目中一直在追求这种方法，对于公司来说，有机会在真正的制造环境中探索这些需求将非常有用。

虽然是略显过时，但一般的理解是太平洋岛国⁴前端流程只会增加总生产成本的20%，而后端流程（组装、包装和测试）约占80%。

实际上，现在必须开发一套光学和电气测试程序，因此在这方面假定与CMOS一致是不切实际的。

这就是说，它有可能被认为是公认的实现CMOS式在线测试基础设施和手续，至少需要尽可能的，可能有助于减少这些后端成本。

装配和测试的更高容量

到晶片级功能的过程的换档是必需的因为增加卷。在晶片的环境中，不同的光学测试参数，整体引脚数和耦合类型/速度/精度可以在整个过程链中的所有姿势的问题。此外，热的考虑变得更加重要，因为容纳在一个PIC许多光学特征或者产生热或对温度敏感。

由于组装步骤之后再加工在许多应用中几乎是不可能的，PIC设备制造的专业要求意味着测试是组装周期的一个越来越重要部分。

这些问题可以通过在开发阶段应用仔细的设计原则、明确规定必须测试什么、概述必需测试的时间和级别以及提供适当的探测方法来缓解。

耦合是一个重要的考虑因素，必须小心处理。边缘耦合提供了一些实际好处，⁵然而，除非引入补充工艺步骤，否则在切割之前通常无法访问。

通过光栅耦合器（VGC）提供晶圆级的设备访问，其中一种方法包括VGC作为整个制造过程中的“仅测试”过渡结构（可移动光学测试点）。⁶

另一种方法使用两者的组合——表面耦合用于晶圆级测试，即使在边缘耦合封装器件时也是如此。

同样重要的是，要考虑到在模块级以及作为设备鉴定测试、后处理时可能发生的表征过程。在线表征和最终设备测试可能有不同的要求。

这些程序还必须在任何特定应用的需求，如厄密和/或环境方面的需要，其可以是Telcordia的和生物医学应用之间非常不同的因素。最后，可能会有进一步指出，必须纳入第三方测试。

在大多数情况下，PIC生产中的装配布局和相关工艺要求是由光学要求决定的，而不是电气I/O要求。如果要尽量减少以后的冲突，就应该尽早探索光学、电气、夹具和布局方面的全面考虑。

然而，不幸的是，这些考虑仍然主要来自于当前特定于设备的需求，而不是解决自动化装配或可伸缩性等方面。大容量产品通常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，一个“光学第一”方法可以证明更有利。的用于探测的光学预对准实际想法的混合，以及用于晶片级测试的一定程度的并行性与所需的光/电探针的方法进行组合。然而，有，避免增加的自动化执行的没有真正的方法。

项目和计划

ficonTEC已经开发了一个新的晶片级测试器系统AIM光电⁷．这个测试器完成了自动化晶圆加载，这是为更高程度的光电子集成而设计的几个并行活动之一。

具有自动测试周期为两个边缘耦合器和垂直光栅，该系统已经被开发以灵活地适应两个晶片级和单独的芯片的所有的光学和电学测试程序。

通过与PIXAPP的合作，可以实现小型和中型封装PICs的生产。⁸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）开发的解决方案在预期可靠性、成本影响和封装方面各有其独特的挑战。

这种关系是由爱尔兰科克的廷德尔国家研究所组织的。⁹PIXAPP将工业用户用单点访问提供到PIC供应链的全面概述，设计工具链接到完全自动化的测试，装配和包装系统。

ficonTEC希望获得PIC的有更好的了解装配，并通过这种与合作伙伴和他们的特定需求的多样化的长期测试工作在各个细分市场的需求。

图5。PIXAPP光电封装试点线的重点领域。图片来源:PIXAPP

ficonTEC还与全球技术众多高知名度的领导人合作，合作开发目前在生产中使用晶圆级工艺项目。这导致显著的经验收益。上述的观点和实例是由一些这些项目提要镜像：

• 为降低低成本空气纯度传感器设备的周期而设计的开创性组装开发，旨在实现大批量汽车应用
• 在中等容量TOSA/ROSA应用中，使用VGC将光纤耦合到PIC上
• 创新的表面连接技术，它的目的是使芯片耦合（和测试）更容易定制处理系统的发展
• 为减少用于数据通信应用的硅光子学组件组装的过程时间而进行的重大过程自动化开发

ficonTEC作品旁边一个客户的开发团队，以充分了解他们的需求，无论是与客户直接合作开发所需的系统或现有系统的框架和能力范围内调整这些。

在某些情况下，这些合作伙伴已经监督的需要高档生产的关键工艺和系统变更的实现。

这些实现不只是看到在同一任务并行运行的多条生产线，但是。控制的一个额外的层是在适当位置，在一个共同的版本控制服务器的形式。以及全系统的更新，这允许自动和远程执行个别处理更新。

采用这些先进的自动化程序将很快不可避免的任何组织过渡到增加的生产数量，同时希望平衡生产成本和设备的复杂性。

外表

然而，在快速组装和测试过程中可能存在许多障碍图片，光子器件的制造可以通过改进的自动化和工艺开发而增强。与微电子，这决定了总体生态系统的标准将被制定，并且这些标准最终将导致更多的能力测试和组装系统。

ficonTEC在测试，组装和包装光子器件领域的工作仍在继续增长。

其专业知识，从2001年以来，这方面的经验安装在世界各地800多个系统也显示，即使是现在，对新系统的请求几乎全部包括非常明显的需求造成的。

在所有这些系统的发展的核心主题已成为生产过程中的适当定时设计，同时考虑到可用工具的范围。

参考和进一步阅读

1. 市场研究人员预测PIC市场增长潜力巨大的例子:https://bit.ly/2k8vJ2q，https://bit.ly/2k5OYK1， 和https://bit.ly/2wRMzvX
2. 激光雷达技术: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：2018年JEPPIX路线图，第37页
5. “用于硅光子学高通量测试的晶圆级高密度边缘耦合”，R。Polster等人，OFC 2018–另见AIM光子学
6. “走向光子集成电路的自主检测”，M.米氏，PROC。SPIE 10108，硅光子XII，1010817（2017年2月20日）
7. 链接到Aim Photonics:http://www.aimphotonics.com/
8. 指向PIXAPP的链接：https://pixapp.eu/
9. 链接到廷德尔国家研究所:https://www.tyndall.ie/about-us
10. 链接到欧洲原子能共同体欧盟展望2020方案的信息：https://ec.europa.eu/programmes/horizo​​n2020/en/h2020-section/euratom
11. 链接到EMVA计划信息:http://www.emva.org/

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