PCB设计MOEMS器件技术与封装（下）

caroline11

4.2 MOEMS封装技术MOEMS封装技术可分为管芯固定、外壳、布线和光互连几个主要方面。在MOEMS中，商用器件需要实用的MOEMS混合的可靠和安全屏蔽的封装。由于光学具有非接触、非插入性，所以PCB设计MOEMS器件的封装比MEMS器件的封装要容易得多，并可利用MEMS设计，但需要极好和可靠的光对准。

光对准：为了获得可靠和低损耗的系统。在MOEMS中光器件的对准是最重要的。目前MOEMS有无源对准和有源对准两种方法。无源对准通常是在制作工艺期间一次实现，制作误差或温度变化都可降低对准的精确性，这些误差可用有源对准系统进行补偿。有源对准较复杂，但有源对准有助于减少系统公差，并可获得光器件的实时对准。多模应用的光对准可采用无源的像Si V形槽一类的导波结构。组装MOEMS模块的一个成熟的方法是采用基于Si光台阶／Si微机械技术的无源对准光子系统组装。它也可用于单模光纤与混合集成的光元件或电元件的无源对准，主要取决于V形槽的精度。这种封装技术已发展到晶片级的自对准Si基板。为防止光纤移动，采用InP波导来替代光纤的手工操作。由于MOEMS技术本身的精度不够，对大多数像OXC一类的单模器件，还必须采用有源对准。

在自由空间光互连和光存储领域中，有特殊要求的集成微光子系统是模拟和标准化的。为达到对准要求，定位的自由度必须减至最少，已开发了具有定位装置的预制模块。为了可自由地组合不同的标准部件，关键是需要建立机械和光学标准。典型的自组装式MOEMS光开关已向高度集成化方向前进了一大步。

外壳：MOEMS的几何接口要求与平面集成类似。在平面自由空间集成中，由于在衬底内以一个偏离轴心的角度进行光传播，并且所有的光功能在衬底的表面完成。因此其接口也位于衬底的表面。所以不能采用诸如传统的IC管壳进行封装。一般将芯片置于密闭的外壳内，以防止敏感的光学器件受到外界光线影响，但必须留出一条光通道，需要在外壳内设计一个导光的盖板或窗口。如今MOEMS已有许多商用化的封装技术，广为采用的封装方法有陶瓷、塑料和金属三种普通类型。由于陶瓷安全可靠、稳定、坚固、不会弯曲变形，MOEMS大多采用陶瓷空腔外壳。陶瓷外壳常由一个基座或通过粘接剂或焊料连接一个或多个管芯的管座构成，盖板为透明玻璃。以确保良好的密封性能。例如，采用snap技术的LCC snap阵列陶瓷空腔外壳比有引线的管壳小、成本低，导线压焊和倒焊适应于电互连。

布线和电互连：所有MOEMS封装必须提供光和电的互连。金属线焊接是电连接管芯和管壳的传统技术。采用倒装片(FC)技术可在整个芯片区布置焊料球，可提供较高密度的I／O连接。但由于熔化焊料的加热工艺可使芯片受到损伤并产生不同轴的现象，所以不能用于光机械组装。一个有效的解决方法是确定从MOEMS表面到管壳外表面的电接触通道(包括通过衬底的导电性)，通过深RIE腐蚀技术制作这些通道的通孔，并涂覆隔离层和导电层。

此外，电路、金属布线常规工艺与Si MOEMS制作中的各向异性深腐蚀工艺之间有不相容性。在制作微机械结构的Si各向异性深腐蚀过程中，已制作完成的电路和金属布线易受到腐蚀而被损坏。一般解决方法有：用Au作电路和布线的保护膜；对电极引线孔进行浓扩散后，在玻璃盖上蒸发Al作为引线焊点，再将其压合到一起。但这两种方法都增大了工艺难度，并限制了Si MOEMS的集成化和微型化。为此又开发了采用SiO2／Cr作保护膜的方法，其工艺简单、成本低，并实现了工艺之间的兼容性。 光互连：PCB设计MOEMS器件光互连的关键是减小对准损耗。在精确的V槽中用稳定性很好的粘接剂固定玻璃光纤，并需通过无源或有源调节来对准管芯。

除了进行PCB设计MOEMS器件的开发设计外，还应重视MOEMS在PCB上的装配技术。在光电子学和MOEMS的光互连中，对背板和印制板(PCB)的关注正在增长。但PCB在装配方面还无章可循。基本原则是将器件、封装和装配作为一个相互影响相互作用的系统。目前正在研究MOEMS对PCB装配的影响，并需要开发PCB装配工艺及标准。

一个好的解决方法是采用聚合物波导电光电路板，即将PCB载体与光结构结合在一起。对于光链路，选择带有热凸台波导结构的一个附加光层。该附加光层包括下包层、芯层、上包层，并通过PCB制作工艺的标准压层技术制作成一个薄片，最终成为电光电路板(EOCB)。图5示出该EOCB的装配，它包括电／光载体、光电器件和驱动器。如VCSEL和PIN光电器件可直接与波导耦合。该光层放进平板管壳的中间，以便在焊接期间保护具有高热负载的光结构。然后通过标准压层制作EOCB。

通过直接对接耦合，可实现光电器件与波导之间的耦合。其连接过程也解决了薄层内光电器件与光多模结构的精确对准问题，并使器件与波导轴之间的轴偏移最小化。此外，由于减小了光束变宽的效应，通过直接对接耦合也限制了相邻信道之间的串话。在图6中示出了整个用于EOCB的对接耦合的光电器件装置。目前，已开发了具有光发射器、驱动器和插件的EOCB测试插件板系统。

4.3 具有发展前景的HDI MCM封装工艺此外，适合于MEMS的HDI MCM封装工艺是一个很有希望的方法。这也是将MEMS技术引进光电一多芯片组件(OE-MCM)中的新应用。由于在公共衬底中HDI MCM封装工艺有支持多种类型管芯的能力，很适合用于MOEMS封装。HDIMCM为MOEMS的集成和封装提供了灵活性，所以无需改变MEMS或电子学制作工艺。在采用标准化HDI工艺完成封装MOEMS芯片所需的窗口之后，可采用大面积激光切开技术切开要接入MOEMS的芯片。打开可物理接入MEMS管芯所必须的窗口。但MCM或平板级的缺点之一是在光纤中不能实现无源光结构(诸如分束器或合束器一类)，只能采用拼接方式。因此，MOEMS不能用标准的SMD工艺组装，必须采用增加成本的其他方法。

5 发展前景MOEMS是一种新兴技术，它为电信和数据通信应用提供了重量很轻、小型化和低成本的光器件，实现了具有微光元件单片集成的可移动结构，已成为21世纪电子领域的代表性技术之一。

MOEMS正受到研究单位和工业界的极大关注。美国Sandia国家实验室、科罗拉多大学及其他一些研究机构都相继开发出颇有价值的PCB设计MOEMS器件，并在国际上掀起了开发MOEMS光开关等光电器件的热潮。目前MOEMS已开始商用化。例如商品化的MOEMS光学系统已用于最先进的数字投影仪，并开始在数字影院试运行。

MOEMS市场前景看好。据称在2003年进入市场的光开关价值达4.4～l0亿美元，在2003年，MOEMS的市场份额为MEMS总市场的8％。表2为MOEMS应用市场的类型和份额。

MOEMS作为一种新型封装器件，其组件和封装为特殊应用，所以与标准的微电子方法不同。在MOEMS中其封装成本所占比例最大。MOEMS封装不仅要确保产品的预期性能，而且要使器件性能可靠，并具有市场竞争力。MOEMS要在这一新兴技术领域占有一席之地，将面临产品制造的可重复性、封装和工艺流程的标准化、核心器件的可靠性和寿命等一系列课题。即不仅要开发器件技术，也要开发封装技术。虽然MOEMS的封装难度较大，但发展速度很快，如今已有许多商用化的封装技术。这意味着并不缺少解决办法，而缺少如何将它运用到MOEMS生产中，MOEMS及其器件技术在未来的信息技术和光电子学领域的前途一片光明。