基于光導開關的光電集成一體化裝配技術研究

摘" 要：隨著微電子技術的發(fā)展，光導開關是一種新型的快速電子器件，在高功率脈沖、超快光電控制等領域有廣泛的應用。作為一種復雜的光電混合器件，在高電壓高功率應用場景下，需要同時滿足微波輸出、光學對位、耐高壓等要求。在一體化裝配過程中，碳化硅光導開關存在碳化硅晶片易碎、輸入激光易損耗等問題，因此，該文從光波導裝配設計、一體化裝配設計和一體化裝焊仿真3個方面進行研究，通過柔性裝配實現耐高壓光導開關封裝。

關鍵詞：光導開關；光波導；一體化裝配；裝焊仿真；超快光電控制

中圖分類號：TN36" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0076-04

Abstract： With the development of microelectronic technology， photoconductive semiconductor switches is a new type of fast electronic device， which is widely used in high power pulse， ultra-fast photoelectric control and other fields. As a complex optoelectronic hybrid device， it needs to meet the requirements of microwave output， optical alignment and high voltage resistance in high-voltage and high-power applications. In the process of integrated assembly， there are some problems in silicon carbide photoconductive semiconductor switches， such as fragile silicon carbide wafer and easy loss of input laser. In this paper， the packaging of high voltage photoconductive switch is realized by flexible assembly from three aspects： optical waveguide assembly design， integrated assembly design and integrated assembly and welding simulation.

Keywords： photoconductive semiconductor switches; optical waveguide; integrated assembly; assembly and welding simulation; ultrafast photoelectric control

光導開關（Photoconductive Semiconductor Switches， PCSS）是一種光控電開關，與傳統(tǒng)的開關相比，具有可容功率大、體積小、耐擊穿電壓高、導通電阻小、響應速度快及重復頻率高等優(yōu)點，在產生高功率脈沖、超快光電控制和太赫茲領域有著極其廣泛的應用[1-6]。雖然光導開關具有很大的優(yōu)勢，但在實際高工作電壓條件下，存在耐壓能力低于理論值、漏電流過大等問題，因此需要對光導開關進行封裝研究[7-8]。

碳化硅光導開關的結構一般由2個電極和碳化硅（SiC）晶片組成，作為光電混合的復雜器件，在實際應用中，為滿足微波性能輸出、激光低損耗、高耐壓等需求，需加入射頻結構設計，同時選用光波導對SiC晶片封裝[9]，確保側面低損耗激光饋入，通過結構裝配與封裝實現耐高壓。

一體化裝配技術是在殼體有限的空間條件下，將分散孤立的結構件要素和功能模塊要素按照空間位姿關系緊密融合起來，整合成為一個有機的整體，具有高可靠性和質量一致性。本文采用異面正對、雙側面入射模型的光導開關進行研究，光導開關在一體化裝配技術的過程中，存在很多工藝難點，比如：SiC晶片由于脆性大在應力作用下易碎，結構件之間的公差適配度無法保證激光低損耗輸入，不同材料熱膨脹系數的匹配性等。針對以上封裝工藝問題，本文建立碳化硅光導開關封裝模型，通過光波導裝配設計、一體化裝配設計和一體化裝焊仿真3個方面進行研究，提出一種耐高壓的光導開關柔性裝配方案，可應用于高功率脈沖領域。

1" 實驗

1.1" 光導開關結構設計

結合電學及工程特性，本文采用異面正對、雙側面入射模型進行產品化。異面正對結構采用雙光源激勵在封裝類型中具有良好的激發(fā)特性，結構采用頂板輸入、底部輸出，分布式結構可實現陣面安裝，原理圖如圖1所示。

1.2" 模型建立與參數設置

結合器件原理圖設計封裝模型，如圖2所示。材料參數見表1，封裝外殼采用銅基材料，實現良好散熱及接地，使用氮化鋁陶瓷實現高壓隔離，同時氮化鋁在絕緣材料中熱導率也是最佳的。為實現低應力垂直方向上的電連接，采用毛紐扣進行軟連接，裝配則采用一體化焊接，并對光學對準部分采用預先裝配，提高對準精度。

2" 分析與討論

2.1" 光波導裝配設計

通過激光激發(fā)的SiC晶片，其激光有效功率決定了SiC微波激發(fā)強度，在SiC裝配結構中激光需要經過光波導饋入SiC側面，光波導的裝配精度影響激光的輸入。其中，光波導的裝配主要難點為小面積高精度結構裝配，并實現光功率低損耗。選用SiO2作為光波導，SiO2的材料特性及裝配狀態(tài)決定了激光有效功率，光波導裝配示意圖如圖3所示，設計專用工裝以提高裝配精度，并通過光學膠降低SiC與光波導之間的連接損耗。

為實現小面積高精度結構裝配，采用自制高精度晶片對位工裝實現SiO2-SiC-SiO2晶片連接，如圖4所示。工裝水平方向通過螺桿可調，垂直方向按要求加工到尺寸，對位工裝設置有限位壓頭，彈簧產生三方向的壓力將晶片固定在工裝中，實現晶片伴隨工裝運動。

對位工裝設置有可調節(jié)距離的螺桿，用于實現10 mm（SiC）和8 mm（SiO2）同軸裝配和位置微調，將裝配后的樣品置于激光電子顯微鏡下，SiC和SiO2之間精準對位。組裝多個樣品對SiC和SiO2晶片之間高度和水平距離進行測試，實驗結果如圖5所示，高度位置上距離差應為0.05 mm，10組數據的公差均在0.000 8 mm內，水平位置上距離差應為1 mm，實測最大值為1.040 mm、最小值為0.998 mm，公差均小于0.05 mm，滿足設計要求。

2.2" 一體化裝配設計

可自動一體化裝配能實現結構件與結構件間無阻礙安裝，而且具有低的公差累計，在光導開關的裝配過程中，若不有效控制公差，會造成產品最終誤差偏大于設計，公差累計在本產品中主要體現為激光輸入效率衰減以及垂直誤差超差。

一體化裝配過程中表面及接觸設計如圖6所示，殼體及下電極采用金屬具有良好的導電性，同時需滿足微波傳輸特性，采用連續(xù)面、過渡角等方式實現135°漸變臺階。陶瓷具有極高的抗電擊穿性，能實現絕緣隔離，但材料呈現脆性，目前復雜的陶瓷結構采用粗開模、精密加工相結合的方式，且過渡角需帶圓弧，否則加工時易開裂，使用中存在開裂種子點，影響可靠性。因此，將陶瓷件陰角過渡做圓弧R0.2，過渡面無傳輸要求，故采用C角加R0.2圓弧過渡，以降低開裂風險，采取金屬偏離d0.2實現低成本加工。

一體化裝配設計選擇對外殼體（接地）、下電極（輸出）以及陶瓷（絕緣隔離）的一體化設計，結構通過設計實現垂直對插進行裝配，實現單一軸向Z軸的裝配。

組件裝配后存在累計誤差，合計有7處公差點，結合實際加工精度，單公差可控制在±0.02 mm，累計最大誤差為±0.14 mm。為精準裝配、降低誤差，采用毛紐扣形成軟連接，實現在誤差范圍內的可靠連接。毛紐扣為彈性件，在不同壓縮量有不同的應力，這里采用仿真分析確認在應力下可以連接且應力不過載。結合封裝結構采用2 mm厚度毛紐扣，壓縮范圍為0.12～0.36 mm，根據計算獲得壓力范圍為18～54 N，將最大壓力代入模型得到圖7，可知SiC所受應力小于其極限應力。

一體化裝配工裝包括底座、底饋頂板和頂板彈簧等，通過彈力配合將金屬殼、隔離陶瓷以及底饋電極擠壓在一起，封裝后完成裝配，可提高裝配良率及精度。結構如需要實現水密特征，接觸面在裝配前涂覆銀膠，裝配后加溫240～260 ℃固化銀膠，且以此工裝為載體完成后續(xù)工藝裝配，得到最終光導開關產品。

2.3" 一體化裝焊仿真

在一體化裝焊中，為實現器件的密封性，需要通過焊料進行大面積焊接，工裝采用上下擠壓的方式使三者成一體，則應力分布反應在焊料的分布上，最終影響焊接質量。因此，預先應力仿真以減少應力集中和變形，提高焊接的質量，并通過仿真評估焊接的殘余應力，降低結構件變形、開裂及失穩(wěn)等問題。

為研究焊接后的應力應變對光導開關的影響，對模型進行簡化及網格化，通過結構靜力模塊分析一體化焊接時，模型處于受力狀態(tài)。介于焊接狀態(tài)下，模型接觸采用光滑接觸，結合工裝工作原理，將殼體與工裝接觸面定為固定態(tài)，底部受力，即下電極下表面施加受力，方向向上，大小為5 N。如圖8所示，在焊接處采樣應力分布14點得到在0.723 74～7.08×10-2 MPa之間，均值為0.338 9 MPa，方差為0.034，且應變Max值0.001 68 mm/mm，遠小于設計條件。

在一體化裝配的結構中，陶瓷結構件在施加一定的應力之后易碎，因此通過建模評價陶瓷結構在溫度循環(huán)實驗中的可靠性，采集65 ℃和-40 ℃時殼體各位置應力，確保應力在材料極限應力范圍內，如圖9所示。對模型進行合理簡化提高計算速率，保留關鍵部分：SiC-上下電極，SiC電極，殼體，下電極和隔離陶瓷。施加65 ℃和-40 ℃全局溫度，獲得熱應力分布，采樣陶瓷各位置得到，最大值分別在212 MPa（65 ℃）和174 MPa（-40 ℃），小于極限應力。因此，光導開關一體化裝配結構在正常工作的溫度范圍內，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

3" 結論

通過光波導裝配設計、一體化裝配設計和一體化裝焊仿真3個方面的結構設計和模型仿真研究，本文提出一種耐高壓的光導開關柔性裝配方案。通過設計高精度晶片對位工裝提高SiC與光波導的裝配精度，并設置有可調節(jié)距離的螺桿，便于實際操作中的微調；在光導開關裝配過程中采用毛紐扣形成軟連接，實現在誤差范圍內的可靠連接；并通過建模證明此一體化裝配結構在工作溫度循環(huán)中，具備良好的穩(wěn)定性和可靠性。因此，此類光導開關光電集成的一體化柔性裝配技術為復雜的光電混合器件提供了簡便的方法，在高功率脈沖、超快光電控制等領域有廣泛的應用前景。

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