Проволочное соединение для оптических устройств

Оптические устройства, включая лазерные диоды (ЛД), фотодиоды (ФД), VCSEL, оптические трансиверы и компоненты LiDAR, требуют высоконадежных электрических соединений для обеспечения стабильных оптических характеристик и долговременной надежности. Среди доступных технологий межсоединений, проволочное соединение остается одним из наиболее широко используемых решений благодаря превосходной точности склеивания, низкому контактному сопротивлению и совместимости с крупносерийным производством.

По сравнению с традиционной упаковкой интегральных схем, упаковка оптических устройств предъявляет более строгие требования к точности соединения, контролю напряжений, теплоотводу и целостности сигнала. Хорошо контролируемый процесс проволочного соединения не только улучшает электрические характеристики, но и помогает поддерживать эффективность оптической связи и продлевает срок службы устройства.

В данном руководстве подробно описан полный процесс проволочного монтажа оптических устройств, рекомендуемое оборудование и типичные области применения в оптической связи, модулях VCSEL, лазерных диодах, фотодиодах и системах LiDAR.

Процесс проволочного соединения оптических устройств

Соединение проводников является одним из наиболее важных этапов в корпусировании оптических устройств, напрямую влияющим на электрические характеристики, целостность сигнала и долговременную надежность.

1. Обработка пластин

Оптические чипы изготавливаются на полупроводниковых пластинах, после чего из них формируются отдельные кристаллы.

2. Нарезка кубиками

Разделение отдельных стружек с использованием лазерной маскировки или тонколезвийной пилы для минимизации повреждений кромок и граней.

3. Склеивание кристаллов

Крепление чипа к подложке или радиатору, как правило, с помощью эвтектической пайки AuSn для мощных лазеров, с точностью позиционирования в пределах ±1-3 мкм.

4. Плазменная очистка

Активация поверхности контактных площадок для удаления оксидов и органических остатков перед склеиванием.

5. Оптическая юстировка и сборка (уникальный ключевой этап для оптических устройств)

Активная или пассивная юстировка волокон/линз для максимизации эффективности связи (нанометровая точность); это уникальная особенность оптических корпусов.

6. Соединение проводов – основной процесс

методы склеивания Для лазерных диодов, VCSEL и высокоскоростных фотодиодов клиновидная сварка значительно предпочтительнее шариковой, поскольку она обеспечивает меньшую паразитную индуктивность, более плоские профили петель и снижение механического напряжения на хрупких оптических гранях — что крайне важно для высокочастотных сигналов и узких резонаторов TO-типа.

Материалы для проволоки Золотая проволока (чистота ≥ 99,99 %) является отраслевым стандартом, обеспечивая превосходную стойкость к окислению, стабильную свариваемость и широкий технологический диапазон. Медная проволока дешевле и имеет на 26 % более высокую теплопроводность (401 Вт/м·К), что способствует рассеиванию тепла, но требует использования формовочного газа (N₂/H₂) для предотвращения окисления и более жесткого контроля процесса. Медная проволока с палладиевым покрытием представляет собой сбалансированный компромисс между стоимостью и коррозионной стойкостью.

Критические параметры соединения Взаимодействие ультразвуковой мощности, силы сцепления и времени определяет качество соединения. Недостаточная мощность или сила приводят к слабым соединениям; чрезмерные значения вызывают образование кратеров на контактных площадках или повреждение чипа. Типичные диапазоны для золотой проволоки диаметром 20–50 мкм на золотых/алюминиевых контактных площадках составляют 60–120 мВт, сила 20–50 гс, время 10–30 мс, но должны быть оптимизированы для каждого устройства отдельно.

Профиль петли и управление разверткой Высота петли должна быть минимизирована для уменьшения индуктивности и предотвращения короткого замыкания на крышку, при этом должен быть обеспечен зазор. Геометрия петли (стандартная, обратная, низкопрофильная) выбирается в зависимости от расположения контактных площадок. Во время герметизации необходимо обеспечить перемещение проволоки (боковое смещение). <5 % от длины пролета для предотвращения коротких замыканий. Усовершенствованные бондеры предлагают программируемые последовательности многократных изгибов.

Гарантия качества Встроенная система автоматического оптического контроля (AOI) проверяет форму стежка и геометрию петли. Испытания на разрыв проволоки измеряют усилие разрыва (в соответствии со стандартами MIL-STD-883 или GR-468). Испытания на сдвиг стежка оценивают прочность соединения. Ультразвуковой мониторинг на месте обеспечивает обратную связь в режиме реального времени, позволяя немедленно отбраковывать дефектные соединения.

7. Герметичная инкапсуляция

Герметизация упаковки (параллельный шов для TO-can, лазерная сварка для бабочковидной/боксовой упаковки) в инертном газе.

8. Обнаружение утечек гелия

Проверяет герметичность упаковки — обязательный квалификационный показатель для лазерных устройств.

9. Предварительный отбор

Высокотемпературная, контролируемая с помощью электропитания проверка на прочность позволяет предотвратить преждевременные отказы.

10. Оптоэлектронные и высокочастотные испытания

В ходе испытаний измеряются оптическая мощность, пороговый ток, длина волны, чувствительность и S-параметры.

11. Упаковка

Окончательная упаковка для отправки.

Почему проволочное соединение имеет решающее значение в упаковке оптических устройств?

Высокая точность склеивания для миниатюрных оптических чипов.

Контактные площадки для оптических чипов чрезвычайно малы — площадки для VCSEL могут быть размером всего 95 мкм × 157 мкм, а диаметр проволоки составляет всего 20-25 мкм. Проволочное соединение обеспечивает точность позиционирования на микронном уровне, удовлетворяя жестким требованиям к позиционированию оптических чипов. Оптоэлектронные чипы очень чувствительны к механическим напряжениям при соединении; поэтому практически повсеместно используется соединение золотыми шариками или прецизионное клиновое соединение.

Стабильные электрические характеристики и низкое контактное сопротивление.

При проволочном соединении металлургическая связь создается за счет пластической деформации на границе раздела, вызванной ультразвуковой энергией и силой. Это твердотельное соединение обеспечивает чрезвычайно низкое контактное сопротивление, гарантируя высококачественную передачу высокочастотных сигналов. Для оптических коммуникационных устройств особенно важна низкая паразитная индуктивность.

Поддерживает различные материалы проволоки для гибкой адаптации.

Технология проволочного соединения поддерживает использование проволоки из золота, меди и алюминия:

золотая проволока – Отличная химическая стабильность и стойкость к окислению; предпочтительный материал для упаковки оптических устройств. Золотая проволочная сварка демонстрирует исключительно хорошие результаты на VCSEL и других высокотехнологичных устройствах, превосходя требования заказчика. Требуется чистота золота 99,99 % или выше.
медная проволока – Теплопроводность составляет 401 Вт/(м·К), что на 26 % выше, чем у золота, обеспечивая лучшее рассеивание тепла; стоимость составляет всего 10-30 % от стоимости золотой проволоки. Однако медь склонна к окислению, и технологический диапазон её применения уже. Окисление можно уменьшить, вводя газообразные соединения азота/водорода во время сварки.
Медная проволока с палладиевым покрытием – Сочетает в себе ценовое преимущество меди с устойчивостью золота к окислению, что привлекает все больше внимания в области оптоэлектронной упаковки.

Подходит для крупносерийного производства.

Преимуществами технологии проволочного соединения являются зрелое автоматизированное оборудование и отработанные процессы. Процент дефектов при соединении может быть ниже 25 ppm, а шаг контактных площадок — всего 20 мкм, что отвечает требованиям массового производства оптических устройств. Для многоканальных устройств, таких как массивы VCSEL, поддерживается параллельное многопроводное соединение.

Рекомендуемое оборудование

Оборудование	Цель	Основные характеристики
Автоматический станок для склеивания проводов	Высокоточные электрические соединения	Нанометр-ровное позиционирование, ограниченные опорыработа в полости, клиновидныйрежим связи
Эвтектический связующий материал для кристаллов	Высокий-точное размещение микросхем	Допуск на размещение ±1-3 мкм
Очиститель плазмы	Активация поверхности контактных площадок для склеивания	Удаляет оксиды и органические остатки.
Автоматизированная система оптического контроля (АОИ)	Проверка качества облигаций	Проверяет форму стежка и профиль проволочной петли.
Измеритель прочности проволоки на разрыв / шаровой нож	проверка прочности соединения	Оценивает надежность соединения.

Типичные области применения

Оптические трансиверы – Высокоплотное многоканальное проволочное соединение в COB (чип на плате) для интеграции высокоскоростных модулей
Лазерные диоды – Мощные оптические коммуникационные устройства для передачи данных на большие расстояния в корпусах типа «бабочка», требующие многослойных соединений по сигналу, температурному контролю и питанию.
Фотодиоды – Корпуса TO-can с межсоединениями, выполненными методом клиновидного монтажа.
VCSEL-модули – Приложения для LiDAR и 3D-сканирования, требующие выравнивания линз и многоканального параллельного проволочного соединения; для верхних контактов VCSEL предпочтительным методом межсоединения является золотое проволочное соединение.
компоненты LiDAR – Электропроводное соединение для сложных устройств, таких как 128-канальные оптические фазированные антенные решетки (ОПА).
Инфракрасные датчики и детекторы – Требование высокой стабильности прочности сцепления

Как выбрать устройство для сварки проводов в оптических устройствах

Устройство	Рекомендуемая машина	Элемент
VCSEL	Автоматический аппарат для склеивания клиновидной проволоки	HY-WB900
Лазерный диод	Прецизионный клиновидный клеевой инструмент	HY-WBH790
Фотодиод	Сварочный аппарат для проволоки типа «шар/клин»	HY-LS3000
Оптический приемопередатчик	Высокоскоростной автоматический станок для склеивания проводов	HY-WB700P
Модуль LiDAR	Многоканальный проволочный бондер	HY-HW3850

Почему стоит выбрать Hyrnus?

Более 17 лет опыта
Индивидуальные решения
Глобальная техническая поддержка
Более 50 инженеров-исследователей и технических специалистов.
Более 40 стран и регионов обслуживания.
Более 200 реализованных проектов

Ищете комплексное решение для упаковки оптических устройств?

Упаковка оптических устройств методом проволочного монтажа включает в себя множество ключевых процессов – прецизионное крепление кристалла, оптическую юстировку, клиновидную сварку и герметичное уплотнение – каждый из которых требует специализированного оборудования и технологических знаний. Команда Hyrnus стремится предоставлять комплексные решения для оптоэлектронной промышленности, охватывающие выбор оборудования, оптимизацию процессов и поддержку производства.

Свяжитесь с нашей инженерной командой.

Часто задаваемые вопросы

Почему в корпусировании оптических устройств используется проволочное соединение?

Проволочное соединение обеспечивает надежные электрические соединения с низким сопротивлением, а также обладает дополнительными преимуществами, такими как отработанные технологические процессы, высокоавтоматизированное оборудование и пригодность для крупномасштабного производства. Для термочувствительных устройств, таких как VCSEL, проволочное соединение может выполняться при низких температурах без ухудшения оптоэлектронных характеристик.

Можно ли использовать медную проволоку для соединения проводов в оптических устройствах?

Да. Медная проволока обеспечивает более низкую стоимость и лучшую теплопроводность, но она подвержена окислению и имеет более узкий технологический диапазон. В корпусировании оптических устройств золотая проволока остается наиболее надежным вариантом. Выбор материала проволоки следует оценивать с учетом конструкции корпуса, технологических требований и целевых показателей надежности.

Чем отличается проволочное соединение оптических устройств от стандартного проволочного соединения интегральных схем?

Ключевые отличия включают в себя:

(1) Оптические устройства почти исключительно используют клиновидную сварку вместо шариковой сварки для уменьшения паразитной индуктивности;

(2) Напряжение сцепления должно более тщательно контролироваться, чтобы избежать повреждения оптических граней;

(3) Для защиты полупроводниковых материалов требуется низкотемпературное соединение;

(4) Высота петли должна строго контролироваться, чтобы предотвратить контакт с крышкой или корпусом.

Как можно обеспечить надежность проволочного соединения?

Надежность следует контролировать посредством:

(1) Оптимизация параметров процесса – ультразвуковой мощности, силы склеивания и времени склеивания;

(2) Поддержание чистоты и хорошего металлизирования поверхностей контактных площадок;

(3) Строгий контроль высоты и формы петли во избежание коротких замыканий или контакта с упаковкой;

(4) Проверка с помощью испытаний на сдвиг шарика/вытягивание проволоки и прогрева. Исследования показывают, что высота, диаметр и кривизна соединительной проволоки существенно влияют на напряжение соединения.