一种测量光互连模块关键位置焊后对准偏移的方法

摘要

本发明公开了一种测量光互连模块关键位置焊后对准偏移的方法，是通过将光互连模块底部夹持后放入温控箱内，对光互连模块施加温度载荷进行焊接，在冷却固化阶段连接迈克尔逊干涉仪，由分束器分开的两束He‑Ne激光被定镜和动镜分别反射回观察屏，从而引起干涉现象，当实验样件测量处发生位移时，会带动动镜一起移动，导致反射回来的两束激光的光程差不断变化，干涉波纹中心就有N个环消失或者涌出，再根据公式可计算光互连模块关键位置处X和Y方向的位移值。该方法可计算出光互连模块关键位置焊后偏移量值，为如何减小焊后初始对准偏移对于提高光互连模块的长期工作及提髙光互连模块耦合效率的关键性问题提供实验数据。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子封装光互连技术领域，具体是一种利用迈克尔逊干涉仪测量光互连模块关键位置焊后对准偏移的方法。

背景技术

“光互连”(Optical Interconnect，OI)是指用光子作为信息载体，光信号源发射的光信号通过光耦合元件、光传输媒介等器件后传达信号接收端，再由转换器将光信号转换为需要的信息，从而实现信号的发射-传输-接收过程。光互连技术起源于光子计算机的开发研究，光学科学家J.M.Goodman首先提出将光互连技术应用于大型集成电路中，从而提高大型集成电路的信号互连性能，光互连作为一种有效解决电互连弊端的互连方法，近年来在国际上备受关注，逐步运用于实际，发展为一门新型互连技术。传统电互连技术在功率损耗、信号传输速度、信号干扰失真、信号衰减和时延、系统散热等方面存在的问题严重地限制了集成电路技术的进一步发展，对于新型互连方式的探索极为必要。光互连技术因其高空间时间带宽积、抗电磁干扰性强、互连密度高、传输速率快、功率损耗低、优良的系统散热性等优点，有望解决电互连技术所遇到的问题。由于光互连模块对准位置焊后偏移量微小，因此偏移量测量是一直以来的难题。

近年来有学者对LCCC焊点进行了相关研究如文献

[1]黄春跃,吴松,梁颖,等.温度载荷下光互连模块对准偏移分析[J].中国电子科学研究院学报,2014,9(2):120-124.

[2]Krzysztof Nieweglowski,Klaus-Jugen Wolter.Optical Analysis ofShort-Distance Optical Interconnect on the PCB-Level[C].Proceedings of2006Electonic Systemintegration Technology Conference.Newyork:IEEE,2006,392-397.

[3]Fuad E.Doany,Benjamin G.Lee,Daniel M.Kuchta,et at.Terabit/SecVCSEL-Based 48-Channel Optical Module Based on Holey CMOS Transceiver IC[J].Journal of Lightwave Technology,2013,31(4):672-680.

在上述三篇文献中对机械安装后和热循环工作环境中的光互连模块光传输对准偏移与耦合效率进行研究，并未对焊接封装后的光互连模块对准偏移问题进行分析。而光互连模块在焊接封装过程中，基板和PCB的热膨胀系数失配将导致关键位置处产生对准偏移，尽管所带来的对准偏移一般在微米量级，然而由此造成的光功率损耗甚至可能高达50％以上。由于光互连器件使用前需要进行焊接安装，由此产生的光路对准误差属于系统误差，会一直存在于器件的后期使用过程中，持续影响光互连系统的正常工作。因此，如何减小焊后初始对准偏移对于提高光互连模块的长期工作稳定性至关重要，已成为进一步提髙光互连模块耦合效率的关键性问题。对此，本发明制作出典型光互连模块，设计出了基于迈克尔逊干涉仪的光互连模块焊后位移测量系统，并对光互连模块其焊后位置平移进行了测量，研究结果可为研究光互连模块关键位置焊后对准偏移提供实验数据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种测量光互连模块关键位置焊后对准偏移的方法，该方法可计算出光互连模块关键位置焊后偏移量值，为如何减小焊后初始对准偏移对于提高光互连模块的长期工作及提髙光互连模块耦合效率的关键性问题提供实验数据。

实现本发明目的的技术方案是：

一种测量光互连模块关键位置焊后对准偏移的方法，具体包括如下步骤：

1)设计并制作待测样件；

2)偏移量测量系统设计：由迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜、分束器、定镜、动镜、控制面板、底座组成；所述动镜安装在待测样件上；

3)温度检测系统设计：将J型热电偶接线端正极连接Agilent 34970A数据扫描器的34901A单元模块中CH01-H通道，负极接CH01-L通道，探测端放于待测位置，通过RS232数据线连接计算机和Agilent 34970A数据采集器，对计算机上的Agilent BenchLink DataLogger 3软件进行仪器配置―通道配置―扫描时间间隔设置―扫描―数据存档；

4)再流焊接系统设计：依次包括满足焊球焊接温度曲线标准要求的1立方英尺玻璃箱、样件放置平台、800W埋入式远红外陶瓷加热板若干块、温度单片机控制系统，单片机系统通过对焊接区域温度感应，控制红外加热板工作，当感应温度达到再流焊曲线要求时停止加热板加热，否则继续加热，从而在温控箱内模拟标准再流焊接过程，确保实验结果数据可靠有效；

5)焊后位置偏移测量系统连接：将制作好的光互连模块实测样件安放于实验系统中，进行光互连模块再流焊接和关键位置处对准偏移测量；

6)启动测量系统:打开激光开关，调节定镜后面的微调螺丝，使观察屏上两个最强光点重合，再将扩束器转到光路中，如此屏上将出现干涉波纹，同样微调螺丝移动干涉波纹纹心至视场合适位置，对扩束器进行二维调节；

7)计算位移量：记录干涉波纹中心有N个环消失或者涌出，根据公式计算所测位置处的X、Y方向的位移大小：

步骤1)中，所述的样件包括印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)、焊球、耦合元件和埋入式光纤，所述PCB为三层，球栅阵列焊球设在相邻两层的PCB之间，光耦合元件设在下层PCB的正中心，埋入式光纤设在下层的PCB上，上层PCB安装垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、VCSEL驱动器，中层PCB固定光电二极管检测器阵列(Photodiode array，PD)和PD驱动器，下层PCB埋入光纤；上层PCB尺寸为27mm×27mm×1.52mm，中层PCB尺寸为35mm×35mm×1.52mm，下层PCB尺寸为55mm×50mm×1.52mm，光耦合元件半径为0.0625mm、光耦合元件长度为2.76mm，埋入式光纤半径为0.0625mm、埋入式光纤长度为30mm，焊盘半径为0.3mm，上层焊球体积为0.2mm³、高度为0.52mm、间距为1.5mm,下层焊球体积为0.2mm³、高度为0.48mm、间距为1.5mm，焊球钎料为63Pb37Sn。

步骤2)中，所述的He-Ne激光器波长为632.8nm。

步骤3)中，所述的J型热电偶正-负极材料为铁-钢镍合金，测量温度范围为-210～1200℃；Agilent 34970A数据扫描器包含3个模块化的控制槽，该步骤采用34901A单元模块，该模块拥有20路测试通道，可测量和转换温度(支持的传感器包括热电偶、RTD、热热敏电阻)、直流与交流电压、直流与交流电流、二/四线电阻、频率和周期等11中不同的输入信号。

步骤4)中，所述的焊接曲线为满足美军标的JEDEC JESD 51-2热循环曲线，由预热区、保温区、再流区和冷却区4个温区组成。

步骤7)中，由于63Pb37Sn焊料焊后阶段的凝固温度为183℃，则光互连模块样件由183℃降温至室温以及室温保温30分钟过程中280～2080s时间段X方向对准偏移量变化较小，只求出保温始末时刻偏移量。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种测量光互连模块关键位置焊后对准偏移的方法，为了准确获取焊后偏移量，本文采用迈克尔逊干涉法测量，其优点是将难以直接测量偏移量值通过偏移量测量系统转化为可直接记录的干涉波纹变化圈数，在通过公式进行计算，并且通过对多次重复性实验结果的分析降低随机误差。该方法以此设计出试验样件、偏移量测量系统、温度检测系统、再流焊接系统等几个组成部分共同组成光互连焊后偏移量测量系统，弥补现有技术的缺陷。

附图说明

图1为实施例的方法流程示意图；

图2为实施例的结构模型示意图；

图3为实施例的PCB电路图；

图4为实施例的焊后样件实物图；

图5为实施例温度检测系统；

图6为实施例再流焊接系统；

图7为实施例的关键位置焊后对准偏移测量系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种测量光互连模块关键位置焊后对准偏移的方法，具体包括如下步骤，如图1所示：

1)设计并制作待测样件；

2)偏移量测量系统设计：由迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜、分束器、定镜、动镜、控制面板、底座组成；所述动镜安装在待测样件上；

3)温度检测系统设计：将J型热电偶接线端正极连接Agilent 34970A数据扫描器的34901A单元模块中CH01-H通道，负极接CH01-L通道，探测端放于待测位置，通过RS232数据线连接计算机和Agilent 34970A数据采集器，对计算机上的Agilent BenchLink DataLogger 3软件进行仪器配置―通道配置―扫描时间间隔设置―扫描―数据存档；

4)再流焊接系统设计：依次包括满足焊球焊接温度曲线标准要求的1立方英尺玻璃箱、样件放置平台、800W埋入式远红外陶瓷加热板若干块、温度单片机控制系统，单片机系统通过对焊接区域温度感应，控制红外加热板工作，当感应温度达到再流焊曲线要求时停止加热板加热，否则继续加热，从而在温控箱内模拟标准再流焊接过程，确保实验结果数据可靠有效；

5)焊后位置偏移测量系统连接：将制作好的光互连模块实测样件安放于实验系统中，进行光互连模块再流焊接和关键位置处对准偏移测量；

6)启动测量系统:打开激光开关，调节定镜后面的微调螺丝，使观察屏上两个最强光点重合，再将扩束器转到光路中，如此屏上将出现干涉波纹，同样微调螺丝移动干涉波纹纹心至视场合适位置，对扩束器进行二维调节；

7)计算位移量：记录干涉波纹中心有N个环消失或者涌出，根据公式计算所测位置处的X、Y方向的位移大小：

具体过程如下：

(1)设计并制作实验样件，模型结构示意图如图2所示，PCB采用FR-4环氧玻璃布层压板，电路图如图3所示，模型上层PCB尺寸为27mm×27mm×1.52mm，中层PCB尺寸为35mm×35mm×1.52mm，下层PCB尺寸为55mm×50mm×1.52mm，光耦合元件半径为0.0625mm、光耦合元件长度为2.76mm，埋入式光纤半径为0.0625mm、埋入式光纤长度为30mm，焊盘半径为0.3mm，上层焊球体积为0.2mm³、高度为0.52mm、间距为1.5mm，下层焊球体积为0.2mm³、高度为0.48mm、间距为1.5mm，焊球钎料为63Pb37Sn；制作出实物如图4所示，器件参数如表1所示；

(2)设计出偏移量测量系统，具体由迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器(波长λ＝632.8nm)、扩束镜、分束器、定镜、动镜(安装在待测样件上)、控制面板、底座组成；

(3)设计温度检测系统，将J型热电偶接线端正极连接Agilent 34970A数据扫描器的34901A单元模块中CH01-H通道，负极接CH01-L通道，探测端放于待测位置。通过RS232数据线连接计算机和Agilent 34970A数据采集器，如图5所示，对计算机上的AgilentBenchLink Data Logger 3软件进行仪器配置―通道配置―扫描时间间隔设置―扫描―数据存档；

(4)再流焊接系统设计：依次包括满足焊球焊接温度曲线标准要求的1立方英尺玻璃箱、样件放置平台、800W埋入式远红外陶瓷加热板若干块、温度单片机控制系统。单片机系统通过对焊接区域温度感应，控制红外加热板工作，当感应温度达到再流焊曲线要求时停止加热板加热，否则继续加热，从而在温控箱内模拟标准再流焊接过程，确保实验结果数据可靠有效，如图6所示；

(5)将制作好的光互连模块实测样件安放于实验系统中，进行光互连模块再流焊接和关键位置处对准偏移测量工作，如图7所示；

(6)启动测量系统：打开激光开关，调节定镜后面的微调螺丝，使观察屏上两个最强光点重合，再将扩束器转到光路中，如此屏上将出现干涉波纹，同样微调螺丝移动干涉波纹纹心至视场合适位置，对扩束器进行二维调节，可以纠正观察屏上光照不均匀现象，从而方便观察；迈克尔逊干涉仪属于精密光学仪器，需保持实验室低照度环境下使用该仪器，室内应避免强烈的空气流动，要保持基座平台水平且尽可能避免周围物体的振动干扰；

(7)计算位移量：记录干涉波纹中心有N个环消失或者涌出，根据公式计算所测位置处的位移大小：

为了尽量减小实测误差，X、Y方向对准偏移量各进行了3组实验测量，每组测量的实验环境和操作过程尽量保持一致，保证实验数据真实有效，并根据焊后光互连模块样件建立相应有限元分析模型，得到关键位置X、Y方向对准偏移量分别如表2、表3所示。

表1光互连模块主要器件列表

表2 X方向对准偏移量实验结果

表3 Y方向对准偏移量实验结果