溫度載荷下光互連模塊對準(zhǔn)偏移分析

黃春躍，吳 松，梁 穎，李天明，郭廣闊，熊國際，唐文亮

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004;2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，成都 610021;3.桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車與動力工程系，廣西桂林 541004)

0 引言

光互連有并行、高帶寬、能降低外界串?dāng)_和磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)，能很好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬互連，提高傳輸速率和互連可靠性。將光引入到電路板中，用“光互連”代替“電互連”發(fā)展高速光電印制電路板(EOPCB，electronic-optical printed circuit board)波導(dǎo)光互連技術(shù)［1］，對于促進(jìn)高速光互連集成電路信息處理和傳輸系統(tǒng)，發(fā)展寬帶寬、高速、大容量的信息通訊網(wǎng)和高性能計(jì)算機(jī)和處理系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

一種典型的板級光互連模塊結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示［2］。光信號在芯片與芯片間的傳輸路徑如圖1中①→④箭頭所示，圖中VCSEL作為光源發(fā)射器，大規(guī)模集成電路芯片產(chǎn)生的電信號通過驅(qū)動芯片作用在VCSEL激光發(fā)生器上產(chǎn)生相應(yīng)的光信號，光信號從VCSEL發(fā)出后，傳入到VCSEL與光電印制板間帶有45°鏡面的聚合物光耦合元件，從光耦合元件中通過45°鏡面反射傳送到印制電路板的光波導(dǎo)中，在光波導(dǎo)的另一端通過45°鏡面?zhèn)魉偷焦怦詈显?，繼而傳給光電二極管陣列(PD，photo-diode)接收，再經(jīng)過接收芯片轉(zhuǎn)換成電信號傳送給大規(guī)模集成電路芯片進(jìn)行后續(xù)的電信號處理。

針對光互連模塊的對準(zhǔn)損耗，Krzysztof NIEWGLOWSKI等人［1，2］研究了圖1 中 VCSEL 與耦合元件(圖1中位置①處)、光電接收器與耦合元件分別在1 dB和3 dB耦合損耗下的偏移容忍度;TAO Qing 等人［3，4］研究了耦合元件與波導(dǎo)在 45°鏡面反射處波導(dǎo)的軸向與縱向偏移對于耦合效率的影響，并對光電印制電路板在涂覆工藝中光波導(dǎo)芯層截面變形后對光傳輸耦合效率的影響展開了研究。Sh.Afyouni Akbari等人［5］研究了硅基光互連模塊上VCSEL與MMF和PIN之間的耦合效率。Nikolaos Bamiedakis等人［6］提出了一種能與傳統(tǒng)印制電路板兼容的低制造成本的EOPCB結(jié)構(gòu)，簡化EOPCB的組裝工藝步驟。Hideyuki Nasu等人［7］研究了一種微型光互連模塊中Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)在經(jīng)歷250℃回流焊接后產(chǎn)生的位置偏移對光耦合效率的影響。

上述學(xué)者對板級光互連模塊中光傳輸耦合效率的研究僅限于模塊處于靜態(tài)或非工作狀態(tài)的條件下所展開的，沒有考慮溫度、振動沖擊等外界動態(tài)因素的影響，而在光互連模塊的實(shí)際工作過程中必然會經(jīng)歷周期性的開關(guān)狀態(tài)從而導(dǎo)致模塊的溫度發(fā)生升降變化(相當(dāng)于經(jīng)歷熱循環(huán)加載過程)，由于各部件材料的熱膨脹系數(shù)不同，使得各部件在受熱后產(chǎn)生熱失配，導(dǎo)致各部件間產(chǎn)生熱變形，在關(guān)鍵位置處產(chǎn)生位置偏移最終影響光互連的耦合效率。因此對溫度、振動沖擊等外界動態(tài)因素影響光互連模塊的耦合效率展開相應(yīng)研究是十分必要的。由此本文對溫度載荷加載條件下光互連模塊中的VCSEL與耦合元件之間(圖1中①處)、耦合元件與光波導(dǎo)之間(圖1中的②處)的位置偏移展開研究，通過建立光互連模塊有限元分析模型并進(jìn)行溫度載荷加載條件下的熱變形位移分析，獲取由于各通道在關(guān)鍵位置處的位置偏移，研究結(jié)果可以為減小板級光互連模塊關(guān)鍵位置處的位置偏移提供理論指導(dǎo)，豐富光互連模塊傳輸可靠性的相關(guān)理論。

1 光互連模塊溫度載荷加載下對準(zhǔn)偏移有限元分析

1.1 光互連模塊三維有限元模型

在對圖1所示的光互連模塊進(jìn)行有限元建模分析時，由于光發(fā)射模塊和光接收模塊結(jié)構(gòu)對稱，所以選取整體結(jié)構(gòu)的1/2建立有限元模型作為研究對象，建立的光互連模塊三維有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 光互連模塊的有限元分析模型

其中PCB整體長寬尺寸為70 mm×70 mm，PCB由上中下三層結(jié)構(gòu)所組成，其最上層和最下層均為FR4層，中間為銅箔層，上、下FR4層的厚度均為0.2 mm，銅箔層的厚度為0.125 mm，銅箔層內(nèi)埋置有12根截面為0.05 mm×0.05 mm的光波導(dǎo)，波導(dǎo)間距為0.25 mm。陶瓷基板的材質(zhì)為Al2O3，其長寬厚尺寸為13 mm×13 mm×0.635 mm。

陶瓷基板與PCB之間通過96個直徑為0.76 mm的Sn63Pb37焊球連接，焊點(diǎn)間距為1 mm。垂直腔面發(fā)射器選用Finisar公司設(shè)計(jì)的12通道 VCSEL。VCSEL與陶瓷基板間為24個無鉛SnAgCu焊球，焊球的高度為0.1 mm，半徑為0.06 mm，體積為0.8 ×10－3mm3。

光互連模塊中VCSEL焊點(diǎn)和陶瓷基板焊點(diǎn)的材料分別為共晶釬料 Sn63Pb37與 SnAgCu［2］，其材料模式處理為彈塑性和蠕變性。光互連模塊中陶瓷基板、光波導(dǎo)、耦合元件和VCSEL等其他組件均認(rèn)為是線彈性材料，即為各向同性的材料。材料的特性參數(shù)，見表1。

表 1 材料參數(shù)［1，2，8］

光互連模塊所采用的加載方式是溫度加載，按照美國軍標(biāo)MIL-STD-883選取溫度載荷加載條件［8］，加載曲線如圖3所示。溫度范圍為－55℃ ～125℃，升降溫度速率為36℃/min，高、低溫各保溫10 min，一個周期為1800 s。在周期加載條件下，零應(yīng)力應(yīng)參考溫度Tref=125℃。由于焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變在溫度載荷中呈周期性變化，一般認(rèn)為在第四周期趨向穩(wěn)定，所以本文進(jìn)行四個周期的溫度加載。有限元模型的邊界條件為PCB底部角點(diǎn)全約束，由于選用的是二分之一對稱模型，所以模型中間切面施加對稱約束。

圖3 溫度載荷曲線

1.2 光互連模塊溫度載荷條件下對準(zhǔn)偏移有限元分析結(jié)果

由于各部件材料的熱膨脹系數(shù)不同，經(jīng)過4個周期的溫度載荷以后，光互連模塊中VCSEL與耦合元件，耦合元件與光波導(dǎo)之間均發(fā)生位置移動，光互連模塊中關(guān)鍵部件位移云圖，如圖4所示，從圖中可以看出模型下端波導(dǎo)到耦合元件上端位移值逐漸增大，而在VCSEL處的位移值減小。由于不同部件單元的軸向、水平及垂直方向的位移值不同，造成了VCSEL與耦合元件產(chǎn)生圖4左邊所示的三個方向錯位偏移，耦合元件與光波導(dǎo)之間產(chǎn)生圖4右邊所示的錯位偏移。

圖4 光互連模塊中關(guān)鍵部件位移云圖

通過獲取12路光通道中如圖4所示的VCSEL發(fā)光中心點(diǎn)A與耦合元件上端耦合中心點(diǎn)B，耦合元件下端45°折射鏡中心點(diǎn)C與波導(dǎo)入光中心點(diǎn)D的X、Y、Z三個方向的位移;計(jì)算各方向的位移差值，求得A與B，C與D在三個方向的位置偏移即為VCSEL與耦合元件，耦合元件與光波導(dǎo)的對應(yīng)方向的位置偏移。

在一個溫度載荷周期中，VCSEL與耦合元件，耦合元件與光波導(dǎo)的位置偏移在X、Y、Z的位置偏移，如圖5、圖6所示，從圖中可看出在一個溫度載荷周期中，在低溫降溫結(jié)束時刻至低溫保溫結(jié)束時刻之間，兩個關(guān)鍵耦合位置在三個方向的位置偏移均為最大。在高溫階段偏移值降至最低。并且三個方向中軸向位置偏移最大，其次為垂直偏移，水平偏移最小。

圖5 一個溫度載荷周期中VCSEL與耦合元件間的對準(zhǔn)偏移

圖6 一個溫度載荷周期中耦合元件與波導(dǎo)間的對準(zhǔn)偏移

由于在低溫階段VCSEL與耦合元件，耦合元件與光波導(dǎo)的偏移值最大，對關(guān)鍵位置處的光耦合效率影響最明顯，所以獲取12路光通道在低溫降溫結(jié)束時刻的位置偏移，如圖7、圖8所示。從圖中可以看出12路光通道在兩個關(guān)鍵位置處的軸向位置偏移最大，其次為垂直偏移，最后為水平偏移。且兩個關(guān)鍵位置對應(yīng)的12路光通道在X方向的位置偏移大小不變，而在Z方向不同通道間偏移值有輕微的波動，在Y方向變化最明顯，呈現(xiàn)出兩段偏移值大中間偏移值小的規(guī)律。

2 結(jié)語

通過對板級光互連模塊進(jìn)行溫度載荷加載下的對準(zhǔn)位置偏移分析，可以得到以下結(jié)論:

圖7 12路光通道中VCSEL與耦合元件間的對準(zhǔn)偏移

圖8 12路光通道中耦合元件與光波導(dǎo)間的對準(zhǔn)偏移

(1)有限元分析表明，在溫度載荷條件下，板級光互連模塊中VCSEL與耦合元件間，耦合元件與波導(dǎo)間會產(chǎn)生X、Y、Z三個方向的對準(zhǔn)偏移，且在溫度載荷加載過程的低溫階段兩個關(guān)鍵位置處軸向、水平和垂直三個方向的對準(zhǔn)偏移值均為最大。

(2)對光互連模塊12路光通道在低溫保溫結(jié)束時刻的對準(zhǔn)偏移進(jìn)行分析可知。兩個關(guān)鍵位置處在低溫結(jié)束時刻的軸向偏移均比其他兩個方向的偏移值大。而水平方向的位移受溫度影響最為顯著，呈現(xiàn)出兩端通道偏移大，中間通道偏移小的規(guī)律。

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