一种高精度低损耗高的光模块制备方法与流程

本发明属于光通信器件制备，尤其是涉及一种高精度低损耗高的光模块制备方法。

背景技术：

1、当前高速光模块主流制备工艺包含to同轴封装、cob板上芯片封装、硅光混合集成封装三类，是400g及以上高速光模块量产的核心技术。随着光通信向超高速、高密度、低时延、长寿命方向迭代，现有制备工艺存在固有结构性缺陷，成为制约1.6t及以上超高速光模块规模化、高良率、高可靠量产的核心瓶颈，存在有光学耦合工艺精度低、良率差、温漂稳定性不足，封装粘接、键合缺陷多，气密性与可靠性不足等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高精度低损耗高的光模块制备方法，通过优化光路耦合、散热结构、电气互连、封装固化和检测修复全流程工艺，解决超高速光模块精度容错低、热功耗瓶颈、信号完整性差、长期老化失效和量产良率低的核心问题，实现了高速光模块高良率、高可靠和低成本量产。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高精度低损耗高的光模块制备方法，包括以下步骤：

3、s1、选择合适的基材，对其进行预处理构建标准化工艺基底；

4、s2、依托标准化工艺基底进行光路核心器件的预定位结构成型、器件预处理和精准装配，构建初始光路模组；

5、s3、对初始光路进行固化和固化形变二次校准，完成模组的光路定型；

6、s4、光路定型之后，通过低温倒装键合的方式完成模组的光、电一体化集成；

7、s5、对光、电一体化集成后的模组进行除杂和封装，完成模块整体结构的封装成型；

8、s6、对封装成型的模块进行分级测试，完成光模块制备。

9、优选的，s1的过程如下：

10、s11、选择厚度为0.7-0.9mm的高导热氮化铝陶瓷作为基材，并对基材进行原始平整度筛查和初次除尘，剔除翘曲、破损、表面杂质超标的不良基材；

11、s12、筛选之后得到基板，通过纳秒激光高精度刻蚀工艺在基板表面精准划分独立功能区域，包括光器件低温区、电芯片高温区和tec制冷器件隔离区；

12、s13、在各功能区分界处，刻蚀成型深度45-55、宽度80-100的隔热槽，并采用真空填充工艺向隔热槽内填充膨胀系数≤20ppm/℃的有机硅隔热胶体；

13、s14、通过干法蚀刻工艺，在基板背面一体化成型深度90-110、间距为200的阵列式微流体散热通道；并对通道内壁做亲水抗氧化镀膜处理，预留标准化风冷和微液冷双模式散热接口；

14、s15、计算最大温漂，确保阵列式微流体散热通道温漂与最大温漂之间的误差在允许的范围内；

15、s16、依次开展等离子整体清洗和高温去应力烘烤处理，消除基板加工内应力与表面微杂质；最后进行平整度校准，保障基板整体平面度，得到标准化工艺基底。

16、优选的，s15中计算最大温漂的过程如下：

17、；

18、其中表示单区域芯片功耗，表示基板的综合导热系数，表示微通道有效散热面积。

19、优选的，s2的过程如下：

20、s21、在标准化工艺基底的低温区装配区域，采用纳米压印光刻工艺一体化制备阵列式定位凹槽和十字对位基准刻度；同时采用精密注塑工艺，在光纤阵列端面一体成型微型圆弧对位凸台，使凸台尺寸与基板定位凹槽完全匹配；

21、s22、取待装配的光路核心器件，对器件光学端面进行超精密抛光处理，去除端面毛刺、微观凸起；随后开展全域无尘脱脂清洗，清除器件表面的油污、粉尘和氧化杂质；

22、s23、预设恒温恒湿的真空无尘作业环境，在作业环境中将处理之后的光路核心器件依次放置于基板光器件低温区，通过基板定位凹槽与光纤阵列凸台的机械互锁结构，完成初步限位固定，实现器件初步同轴定位；

23、s24、通过高精度工业机器视觉系统对装配结构进行全域扫描成像，结合图像比对算法和坐标偏差补偿算法，实时采集激光器发光面中心、微透镜中心轴线和光纤纤芯轴心的三维坐标数据；动态校准三者同轴度，完成无源预对准，严格控制三维光路对准偏移量≤0.1、同轴度误差≤0.05，实现无主动调试、无人工干预的高精度自动化装配；

24、s25、对位完成后进行二次视觉复检，排查包括器件偏位、虚卡和间隙异常的缺陷，确认光路对位参数全部达标后完成定型，得到高精度稳定光路结构，即初始光路模组。

25、优选的，s24中提到的三维光路对准偏移量的计算过程如下：

26、；

27、其中分别为x/y/z三轴的对位偏差。

28、优选的，s3的过程如下：

29、s31、选用光学紫外固化胶通过全自动精密点胶设备，针对光路透镜贴合面、光纤阵列和基板对位界面进行定点微量点胶，精准控制胶层厚度为5-8；

30、s32、完成点胶之后静置2s进行消泡，采用365nm定点紫外固化工艺，设置激光稳定功率和单点精准照射时长，实现光路界面的瞬时固化，并在固化过程中实时进行界面测温，严控固化最高温度不超过80℃；

31、s33、激光固化完成后，启动机器视觉校准系统，扫描全域的光路同轴度和对位偏移量，实时检测胶体固化收缩和微小应力形变引发的光路偏差，通过坐标补偿算法完成二次微调对位校准，修正固化误差；

32、s34、二次校准完成后，将模组置于25℃恒温无尘环境静置养护5min，使光学胶体完全固化定型、界面固化应力充分释放，完成光路系统的永久定型。

33、优选的，s4的过程如下：

34、s41、在光芯片焊盘和基板预设电芯片焊盘表面采用电镀工艺制备直径在25-30的高纯铜均匀微凸点；

35、s42、采用低温热压倒装键合工艺完成芯片贴合装配，精准控制键合工艺参数，包括键合温度、键合压力和保压时长；

36、s43、键合完成后开展导通性检测与焊点外观筛查，逐一排查焊接中出现的不良缺陷，并剔除不合格的半成品；

37、s44、在基板电芯片高温区的信号排布区域采用陶瓷精密烧结工艺制备一体化立式电磁屏蔽隔离墙；

38、s45、通过阻抗调试工艺对高速信号线走线间距和等效介质厚度进行精准校准，将整条高速信号链路的阻抗严格锁定在50行业标准值，并严控阻抗误差不超过阈值，实现超高速信号精准阻抗匹配，完成模组的光、电一体化集成。

39、优选的，s45中提到的整条高速信号链路的阻抗通过如下公式计算：

40、；

41、其中表示基板等效介电常数，表示介质厚度，表示走线宽度，表示铜凸点走线厚度。

42、优选的，s5的过程如下：

43、s51、将光、电一体化集成之后的模组置于真空清洗腔体进行等离子体真空清洗，清除基板、光器件、电芯片表面附着的微米级粉尘、有机油污和表层氧化膜；

44、s52、等离子体真空清洗完成之后进行若干时间的低温无水乙醇超声精细化清洗，设置超声频率、清洗温度，精准去除焊点助焊剂残留和微颗粒附着物；

45、s53、清洗完成后转入真空烘干设备，设置恒温、真空环境烘干30min，祛除器件表面及微观缝隙水汽；

46、s54、采用温度可控的金属陶瓷无缝气密焊接工艺进行腔体封装；

47、焊接密封前对腔体进行多次气体置换，充入干燥氮气，控制腔体内部水汽含量和氧气含量；

48、焊接完成之后采用梯度温控应力缓释工艺，以5℃/min速率匀速升温至60℃、恒温养护30min后自然匀速降温至室温，抵消不同材料热膨胀系数差异产生的界面内应力。

49、优选的，s6的过程如下：

50、s61、搭建测试体系，依次完成晶圆级预测试、封装中测试和成品系统级测试，分段拦截不良品；

51、s62、针对非结构性故障产品，采用局部精准激光脱胶、定点清洁和二次纳米级对位+激光固化工艺实现无损返修；

52、s63、对检测合格、返修完成的模组进行随机抽样，开展若干时长的标准高低温循环老化测试与湿热老化测试；

53、s64、老化测试完成之后对模组光电参数、气密性、信号完整性进行最终全项复检，各项指标达标后判定为合格良品，完成光模块制备。

54、因此，本发明采用上述的一种高精度低损耗高的光模块制备方法，具有以下优点：

55、1、通过三级分段测试提前拦截不良品，可返修工艺减少物料报废解决传统工艺良率低、损耗大的痛点；

56、2、通过分区隔热+微通道散热架构，提升散热效率，基本消除多器件热串扰的情况，高温工况下器件工作温度稳定，波长漂移、信号抖动问题得到缓解；

57、3、工艺自动化程度高，批次一致性好，同时兼顾可量产性与可维护性。

58、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。