光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移分析

邵良濱，黃春躍，黃 偉，梁 穎，李天明

(1. 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004;2. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，成都 610021;3. 桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車與動(dòng)力工程系，桂林 541004)

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工程與應(yīng)用

光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移分析

邵良濱1，黃春躍1，黃 偉1，梁 穎2，李天明3

(1. 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004;2. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，成都 610021;3. 桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車與動(dòng)力工程系，桂林 541004)

建立了光互連模塊三維有限元分析模型，對(duì)其進(jìn)行了再流焊溫度載荷下的有限元分析，獲取了光互連模塊關(guān)鍵位置處垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)發(fā)光中心點(diǎn)與耦合元件耦合中心點(diǎn)間的焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值；對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移影響因子進(jìn)行單因子分析，結(jié)果表明：所選取的焊球材料中，焊料63Sn37Pb對(duì)應(yīng)的光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值最小；所選取的焊球體積范圍內(nèi)，隨著焊球體積增加，光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移逐漸增大。

光互連模塊；關(guān)鍵位置；再流焊接；對(duì)準(zhǔn)偏移；有限元分析

0 引 言

伴隨著數(shù)字化進(jìn)程，數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)难杆侔l(fā)展，傳統(tǒng)電互連技術(shù)在功率損耗、信號(hào)傳輸速度、信號(hào)干擾失真、信號(hào)衰減和時(shí)延、系統(tǒng)散熱等方面存在的問題嚴(yán)重地限制了集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于新型互連方式的探索極為必要。光互連技術(shù)因其高空間時(shí)間帶寬積、抗電磁干擾性強(qiáng)、互連密度高、傳輸速率快、功率損耗低、優(yōu)良的系統(tǒng)散熱性等優(yōu)點(diǎn)，有望解決電互連技術(shù)所遇到的問題[1]。

一種典型的光互連模塊連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[2]，該結(jié)構(gòu)包括：VCSEL、VCSEL驅(qū)動(dòng)器、兩層BGA焊球、三層PCB、埋入式光纖、光電二極管檢測(cè)器陣列(Photodiode array，PD)和PD驅(qū)動(dòng)器。其中，三層PCB通過兩層BGA焊球相連接，上層PCB用于安裝VCSEL和PD等光學(xué)器件，中層PCB用于固定耦合元件，下層PCB用于埋入光纖。光互連模塊連接結(jié)構(gòu)中，VCSEL驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)VCSEL發(fā)射激光，激光通過耦合元件耦合進(jìn)入埋入式光纖，模塊接收端的耦合元件將光纖中激光傳輸至PD，完成光信號(hào)互連傳輸。

圖1 典型光互連模塊結(jié)構(gòu)示意圖

光信號(hào)在光互連模塊不同分立器件間的耦合效率問題是光互連技術(shù)的關(guān)鍵所在，圖1左側(cè)放大區(qū)域，即發(fā)光器(VCSEL)將光耦合進(jìn)入光耦合元件處為光互連模塊關(guān)鍵位置[3]，該位置VCSEL與耦合元件間存在垂直、水平和軸向?qū)?zhǔn)偏移，影響耦合元件對(duì)光的耦合作用，降低光互連模塊光耦合效率。針對(duì)光互連模塊的對(duì)準(zhǔn)偏移與耦合效率問題，Doany等人[4]對(duì)基于VCSEL的48通道光互連模塊中的耦合效率進(jìn)行了研究，指出模塊中的多模光纖矩陣在X和Y方向上的安裝偏移是影響耦合效率的關(guān)鍵因素；Brusberg等人[5]對(duì)光纖與光波導(dǎo)之間的安裝位置偏移與耦合效率的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在X軸、Y軸方向上±10 μm的位置偏移分別會(huì)造成1.5 dB和0.5 dB的耦合損耗；Jeong等人[6]對(duì)一種新型光互連模塊的位置偏移與耦合損耗之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模塊的耦合損耗顯著與否取決于VCSEL與多模光纖間的距離；吳松等人[7]對(duì)熱循環(huán)加載條件下焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)對(duì)板級(jí)光互連模塊對(duì)準(zhǔn)偏移影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明VCSEL焊點(diǎn)高度對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響顯著。

上述學(xué)者僅對(duì)機(jī)械安裝后和熱循環(huán)工作環(huán)境中的光互連模塊光傳輸對(duì)準(zhǔn)偏移與耦合效率進(jìn)行研究，并未對(duì)焊接封裝后的光互連模塊對(duì)準(zhǔn)偏移問題進(jìn)行分析。由于光互連器件使用前需要進(jìn)行焊接封裝，而焊接過程中基板和PCB的熱膨脹系數(shù)失配將導(dǎo)致光互連模塊關(guān)鍵位置處產(chǎn)生初始對(duì)準(zhǔn)偏移，初始對(duì)準(zhǔn)偏移會(huì)一直存在于器件的后期使用過程中，持續(xù)影響光互連模塊的正常工作。因此，如何減小焊后初始對(duì)準(zhǔn)偏移對(duì)于提高光互連模塊的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性至關(guān)重要，已成為進(jìn)一步提髙光互連模塊耦合效率的關(guān)鍵性問題。本文選取光互連模塊為研究對(duì)象，利用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行再流焊接模擬，得到了關(guān)鍵位置的對(duì)準(zhǔn)偏移結(jié)果?；趩我蜃臃治龇?，分析了BGA焊球的材料參數(shù)(不同成分釬料合金、熱膨脹系數(shù)和彈性模量等)和幾何形態(tài)參數(shù)(焊球體積、焊盤半徑)對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置處焊后對(duì)準(zhǔn)偏移量產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果可為減小光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移提供焊球材料選用和形態(tài)設(shè)計(jì)方面理論指導(dǎo)。

1 光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移有限元分析

1.1 典型光互連模塊三維有限元模型

由于圖1光互連模塊具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，因此建立了光互連模塊1/2有限元模型作為分析對(duì)象，并省略VCSEL驅(qū)動(dòng)器等非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)器件，如圖2所示，模型各部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示，各部分結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示，其中BGA焊球模式處理為粘塑性，有限元網(wǎng)格類型為VISCO107，PCB、耦合元件、光纖等假設(shè)為線彈性材料，有限元網(wǎng)格類型為SOLID45，得到光互連有限元模型單元數(shù)為227603，節(jié)點(diǎn)數(shù)為50186。

圖2 典型光互連模塊有限元模型

光互連有限元模型所采用的加載方式為再流焊溫度加載，再流焊接工藝溫度曲線通常由4個(gè)溫區(qū)組成，即預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、再流區(qū)和冷卻區(qū)，如圖3所示。光互連有限元模型邊界條件為下層PCB兩底部角點(diǎn)施加全約束，由于選用二分之一對(duì)稱模型，因此下層PCB中間橫截面施加對(duì)稱面約束。

圖3 Sn-Pb共晶焊料再流曲線[8]

1.2 典型光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移有限元分析結(jié)果

由于光互連模塊中各部件材料的熱膨脹系數(shù)失配，尤其是焊球材料的粘塑特性使其對(duì)溫度變化敏感，各部件在經(jīng)歷再流焊溫度加載后，產(chǎn)生了熱應(yīng)力進(jìn)而引起熱變形，同時(shí)考慮模型焊后殘余應(yīng)力的影響，導(dǎo)致光互連模塊關(guān)鍵位置產(chǎn)生了水平和垂直方向位移(由于關(guān)鍵位置軸向位移容差較大，對(duì)光互連模塊耦合效率影響較小[9]，因此本文僅考慮關(guān)鍵位置水平位移和垂直位移)，如圖4和圖5所示。

圖4 關(guān)鍵位置焊后水平方向位移云圖

圖5 關(guān)鍵位置焊后垂直方向位移云圖

由圖4可知，光互連模塊關(guān)鍵位置焊后水平位移從上到下逐漸增大，最小水平位移位于上層PCB頂端，最大水平位移位于耦合元件底端。由圖5可知，光互連模塊關(guān)鍵位置焊后最大垂直位移位于上層PCB左端，最小垂直位移位于上層PCB右端。由于光互連模塊關(guān)鍵位置焊后各部位位移不一致，從而導(dǎo)致VCSEL發(fā)光中心點(diǎn)a和耦合元件光耦合中心點(diǎn)b在水平面上產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)偏移S(S為點(diǎn)a和點(diǎn)b間水平對(duì)準(zhǔn)偏移與垂直對(duì)準(zhǔn)偏移合成值)，即：

(1)

式中，xa和ya表示關(guān)鍵點(diǎn)a水平偏移值和垂直偏移值；xb和yb表示關(guān)鍵點(diǎn)b水平偏移值和垂直偏移值。

對(duì)光互連模型焊后有限元分析結(jié)果進(jìn)行讀取，得到了發(fā)光中心點(diǎn)a和光耦合中心點(diǎn)b的水平和垂直方向偏移值，由式(1)計(jì)算光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值S為0.436 μm，如表3所示。

表3 2080 s關(guān)鍵點(diǎn)a、b對(duì)準(zhǔn)偏移結(jié)果

2 光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移單因子分析

2.1 焊球材料對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移影響分析

為了研究不同焊球材料對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移的影響，保持光互連模型尺寸參數(shù)(表1)和其他結(jié)構(gòu)材料參數(shù)不變，僅改變上/下層BGA焊球材料屬性且保持二者相同，分別對(duì)焊料為63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag、SAC305、96.5Sn3.5Ag的光互連模塊進(jìn)行焊后有限元分析，得到焊料對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響如表4和圖6所示。

表4 焊料對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響

圖6 焊料對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響

由表4和圖6可知，不同焊料的光互連模塊，其關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值各不相同，所選取焊料中，焊料63Sn37Pb對(duì)應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)偏移值最小，為0.436 μm，焊料62Sn36Pb2Ag對(duì)應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)偏移量最大，為0.702 μm，兩種焊料對(duì)應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)偏移值相差38%。因此在光互連模塊實(shí)際設(shè)計(jì)制作過程中，選用 63Sn37Pb焊料可以有效降低光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值，從而提高光互連模塊光傳輸?shù)鸟詈闲省?/p>

2.2 焊球體積對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移影響分析

為考察焊球體積變化對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移產(chǎn)生的影響，固定光互連模塊材料參數(shù)(表2)和其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變，僅改變上/下層BGA焊球體積并保持二者相同，分別對(duì)焊球體積為0.13 mm3、0.20 mm3、0.33 mm3、0.38 mm3(焊球體積參照市場(chǎng)售賣焊球尺寸計(jì)算得到，并非按等比例遞增)的光互連模塊進(jìn)行焊后有限元分析，得到焊球體積對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響如表5圖7所示。

表5 焊球體積對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響

圖7 焊球體積對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響

由表5和圖7可知，在所選取焊球體積范圍內(nèi)，隨著焊球體積的增加，光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值逐漸增大，焊球體積0.13 mm3對(duì)應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)偏移值最小，為0.323 μm，焊球體積0.38 mm3對(duì)應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)偏移量最大，為0.499 μm，最大對(duì)準(zhǔn)偏移值與最小對(duì)準(zhǔn)偏移值相差35%。因此在光互連模塊實(shí)際設(shè)計(jì)制作過程中，適當(dāng)減小焊球體積，可以有效降低光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值，從而提高光互連模塊光傳輸?shù)鸟詈闲省?/p>

2.3 焊盤半徑對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移影響分析

為考察焊盤半徑變化對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移產(chǎn)生的影響，固定光互連模塊材料參數(shù)(表2)和其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變，僅改變上/下層焊盤半徑并保持二者相同，分別對(duì)焊盤半徑為0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm、0.40 mm的光互連模塊進(jìn)行焊后有限元分析，得到焊盤半徑對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響如表6和圖8所示。

表6 焊盤半徑對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響

圖8 焊盤半徑對(duì)對(duì)準(zhǔn)偏移影響

由表6和圖8可知，不同焊盤半徑的光互連模塊，其關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移值各不相同，所選取焊盤半徑中，焊盤半徑0.35 mm對(duì)應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)偏移值最小，為0.426 μm，焊盤半徑0.25 mm對(duì)應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)偏移量最大，為0.586μm，最大對(duì)準(zhǔn)偏移值與最小對(duì)準(zhǔn)偏移值相差27%，說明焊盤半徑變化對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移有一定影響，在進(jìn)行光互連模塊實(shí)際設(shè)計(jì)制作時(shí)，應(yīng)考慮焊盤半徑對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移的影響。

3 結(jié) 語

通過對(duì)再流焊溫度加載后光互連模塊關(guān)鍵位置對(duì)準(zhǔn)偏移的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)有限元分析結(jié)果表明，由于光互連模塊關(guān)鍵位置焊后各部位位移不一致，導(dǎo)致典型光互連模塊VCSEL發(fā)光中心點(diǎn)與耦合元件光耦合中心點(diǎn)在水平面上產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)偏移0.436 μm。

(2)對(duì)光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移影響因子進(jìn)行單因子分析，結(jié)果表明：所選取焊球材料中，焊料63Sn37Pb對(duì)應(yīng)的光互連模塊關(guān)鍵位置焊后對(duì)準(zhǔn)偏移最?。凰x取焊球體積范圍內(nèi)，隨著焊球體積增加，焊后對(duì)準(zhǔn)偏移越來越大。因此在光互連模塊設(shè)計(jì)制作過程中，焊料可選用63Sn37Pb，并盡量控制焊球體積，以提高光傳輸耦合效率。

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邵良濱(1990—) ,男, 合肥人，研究生， 主要研究方向?yàn)楣饣ミB可靠性技術(shù)；

E-mail: slbe_mail@163.com.

黃春躍(1971—)，男，廣西人，教授，主要研究方向?yàn)槲㈦娮臃庋b與組裝可靠性技術(shù)；

黃 偉(1981—)，女，河北人，主要研究方向?yàn)槲㈦娮釉O(shè)計(jì)、制造與封裝；

梁 穎(1974—)，女，江西人，副教授，主要研究方向?yàn)槲㈦娮臃庋b可靠性技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；

李天明(1962—)，男，湖南人，教授，主要研究方向?yàn)槲㈦娮臃庋b技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)。

Study on Optical Interconnect Module Key Position Alignment Offset Post Welding

SHAO Liang-bin1, HUANG Chun-yue1, HUANG Wei1, LIANG Ying2, LI Tian-ming3

(1. School of Electro-Mechanical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2. Department of Electronic Engineering, Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College, Chengdu 610021, China;3. Department of Automobile and Power Engineering, Guilin University of Aerospace Technology, Guilin 541004, China)

The 3D finite element analysis model of optical interconnect module was developed. The optical interconnect module key position alignment offsets of luminous center point on vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) and coupling center point on coupling element were obtained after finite elements analysis under reflow soldering temperature load; The factors which afeected optical interconnect module key position alignment offset were analysed, the results showed that: In the selected solder ball materials, optical interconnect module key position alignment offset post welding of solder ball material 63Sn37Pb was minimum; In the selected solder ball volume range, with the increase of solder ball volume, optical interconnect module key position alignment offset post welding increased gradually.

optical interconnect module; key position; reflow soldering; alignment offset; finite element analysis

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.021

2016-09-05

2016-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51465012)；廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015GXNSFCA139006)。

：A

1673-5692(2016)06-672-05