光互连模块关键位置焊后对准偏移与耦合效率关系研究

摘要

光互连技术是一种新型互连方式，因光路对准偏移而引起的耦合效率降低成为该技术急需解决的关键性问题。对此，本文以一种典型的光互连模块为研究对象，利用有限元法分析了光互连模块关键位置再流焊接后产生的X、Y、Z方向和角度对准偏移值，分析了各方向和角度对准偏移与耦合效率之间的关系，为实现光互连模块关键位置焊后高效率耦合，对光互连模块进行了结构参数优化，并通过实验测量验证了对准偏移量仿真结果。 首先，通过ANSYS软件建立了光互连模块三维模型，对模型关键位置焊后对准偏移量进行了有限元仿真计算，结果表明：S Z（Z方向对准偏移）>S X（X方向对准偏移）>SY（Y方向对准偏移）；焊料对各方向和角度偏移影响显著，所选焊料中62Sn36Pb2Ag对应的X、Y、Z方向以及角度的对准偏移量最大，SAC387对应的X、Y、Z方向以及角度的对准偏移量最小；焊点体积和上/下层焊点高度对关键位置Y方向对准偏移影响显著；焊盘半径对关键位置Y、Z方向的对准偏移影响显著，所设范围内焊盘半径越大，Z方向对准偏移越小；焊点中心距对关键位置Y方向的对准偏移影响显著，所设范围内焊点中心距越小，Z方向的对准偏移越小。 其次，通过ZEMAX建立光互连模块耦合系统，研究了关键位置X、Y、Z和角度对准偏移与耦合效率关系，结果表明：由于模场的对称性，X、Y方向对准偏移对耦合效率影响规律基本一致，X、Y方向偏移量绝对值越大，耦合效率越低，且两方向上1dB失配容差为±20μm，3dB失配容差为±40μm；Z方向偏移量由负值向正值增加过程，耦合效率逐渐降低，当偏移量为-200μm时，耦合效率约为98%，该方向上系统1dB失配容差为50μm，3dB失配容差为380μm；角度偏移对应的1dB失配容差为±2°，3dB失配容差为±9°。利用响应面-遗传算法对光互连模块进行了结构优化，结果表明：上层焊点高度、下层焊点高度、焊盘半径、焊点中心距和焊点体积分别为0.45mm、0.65mm、0.43mm、1.5mm、0.43mm3时耦合效率最高（98.13%）。 最后，搭建光互连模块关键位置焊后对准偏移测量系统，对光互连模块关键位置焊后X、Y方向对准偏移进行了实验测量，结果表明：X方向上，焊后2080s的偏移值为0.422μm，对应的仿真结果为0.648μm；Y方向上，2080时的偏移值为0.316μm，对应的仿真结果为0.104μm。实测数据与仿真结果都比较接近，论文研究成果可为解决光互连模块的对准及耦合效率问题提供理论依据和技术支持。

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第一章 绪论

§1.1 论文研究课题来源

§1.2 研究背景

§1.3 光互连技术国内外研究现状

§1.4 光互连技术面临的问题及研究意义

§1.5 本论文主要研究内容

第二章 焊接过程有限元分析理论

§2.1 有限单元法简介

§2.2 焊接有限元模型简化

§2.3 焊接温度场分析理论

§2.4 焊接应力应变分析理论

§2.5 本章小结

第三章 光互连模块关键位置焊后对准偏移分析

§3.1 光互连模块有限元模型建立

§3.2 光互连模块关键位置焊后对准偏移分析

§3.3 光互连模块关键位置焊后对准偏移单因子分析

§3.4 本章小结

第四章 光互连模块关键位置焊后耦合效率分析

§4.1 光互连模块焊后耦合效率计算

§4.2 对准偏移对耦合效率影响分析

§4.3 本章小结

第五章 基于响应面法‐遗传算法的耦合效率优化

§5.1 耦合效率响应面分析

§5.2 基于遗传算法的光互连模块耦合效率优化

§5.3 光互连结构最优参数组合验证

§5.4 本章小结

第六章 光互连模块关键位置焊后对准偏移测量实验

§6.1 实验方案

§6.4 本章小节

第七章 总结与展望

§7.1 总结

§7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士论文期间主要研究成果