CN116117311A - 一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法 - Google Patents

一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，与传统的胶封、焊料熔封等工艺不同，本发明对光纤、外壳的材料、工艺、结构进行匹配性设计，通过六自由度激光熔封技术实现光纤与外壳的气密性封装，并进行可靠性评估，保证每一个气密性封装都满足要求，本发明可实现光纤及其他线缆与管壳的气密性封装，可广泛用于高质量等级光电模块等带线缆产品的气密性高可靠封装，衍生出的气密性高可靠光电模块等产品在光纤通信、高速数据传输等许多方面具有非常广阔的应用前景。

Description

一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法
技术领域
本发明涉及光电、微电子封装技术领域，具体为一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法。
背景技术
随着数据量爆炸性增长，大数据时代对互连密度和更高带宽的需求日益增长，同时，鉴于先进的高带宽通信交换设备对成本的严格约束，常规的电气互连面临着几大挑战，并渐渐成为高速信号传输的瓶颈。为了克服上述问题，自1984年首次提出集成电路光互连的概念以来，光互连技术作为一个具有巨大潜力的有效方案备受关注。用光作为信息载体传输高速信息，具有极高的时空带宽积、高的互连密度、高度并行性和无干扰性、大规模多芯片集成等特点，使得凭借于光波，通信系统中大容量、高速率数据交换得以实现。近年来，光通信技术发展迅速，光模块产品迭代加速。
然而，目前光模块光纤与外壳的封装技术均采用环氧树脂胶封，尚未研发出真正意义上的气密性产品，在可靠性等方面存在短板。此外，光电模块中光芯片在复杂的高温环境中衰减严重，对封装的热设计有较高要求，现有光模块光纤与外壳的封装技术不成熟，消耗量大，成本高，因此，气密性高可靠光纤与外壳的封装技术亟待研发。
发明内容
本发明目的在于提供一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，以克服现有技术中光模块光纤与外壳的封装技术不成熟，消耗量大，成本高的问题，
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，包括以下步骤：
S1：根据设计定制外壳、金属化光纤和工装；
S2：将芯片、电阻、电容和基板封装到外壳中；
S3：将金属化光纤穿过外壳尾管，进行光纤耦合；
S4：对耦合后的金属化光纤进行加固；
S5：将外壳和金属化光纤固定到工装上；
S6：对金属化光纤和外壳进行气密性封装。
优选地，S6中的封装采用六自由度激光熔封工艺。
优选地，六自由度激光熔封工艺使用一个激光光源实现。
优选地，外壳尾管的材料为可伐、铝合金、铝/硅、铝/碳化硅、不锈钢、铜合金、钛合金和镁合金中的一种。
优选地，外壳和光纤封装区域的形状为圆形、矩形或其他异形。
优选地，S6中的封装采用光纤激光器或YAG激光器。
优选地，S6结束后对封装完毕的外壳和光纤进行可靠性评估，包括漏率检测、内部水汽含量检测、温度检测、稳定性烘焙考核、耐湿考核、盐雾考核、机械冲击考核和随机振动考核。
优选地，漏率检测采用氦质谱检漏法检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，与传统的胶封、焊料熔封等工艺不同，本发明对光纤、外壳的材料、工艺、结构进行匹配性设计，通过六自由度激光熔封技术实现光纤与外壳的气密性封装，并进行可靠性评估，保证每一个气密性封装都满足要求，本发明可实现光纤及其他线缆与管壳的气密性封装，可广泛用于高质量等级光电模块等带线缆产品的气密性高可靠封装，衍生出的气密性高可靠光电模块等产品在光纤通信、高速数据传输等许多方面具有非常广阔的应用前景。
进一步地，本发明采用六自由度激光熔封工艺，激光封焊的封装热影响区较钎焊等工艺更小，有利于对光纤质量的保护。
进一步地，本发明通过氦质谱检漏法漏率检测、内部水汽含量检测、温度检测、稳定性烘焙考核、耐湿考核、盐雾考核、机械冲击考核和随机振动考核，可靠性高。
附图说明
图1是本发明气密性高可靠光纤与外壳的封装方法结构图；
图2是本发明气密性高可靠光纤与外壳的封装方法流程图；
图3是本发明气密性高可靠光纤与外壳的封装方法质量可靠性考核流程图；
图4是气密性高可靠12路光发射模块外壳封装方案流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的提供了一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法。
本发明的技术解决方案是：
本发明涉及的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，包括光纤局部金属化密封区结构设计、外壳材料设计、外壳结构设计、封装热学设计、封装力学设计等。
通过六自由度激光熔封技术实现光纤与外壳的气密性封装。对光纤局部进行金属化处理并设计特殊的台阶状结构的密封节，外壳根据光纤规格尺寸、材料、结构匹配设计相应的尾管，光纤密封节台阶与外壳尾管端面形成封焊界面。根据产品结构定制激光熔封工装，实现外壳、光纤在六个自由度的同步匹配运动。通过调整激光功率、封装速度等参数可实现光纤与外壳的气密性高可靠激光熔封。
一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，包括以下步骤：
步骤1、根据设计需要定制外壳、金属化光纤和工装；
步骤2、将芯片、电阻、电容、基板等元器件封装到外壳中；
步骤3、将光纤穿过外壳尾管，进行光纤耦合；
步骤4、耦合后对光纤进行加固；
步骤5、将外壳、光纤固定到匹配设计的工装上；
步骤6、光纤与外壳三维激光封装；
步骤7、氦质谱检漏及可靠性评估。
通过六自由度激光熔封工艺实现气密性封装，封装工艺仅涉及激光封焊技术，不涉及胶封、焊料熔封、钎焊、玻璃熔封等其他封装技术，可广泛应用于高质量等级光电模块产品的气密性封装。
主要封装结构包括但不限于外壳、尾管、光纤(包括但不限于单根、阵列等结构)、局部金属化光纤密封节、密封节台阶、热缩管、光纤接口等。
外壳尾管与光纤局部金属化密封区的材料进行了封装匹配性设计，材料包含但不限于可伐、铝合金、铝/硅、铝/碳化硅、不锈钢、铜合金、钛合金、镁合金等，材料表面可根据需求进行镀金、镀镍等表面处理。材料、镀层可根据需求定制。
外壳尾管与光纤局部金属化密封区的结构进行了封装匹配性设计，外壳侧壁根据光纤规格尺寸、材料、结构匹配设计相应的尾管，封焊区结构可定制，包括圆形、矩形、其他异形等，光纤可穿过外壳尾管，光纤局部金属化后焊接台阶结构的密封节，密封节台阶与外壳尾管端面形成激光熔封界面。
可根据产品结构定制激光熔封工装，外壳、光纤可固定在工装上，工装可实现外壳、光纤在X、Y、Z、θx、θy、θz六个自由度的同步匹配运动，激光熔封路径可在三维空间自由设计，适用于不同结构的光纤、外壳激光熔封。
可通过调整激光器类型(包括但不限于光纤激光器、YAG激光器等)、激光波长(包括但不限于1064nm、1030nm等)、激光功率、占空比、脉冲宽度、脉冲周期、封装速度等参数可实现不同材料、不同结构光纤与外壳的气密性高可靠激光熔封，封装精度高、热影响区小、强度高、气密性好、可靠性高。
仅需要一个激光光源，配合定制工装，即可实现光纤与外壳在三维空间的自由封装。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行密封考核(方法1014.2，A1条件，C1条件)，氦质谱检漏法漏率≤5×10-9Pa·m3/s，氟碳化合物检漏合格。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行内部水汽含量检测(方法1018.1)，内部水汽含量≤5000ppm。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行不少于100次的温度循环考核(方法1010.1，B条件，温度范围-55℃～125℃)，考核后气密性检测合格。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行稳定性烘焙考核(方法1008.1，C条件，125℃，168h)，考核后气密性检测合格。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行耐湿考核(方法1004.1)，循环次数至少10次。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行盐雾考核(方法1009.2，A条件)，时间至少24小时。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行机械冲击考核(方法2002.1，A条件，Y1方向)，峰值加速度49000m/s2，脉冲宽度1.0ms，考核后气密性检测合格。
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行随机振动考核(方法2026.1，试验条件1中的F)，功率谱密度30(m/s2)2/Hz，加速度总均方根值207.1m/s2，考核后气密性检测合格。
光纤与外壳封装后可根据使用要求进行其他项目考核。
该技术主要应用于高质量等级单路、多路并行光模块等带纤缆、线缆产品的气密性封装。
本发明优点：
1.本发明涉及的气密性高可靠光纤与外壳的封装技术，本发明涉及的气密性高可靠光纤与外壳的封装技术，可通过六自由度高精度小热影响区激光封焊工艺实现光纤与外壳的气密性封装，封装漏率≤5×10-9Pa·m3/s，内部水汽含量≤5000ppm，不涉及胶封等非气密封装、以及铅锡熔封等其他工艺，可广泛应用于高质量等级光电模块等产品的气密性封装。
2.本发明涉及的气密性高可靠光纤与外壳的封装技术，根据不同的光纤、外壳结构在三维空间自由编辑激光封装路径，封装路线多样、可定制、兼容性好、适应性宽泛。
3.本发明涉及的气密性高可靠光纤与外壳的封装技术，激光封焊的封装热影响区较钎焊等工艺更小，有利于对光纤质量的保护。
4.本发明涉及的气密性高可靠光纤与外壳的封装技术，可承受温度循环、稳定性烘焙、耐湿、盐雾、机械冲击、随机振动等严苛的质量考核，可靠性高。
实施例：
下面结合附图对本发明做进一步描述：
一.气密性高可靠光纤与外壳的封装结构
气密性高可靠光纤与外壳的封装结构如图1所示。主要封装结构包括但不限于外壳、尾管、光纤(包括但不限于单根、阵列等结构)、局部金属化光纤密封节、密封节台阶、热缩管、光纤接口等。外壳尾管与光纤局部金属化密封区的材料进行了封装匹配性设计，材料包含但不限于可伐、铝合金、铝/硅、铝/碳化硅、不锈钢、铜合金、钛合金、镁合金等，材料表面可根据需求进行镀金、镀镍等表面处理。材料、镀层可根据需求定制。外壳尾管与光纤局部金属化密封区的结构进行了封装匹配性设计，外壳侧壁根据光纤规格尺寸、材料、结构匹配设计相应的尾管，封焊区结构可定制，包括圆形、矩形、其他异形等，光纤可穿过外壳尾管，光纤局部金属化后焊接台阶结构的密封节，密封节台阶与外壳尾管端面形成激光熔封界面。
二.气密性高可靠光纤与外壳封装技术流程
首先根据设计需要定制外壳、金属化光纤和工装；然后将芯片、电阻、电容、基板等元器件封装到外壳中，之后将光纤穿过外壳尾管，进行光纤耦合；进而对耦合后的光纤进行加固；可根据产品结构定制激光熔封工装，外壳、光纤可固定在工装上，工装可实现外壳、光纤在X、Y、Z、θx、θy、θz六个自由度的同步匹配运动，随后将外壳、光纤固定到匹配设计的工装上；继而对光纤与外壳进行三维激光气密性封装，激光熔封路径可在三维空间自由设计，适用于不同结构的光纤、外壳激光熔封。可通过调整激光器类型(包括但不限于光纤激光器、YAG激光器等)、激光波长(包括但不限于1064nm、1030nm等)、激光功率、占空比、脉冲宽度、脉冲周期、封装速度等参数可实现不同材料、不同结构光纤与外壳的气密性高可靠激光熔封。至此气密性高可靠光纤与外壳的封装技术制造流程结束。后续进行测试、检验、外壳封装，并进行氦质谱检漏及可靠性评估。
三.气密性高可靠光纤与外壳的封装技术质量可靠性考核流程
气密性高可靠光纤与外壳的封装技术质量可靠性考核按4个分组进行，如图3所示。
分组一：
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行外部目检(方法2009.1)，确保外部目检合格；
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行密封考核(方法1014.2，A1条件，C1条件)，氦质谱检漏法漏率≤5×10-9Pa·m3/s，氟碳化合物检漏合格；
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行内部水汽含量检测(方法1018.1)，内部水汽含量≤5000ppm。
分组二：
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行稳定性烘焙考核(方法1008.1，C条件，125℃，168h)；
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行不少于100次的温度循环考核(方法1010.1，B条件，温度范围-55℃～125℃)；
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行密封考核(方法1014.2，A1条件，C1条件)，氦质谱检漏法漏率≤5×10-9Pa·m3/s，氟碳化合物检漏合格。
分组三：
光纤与外壳封装后需通过GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行机械冲击考核(方法2002.1，A条件，Y1方向)，峰值加速度49000m/s2，脉冲宽度1.0ms；
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行随机振动考核(方法2026.1，试验条件1中的F)，功率谱密度30(m/s2)2/Hz，加速度总均方根值207.1m/s2；
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行密封考核(方法1014.2，A1条件，C1条件)，氦质谱检漏法漏率≤5×10-9Pa·m3/s，氟碳化合物检漏合格。
分组四：
光纤与外壳封装后按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行耐湿考核(方法1004.1)，循环次数至少10次；
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》进行盐雾考核(方法1009.2，A条件)，时间至少24小时。
通过以上考核，确保外壳能够满足高质量等级气密性高可靠光电模块等产品在各类环境下正常运行使用。
四.气密性高可靠12路光发射模块外壳封装方案
气密性高可靠12路光发射模块外壳封装时，先将电阻、电容通过回流焊工艺焊接在基板(如PCB板等)上，并进行焊接后清洗及目检。然后根据设计要求将芯片粘接到基板上，并进行固化。之后将1×12阵列VCSEL芯片粘接在导热凸台上，固化后进行目检。继而进行键合互联，键合后进行非破坏性键合拉力试验考核并进行目检。键合后进行光纤耦合，可通过有源耦合或无源耦合的方式完成，耦合后对光纤进行二次加固，并进行目检。之后对误码率、眼图等参数进行测试，测试后对光纤与外壳进行封装，使用高精度小热影响区激光封焊工艺，确保光纤与外壳封装的气密性。光纤与外壳封装后进行内部目检，清理模块内部多余物，然后对外壳进行封装，封装前进行真空烘烤，同样使用高精度小热影响区激光封焊工艺。外壳封装后需进行氦质谱检漏，确保模块漏率≤5×10-9Pa·m3/s，最后进行外观检验。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明思路的前提下，还可以设计其他封装类型的气密性高可靠光纤与外壳的封装技术，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据设计定制外壳、金属化光纤和工装；
S2：将芯片、电阻、电容和基板封装到外壳中；
S3：将金属化光纤穿过外壳尾管，进行光纤耦合；
S4：对耦合后的金属化光纤进行加固；
S5：将外壳和金属化光纤固定到工装上；
S6：对金属化光纤和外壳进行气密性封装。
2.根据权利要求1所述的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，S6中的封装采用六自由度激光熔封工艺。
3.根据权利要求2所述的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，所述六自由度激光熔封工艺使用一个激光光源实现。
4.根据权利要求1所述的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，外壳尾管的材料为可伐、铝合金、铝/硅、铝/碳化硅、不锈钢、铜合金、钛合金和镁合金中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，外壳和光纤封装区域的形状为圆形、矩形或其他异形。
6.根据权利要求1所述的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，S6中的封装采用光纤激光器或YAG激光器。
7.根据权利要求1所述的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，S6结束后对封装完毕的外壳和光纤进行可靠性评估，包括漏率检测、内部水汽含量检测、温度检测、稳定性烘焙考核、耐湿考核、盐雾考核、机械冲击考核和随机振动考核。
8.根据权利要求7所述的一种气密性高可靠光纤与外壳的封装方法，其特征在于，漏率检测采用氦质谱检漏法检测。
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