光模塊封裝工藝流程概述

光模塊封裝是光通信領域中的關鍵環節，其基本結構包含光發射端模塊（TOSA）和驅動電路、光接收端模塊（ROSA）和接收電路。將激光器、探測器封裝成TOSA、ROSA的過程是光模塊封裝的核心部分，也是主要的技術壁壘所在 。TOSA和ROSA的封裝工藝類型主要有TO - CAN同軸封裝、蝶形封裝、COB封裝、BOX封裝以及FlipClip等 。不同的封裝工藝適用于不同的應用場景，例如TO - CAN封裝主要部署在10G光模塊中，蝶形封裝可用于各種速率及80km長距離傳輸，BOX封裝常用于中長距離高速光學設備傳輸，COB封裝對于100G QSFP28光模塊來說更為合適 。

光模塊在光通信產業鏈中處于中游位置，光模塊廠商從上游企業采購光芯片及電芯片、光組件等原材料，經過集成、封裝、測試合格后供給設備集成商整合為有對應需求的光通信設備，應用于電信及數據中心市場。并且隨著光通信技術的發展，光模塊的封裝形式也朝著小型化、高速率、低成本等方向不斷演進，以滿足日益增長的網絡鏈接速率需求以及不同的應用環境要求 。

光模塊封裝工藝流程詳細步驟

1. TO - CAN同軸封裝

• 準備工作：TO - CAN封裝是一種氣密性封裝。首先要將激光器管芯和背光檢測管粘接在熱沉上。熱沉的作用是幫助散熱，由于TO - CAN封裝體積小，散熱相對困難，熱沉對于保證激光器的正常工作溫度非常重要。激光器管芯是光發射的核心部件，背光檢測管用于檢測激光器的一些工作狀態參數，它們的粘接需要精確操作，保證連接的穩定性和電氣性能 。

• 鍵合互聯：粘接好的部件通過鍵合的方式與外部實現互聯。鍵合是一種高精度的連接技術，通常使用金屬絲（如金線）將芯片上的電極與外部引腳或線路連接起來。這種連接方式能夠有效地傳輸電信號，確保光模塊的正常工作。在10G光模塊及以下速率（如2.5Gbit/s及10Gbit/s短距離傳輸）中，TO - CAN同軸封裝因其成本低廉、工藝簡單而被廣泛應用，雖然其存在難以內置制冷、散熱困難、難以用于大電流下的高功率輸出從而難以用于長距離傳輸的缺點，但在短距離傳輸場景下性價比很高 。

2. 蝶形封裝

• 部件集成：蝶形封裝的殼體通常為長方體。在封裝過程中，要在金屬封裝的管殼內集成半導體激光器、制冷器、熱敏電阻等部件。制冷器用于調節溫度，保證半導體激光器在合適的溫度范圍內工作，因為溫度對激光器的性能（如波長、功率等）有顯著影響；熱敏電阻則可以實時監測溫度，反饋給控制系統以便對制冷器進行精確控制。同時，還需要集成陶瓷基塊等部件，這些部件在提供物理支撐、電氣絕緣等方面起到重要作用 。

• 光信號耦合：通過一定的光學系統將激光器發出的光信號耦合到光纖。這個光學系統可能包含透鏡、反射鏡等光學元件，用于調整光的傳播方向、聚焦等，以確保光信號能夠高效地耦合到光纖中。蝶形封裝由于其結構相對復雜，能夠集成多種功能部件，所以可以用于各種速率及80km長距離傳輸 。

3. COB封裝（板上芯片封裝）

• 貼片操作：將激光芯片直接粘附在PCB（印刷電路板）上。首先是貼片過程，例如SMT（表面貼裝技術）貼片完成的pcb板放在光芯片貼片機上，蘸取銀漿然后貼芯片。貼片完成后需要進行目檢，主要觀察銀漿的量是否溢出等情況，以確保芯片粘貼的質量。銀漿在這里起到粘接和電氣連接的作用，它需要均勻分布并且適量，過多可能會溢出影響其他部件或造成短路，過少則可能導致芯片粘貼不牢固或者電氣連接不良 。

• 貼電芯片：在完成激光芯片的貼片后，進行電芯片的粘貼操作，同樣需要蘸取銀漿然后貼電芯片，并且也要進行目檢。電芯片包括如TIA（跨阻放大器）等，這些電芯片在光模塊中起到放大、處理電信號的作用。

• 打線工序：打線是在Driver（驅動器）、TIA和LD（激光二極管）PIN陣列之間以及Driver、TIA和PCB之間打金線。常用打線機進行打線操作。金線的連接質量直接影響信號傳輸，如打線不良可能會導致信號衰減、干擾或中斷等問題。在高速光模塊（如100G光模塊）中，COB封裝通過將TIA/LA芯片、激光陣列和接收器陣列集成封裝在一個小空間內，可以節省PCB面積，并且由于構建了較短的互連路徑，提高了性能。但這種封裝方式的技術難點在于對光芯片貼片的定位精度（影響光耦合效果）和打線質量（影響信號質量、誤碼率） 。

4. BOX封裝

• 并行封裝準備：BOX封裝屬于蝶形封裝，用于多通道并行封裝。在封裝前，要準備好多個通道對應的光芯片、電芯片以及其他相關部件，如分光器等。分光器可以將輸入的光信號按照一定比例分配到不同的通道中，或者將不同通道的光信號合并起來。這些部件的準備工作需要嚴格按照設計要求進行，確保各個通道的性能一致 。

• 封裝過程：可以做成氣密性和非氣密性封裝。對于氣密性封裝，外殼的主要材料可采用可伐合金（Kovar）和玻璃，玻璃用于透光，可伐合金和玻璃的熱膨脹系數接近，兩者通過焊接實現氣密。在進行BOX封裝時，對于氣密性封裝采用平行封焊設備實現氣密封裝。平行封焊設備大部分是半自動化的，設備整體上是一個密封的大箱子，里面充有干燥氮氣，需要監控內部氣體的凝露溫度；兩側各有一個小箱子，用于產品物料的出箱入箱，人員通過塑料手套進行蓋板上下料，焊接過程是自動完成的。BOX封裝常用于中長距離高速光學設備傳輸，不過價格比較昂貴 。

5. 通用的測試與調試

• 測試環節：在完成上述各種封裝工藝后，光模塊需要進行多項測試。對于光發射部分，主要測試光功率、消光比等參數；對于接收部分（以PIN為例），是由PINTIA（InGaAsPIN和跨阻放大器）和限幅放大器組成，將輸入的光信號通過PIN管轉換成光電流，光電流又通過跨阻放大器轉換成電壓信號，需要測試電壓信號的相關參數，同時還要測試無光告警功能，當光功率不足以維持模塊正常工作時，SD端應產生邏輯低信號，產生告警。這些測試能夠確保光模塊的各項性能指標符合要求 。

• 調試操作：如果在測試過程中發現問題，如誤碼等情況，就需要進行調試。常規的調試在上位機上完成，由于每個產品使用的電芯片（Driver + TIA）不同，每個電芯片的特點提供的功能模塊不同，所以在調試時需要根據芯片規格書進行。上位機通過usb與模塊通信，模塊收到來自上位機的指令后通過I2C與MCU通信，然后MCU再通過I2C分別與電芯片通信進行讀寫操作，上位機對各種電流、均衡器大小、去加重大等參數進行調整，以優化光模塊的性能 。

光模塊封裝工藝的關鍵技術

1. 耦合技術

• 耦合的重要性：耦合是光模塊封裝中的關鍵技術之一，特別是在光發射模塊中。它直接影響著出射光的性能。激光器芯片和光纖的耦合有直接耦合和間接耦合兩種形式。直接耦合是由激光器發出的光直接進入光纖，不經過其他中間元件，這種方式簡單直接，但對激光器和光纖的對準精度要求很高；間接耦合則在激光器和光纖之間加入其他光學元件（如透鏡、反射鏡等），通過這些元件調整光的傳播方向、聚焦等，完成由激光器到光纖的耦合。在一些對耦合精度要求極高的場合，如單模光纖的耦合，由于單模光纖纖芯直徑很小（只有9μm），需要采用透鏡進行聚焦耦合，以提高耦合效率 。

• 影響耦合效果的因素：光芯片貼片的定位精度對耦合效果有著顯著影響。在COB封裝工藝中，光芯片直接粘附在PCB上，如果貼片的定位精度不足，會導致光芯片與光纖或者其他光學元件之間的相對位置偏差，從而降低耦合效率。例如，在高速光模塊中，為了實現高速率、大容量的數據傳輸，需要保證光信號的高效耦合，定位精度可能需要控制在很小的范圍內（如±3μm），以確保足夠、穩定的對準誤差空間，為后續的耦合工藝提供良好的基礎 。

2. 散熱技術

• 散熱的必要性：在光模塊封裝中，散熱是一個至關重要的問題。例如蝶形封裝和BOX封裝中集成了多種電子元件，如半導體激光器等，這些元件在工作過程中會產生熱量。如果熱量不能及時散發出去，會導致元件溫度升高，進而影響其性能（如激光器的波長漂移、功率下降等），甚至會縮短元件的使用壽命。在一些高功率輸出或者高速率工作的光模塊中，散熱問題更為突出，因為高功率和高速率往往伴隨著更多的熱量產生。

• 散熱技術措施：蝶形封裝通過較大的殼體面積來散熱，并且可以內置制冷器、熱沉等散熱部件。制冷器可以主動調節溫度，將溫度控制在合適的范圍內；熱沉則可以吸收熱量并將其傳導出去。在一些小型化的封裝工藝（如TO - CAN封裝）中，雖然難以內置制冷設備，但也需要通過優化熱沉的設計來提高散熱效率，例如選擇導熱性能良好的材料制作熱沉，合理設計熱沉的結構以增加散熱面積等。

3. 氣密性封裝技術

• 氣密性封裝的意義：對于部分光模塊（如BOX封裝和TO - CAN封裝在某些應用場景下），氣密性封裝是非常重要的。氣密性封裝可以保護內部的光學和電子元件免受外界環境的影響，如防止水汽、灰塵等進入封裝內部。水汽可能會導致元件短路、腐蝕等問題，灰塵可能會影響光的傳播或者造成電氣接觸不良。在一些惡劣的工作環境（如戶外、高溫高濕環境等）下，氣密性封裝能夠保證光模塊的可靠性和穩定性。

• 實現氣密性封裝的方法：對于BOX封裝，采用平行封焊設備實現氣密封裝。平行封焊設備內部充有干燥氮氣，通過焊接可伐合金和玻璃來實現氣密，并且需要監控內部氣體的凝露溫度。對于TO - CAN封裝的氣密封裝設備叫封帽機，設備采用儲能焊原理，通過脈沖電流融化縫隙實現氣密性焊封。儲能焊效率高、成本低，是一種有效的氣密性封裝方法 。

光模塊封裝工藝流程實例分析

以COB封裝工藝制作100G QSFP28光模塊為例：

1. 貼片階段

• 初始準備：首先是SMT貼片完成的pcb板準備。這個pcb板是經過前期的線路設計和制作，具備了一定的電路布局，能夠滿足光模塊中各個芯片的電氣連接需求。然后將pcb板放在光芯片貼片機上，這臺貼片機是高精度的設備，對于100G QSFP28光模塊這種高速率的光模塊來說，貼片機的精度要求很高，因為它直接影響到后續光芯片的定位精度，進而影響光耦合效果。

• 芯片粘貼：在貼片機上蘸取銀漿然后貼芯片。銀漿的質量和涂抹量需要精確控制，因為銀漿不僅起到粘接芯片的作用，還參與電氣連接。如果銀漿涂抹不均勻或者量過多過少都會對芯片的粘貼和電氣性能產生影響。例如，涂抹過多可能在芯片周圍溢出，造成短路風險；涂抹過少可能導致芯片粘貼不牢固，在后續的使用過程中出現松動等問題。粘貼完成后進行目檢，目檢人員通過顯微鏡等工具仔細觀察銀漿的量是否溢出、芯片的位置是否準確等情況，確保貼片質量符合要求。

2. 貼電芯片階段

• 電芯片粘貼：與光芯片貼片類似，貼電芯片同樣是蘸取銀漿然后粘貼到指定位置。電芯片在光模塊中起著至關重要的作用，如TIA（跨阻放大器）負責將光電流轉換為電壓信號并進行放大，Driver（驅動器）用于驅動激光器等。這些電芯片的粘貼位置精度同樣重要，因為它們之間的相對位置關系會影響到信號的傳輸和處理。

• 質量檢查：粘貼完成后同樣需要進行目檢，檢查電芯片是否粘貼牢固、銀漿是否正常等情況。一旦電芯片粘貼出現問題，可能會導致信號傳輸的中斷、衰減或者出現噪聲等問題，影響光模塊的整體性能。

3. 打線階段

• 打線操作：打線是在Driver、TIA和LD PIN陣列之間以及Driver、TIA和PCB之間打金線。打線機按照預定的程序進行操作，將金線準確地連接到相應的引腳和線路上。金線的直徑、材質以及打線的工藝參數（如壓力、溫度等）都會影響打線的質量。在100G QSFP28光模塊中，由于信號傳輸速率高，對打線質量要求更為嚴格，因為打線不良可能會導致信號的反射、衰減等問題，從而影響光模塊的誤碼率等性能指標。

• 質量控制：在打線過程中，需要對打線質量進行實時監控，例如通過檢測打線的拉力、電氣導通性等指標來確保打線質量。如果拉力不足，金線可能在后續的使用過程中出現松動甚至斷開；如果電氣導通性不好，則會影響信號的傳輸。

4. 測試與調試階段

• 測試過程：完成上述封裝步驟后，光模塊要進行一系列的測試。對于光發射部分，主要測試光功率和消光比等參數。光功率的大小直接影響光模塊的傳輸距離和信號強度，消光比則反映了光信號在“1”和“0”狀態下的功率差異，這兩個參數對于光模塊的性能評估非常重要。對于接收部分，要測試其將光信號轉換為電壓信號的能力以及無光告警功能等。

• 調試措施：如果在測試過程中發現誤碼等問題，就需要進行調試。由于100G QSFP28光模塊使用的電芯片（Driver + TIA）具有特定的功能和特性，調試時需要根據芯片規格書進行操作。上位機通過usb與模塊通信，模塊收到指令后通過I2C與MCU通信，MCU再與電芯片通信進行讀寫操作，上位機對各種電流、均衡器大小、去加重大等參數進行調整，以解決誤碼等問題，優化光模塊的性能。

不同類型光模塊封裝工藝流程差異

1. 速率與封裝工藝的關聯

• 低速光模塊（如2.5G及以下速率）：

• 封裝工藝選擇傾向：對于2.5G及以下速率的光模塊，如百兆、千兆SFP光模塊等，多采用單通道TO或蝶形封裝。這些封裝工藝有標準的制程和自動化設備，技術壁壘相對較低。例如，TO - CAN同軸封裝在這種低速率光模塊中應用時，由于其成本低廉、工藝簡單，能夠滿足基本的功能需求，所以被廣泛采用。雖然它存在散熱困難等問題，但在低速率下，功率較低，散熱問題相對不那么突出。蝶形封裝在低速率下也可使用，其結構相對復雜一些，但在一些對穩定性和功能擴展性有一定要求的場景下可以發揮優勢，如在一些需要內置制冷器、熱敏電阻等部件來保證長期穩定工作的應用場景中 。

• 工藝特點：這些封裝工藝在低速率下，對芯片的集成度要求不高，所以不需要過于復雜的芯片布局和封裝結構。例如，在單通道的TO - CAN封裝中，只需要將激光器管芯和少量的相關部件（如背光檢測管）進行簡單的封裝即可滿足低速率光信號的發射和接收需求。

• 高速光模塊（如40G及以上速率）：

• 封裝工藝選擇傾向：在高速率的光模塊（如40G、100G等）中，由于需要處理更高的數據流量，對封裝工藝提出了更高的要求。例如，100G光模塊在采用25G芯片時，需要4組組件，如果采用傳統的SFP封裝，將需要4倍空間，而COB封裝可以將TIA/LA芯片、激光陣列和接收器陣列集成封裝在一個小空間內，以實現小型化，所以高速光模塊多采用COB封裝。BOX封裝用于多通道并行封裝，也適用于高速光模塊的封裝，常用于中長距離高速光學設備傳輸，不過價格比較昂貴。在高速光模塊中，由于信號傳輸速率高，對封裝工藝中的耦合精度、散熱性能、電磁干擾屏蔽等方面的要求更高 。

• 工藝特點：以COB封裝為例，在高速光模塊中，對光芯片貼片的定位精度要求極高，因為定位精度會影響光耦合效果，進而影響高速信號的傳輸質量。同時，打線質量也非常關鍵，不良的打線可能導致信號衰減、干擾或誤碼等問題。另外，高速光模塊在工作過程中會產生更多的熱量，所以散熱設計也更為重要，如在COB封裝中，需要考慮如何通過PCB的設計、散熱材料的選擇等方式來提高散熱效率。

2. 傳輸距離與封裝工藝的關系

• **短距離傳輸光模塊（

芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運用自身原創的產品技術，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求，打破國外廠商在行業中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。

推薦使用合明科技水基清洗劑產品。