การเชื่อมต่อสายไฟสำหรับอุปกรณ์ทางแสง

อุปกรณ์ทางแสง—รวมถึงเลเซอร์ไดโอด (LDs), โฟโตไดโอด (PDs), VCSELs, ตัวรับส่งสัญญาณแสง และส่วนประกอบ LiDAR—ต้องการการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่มีความน่าเชื่อถือสูง เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพทางแสงที่เสถียรและความน่าเชื่อถือในระยะยาว ในบรรดาเทคโนโลยีการเชื่อมต่อที่มีอยู่ การเชื่อมต่อสายไฟ ยังคงเป็นหนึ่งในวิธีการแก้ปัญหาที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุด เนื่องจากมีความแม่นยำในการยึดติดสูง ความต้านทานการสัมผัสต่ำ และเข้ากันได้กับการผลิตในปริมาณมาก

เมื่อเปรียบเทียบกับการบรรจุภัณฑ์ IC แบบดั้งเดิม การบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ออปติคอลมีความต้องการที่เข้มงวดกว่าในด้านความแม่นยำในการเชื่อมต่อ การควบคุมแรงดึง การจัดการความร้อน และความสมบูรณ์ของสัญญาณ กระบวนการเชื่อมต่อสายไฟที่ควบคุมอย่างดีไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาประสิทธิภาพการเชื่อมต่อทางแสงและยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์อีกด้วย

คู่มือนี้อธิบายกระบวนการเชื่อมต่อสายไฟอย่างครบถ้วนสำหรับอุปกรณ์ทางแสง อุปกรณ์ที่แนะนำ และการใช้งานทั่วไปในด้านการสื่อสารด้วยแสง โมดูล VCSEL ไดโอดเลเซอร์ โฟโตไดโอด และระบบ LiDAR

กระบวนการเชื่อมต่อสายไฟอุปกรณ์ออปติคอล

การเชื่อมต่อด้วยลวดเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดขั้นตอนหนึ่งในการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ทางแสง ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความสมบูรณ์ของสัญญาณ และความน่าเชื่อถือในระยะยาว

1. กระบวนการผลิตเวเฟอร์

ชิปออปติคอลถูกผลิตขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ก่อนที่จะถูกแยกออกเป็นชิ้นส่วนย่อยแต่ละชิ้น

2. การหั่นลูกเต๋า

การแยกชิ้นส่วนแต่ละชิ้นโดยใช้เลเซอร์แบบซ่อนเร้นหรือการเลื่อยด้วยใบมีดบางเพื่อลดความเสียหายต่อขอบและเหลี่ยมมุมให้น้อยที่สุด

3. การเชื่อมแม่พิมพ์

การยึดชิปเข้ากับพื้นผิวหรือแผ่นระบายความร้อน โดยทั่วไปจะใช้การบัดกรีแบบยูเทคติก AuSn สำหรับเลเซอร์กำลังสูง โดยมีความแม่นยำในการวางตำแหน่งภายใน ±1-3 µm

4. การทำความสะอาดด้วยพลาสมา

การกระตุ้นพื้นผิวของแผ่นยึดติดเพื่อกำจัดออกไซด์และสารตกค้างอินทรีย์ก่อนการยึดติด

5. การจัดตำแหน่งและการประกอบทางแสง (ขั้นตอนหลักที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับอุปกรณ์ทางแสง)

การจัดเรียงเส้นใย/เลนส์แบบแอคทีฟหรือพาสซีฟเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อให้สูงสุด (ความแม่นยำระดับนาโนเมตร) ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของแพ็คเกจทางแสง

6. การเชื่อมต่อลวด – กระบวนการหลัก

วิธีการยึดติด สำหรับไดโอดเลเซอร์, VCSEL และโฟโตไดโอดความเร็วสูง การเชื่อมแบบลิ่ม (wedge bonding) เป็นที่นิยมมากกว่าการเชื่อมแบบลูกบอล (ball bonding) เนื่องจากให้ค่าความเหนี่ยวนำปรสิตต่ำกว่า รูปทรงของวงจรเรียบกว่า และลดความเครียดทางกลบนพื้นผิวออปติคอลที่บอบบาง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับสัญญาณความถี่สูงและช่อง TO-can ที่แคบ

วัสดุลวด ลวดทองคำ (ความบริสุทธิ์ ≥ 99.99%) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม ให้ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่ดีเยี่ยม ความสามารถในการเชื่อมต่อที่สม่ำเสมอ และช่วงการใช้งานที่กว้าง ลวดทองแดงมีราคาถูกกว่าและมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า 26% (401 W/m·K) ซึ่งช่วยในการระบายความร้อน แต่ต้องใช้ก๊าซขึ้นรูป (N₂/H₂) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและต้องการการควบคุมกระบวนการที่เข้มงวดกว่า ลวดทองแดงเคลือบแพลเลเดียมเป็นทางเลือกที่สมดุลระหว่างต้นทุนและความต้านทานการกัดกร่อน

พารามิเตอร์การยึดติดที่สำคัญ : การทำงานร่วมกันของกำลังคลื่นอัลตราโซนิก แรงยึดติด และเวลา เป็นตัวกำหนดคุณภาพของการเชื่อมต่อ กำลังหรือแรงที่ไม่เพียงพอจะทำให้การเชื่อมต่ออ่อนแอ ในขณะที่ค่าที่มากเกินไปจะทำให้เกิดหลุมหรือความเสียหายต่อแผ่นรอง โดยทั่วไปแล้ว ช่วงค่าที่เหมาะสมสำหรับลวดทองคำขนาด 20–50 µm บนแผ่นรอง Au/Al คือ กำลัง 60-120 mW แรง 20-50 gf และเวลา 10-30 ms แต่ต้องปรับให้เหมาะสมกับอุปกรณ์แต่ละชนิด

การควบคุมโปรไฟล์ลูปและการกวาด : ความสูงของลูปต้องลดลงให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำและป้องกันการลัดวงจรกับฝาครอบ แต่ต้องมีพื้นที่ว่างเพียงพอ รูปทรงของลูป (มาตรฐาน กลับด้าน ลูปต่ำ) จะถูกเลือกตามรูปแบบของแผ่นรอง ในระหว่างการห่อหุ้ม การกวาดของสายไฟ (การเคลื่อนที่ด้านข้าง) ต้องเป็นไปตามที่กำหนด <ใช้ช่วงความยาว 5% เพื่อป้องกันการลัดวงจร เครื่องเชื่อมขั้นสูงมีลำดับการวนลูปแบบหลายจุดที่ตั้งโปรแกรมได้

การประกันคุณภาพ : การตรวจสอบด้วย AOI แบบอินไลน์จะตรวจสอบรูปทรงของตะเข็บและรูปทรงเรขาคณิตของห่วง การทดสอบแรงดึงลวดจะวัดแรงดึงขาด (ตามมาตรฐาน MIL-STD-883 หรือ GR-468) การทดสอบแรงเฉือนของตะเข็บจะประเมินความแข็งแรงของส่วนเชื่อมต่อ การตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิคแบบอินไซต์จะให้ข้อมูลป้อนกลับแบบเรียลไทม์ ทำให้สามารถปฏิเสธการเชื่อมต่อที่บกพร่องได้ทันที

7. การห่อหุ้มแบบสุญญากาศ

ปิดผนึกบรรจุภัณฑ์ (ตะเข็บขนานสำหรับกระป๋อง TO, การเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับบรรจุภัณฑ์แบบผีเสื้อ/กล่อง) ภายใต้ก๊าซเฉื่อย

8. การตรวจจับการรั่วไหลของฮีเลียม

ตรวจสอบความแน่นหนาของบรรจุภัณฑ์ ซึ่งเป็นเกณฑ์คุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์เลเซอร์

9. การทดสอบการฉายภาพแบบเบิร์นอิน

การทดสอบการทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงและใช้พลังงานสูง เพื่อขจัดปัญหาความล้มเหลวในช่วงเริ่มต้น

10. การทดสอบทางด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์และความถี่สูง

การทดสอบประกอบด้วยกำลังแสง กระแสเกณฑ์ ความยาวคลื่น การตอบสนอง และพารามิเตอร์ S

11. การบรรจุหีบห่อ

บรรจุภัณฑ์ขั้นสุดท้ายสำหรับการจัดส่ง

เหตุใดการเชื่อมต่อด้วยลวดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ทางแสง?

ความแม่นยำในการยึดติดสูงสำหรับชิปออปติคอลขนาดเล็ก

แผ่นเชื่อมต่อชิปออปติคอลมีขนาดเล็กมาก – แผ่น VCSEL อาจมีขนาดเล็กถึง 95 µm × 157 µm โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางของลวดเพียง 20-25 µm การเชื่อมต่อด้วยลวดช่วยให้ได้ความแม่นยำในการวางตำแหน่งระดับไมครอน ซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านการวางตำแหน่งที่เข้มงวดของชิปออปติคอล ชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์มีความไวต่อแรงกดในการเชื่อมต่อสูง ดังนั้น การเชื่อมต่อด้วยลูกบอลทองคำหรือการเชื่อมต่อด้วยลิ่มที่มีความแม่นยำสูงจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เสถียรและความต้านทานการสัมผัสต่ำ

การเชื่อมต่อด้วยลวดสร้างพันธะทางโลหะวิทยาผ่านการเปลี่ยนรูปพลาสติกที่บริเวณรอยต่อ โดยอาศัยพลังงานและแรงจากคลื่นอัลตราโซนิก พันธะของแข็งนี้ให้ความต้านทานการสัมผัสต่ำมาก ทำให้มั่นใจได้ถึงการส่งสัญญาณความถี่สูงที่มีความแม่นยำสูง สำหรับอุปกรณ์สื่อสารด้วยแสง ค่าความเหนี่ยวนำปรสิตต่ำมีความสำคัญอย่างยิ่ง

รองรับวัสดุสายไฟหลากหลายประเภทเพื่อความยืดหยุ่นในการใช้งาน

เทคโนโลยีการเชื่อมต่อลวดรองรับลวดทองคำ ทองแดง และอลูมิเนียม:

ลวดทองคำ – มีเสถียรภาพทางเคมีและความต้านทานต่อการออกซิเดชันที่ดีเยี่ยม จึงเป็นวัสดุที่นิยมใช้ในการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ทางแสง การเชื่อมต่อด้วยสายทองคำมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมใน VCSEL และอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์อื่นๆ เกินกว่าข้อกำหนดของลูกค้า ต้องใช้ทองคำที่มีความบริสุทธิ์ 99.99% ขึ้นไป
สายทองแดง – มีค่าการนำความร้อน 401 วัตต์/(เมตร·เคลวิน) สูงกว่าทองคำ 26% ทำให้ระบายความร้อนได้ดีกว่า ต้นทุนต่ำกว่าลวดทองคำเพียง 10-30% อย่างไรก็ตาม ทองแดงมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชัน และมีช่วงการใช้งานที่แคบกว่า การเกิดออกซิเดชันสามารถลดลงได้โดยการเติมก๊าซไนโตรเจน/ไฮโดรเจนในระหว่างการเชื่อม
ลวดทองแดงเคลือบแพลเลเดียม – ผสานข้อได้เปรียบด้านต้นทุนของทองแดงเข้ากับคุณสมบัติต้านทานการเกิดออกซิเดชันของทองคำ ทำให้ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก

เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก

การเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) ได้รับประโยชน์จากอุปกรณ์อัตโนมัติที่ทันสมัยและกระบวนการที่เป็นระบบ อัตราความบกพร่องในการเชื่อมต่อสามารถต่ำกว่า 25 ppm และระยะห่างระหว่างแผ่นเชื่อมต่อสามารถเล็กได้ถึง 20 µm ซึ่งตรงตามความต้องการของการผลิตจำนวนมากสำหรับอุปกรณ์ทางแสง สำหรับอุปกรณ์หลายช่องสัญญาณ เช่น อาร์เรย์ VCSEL การเชื่อมต่อแบบขนานหลายเส้นก็สามารถทำได้เช่นกัน

อุปกรณ์ที่แนะนำ

อุปกรณ์	วัตถุประสงค์	ข้อมูลจำเพาะหลัก
เครื่องเชื่อมลวดอัตโนมัติ	การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่แม่นยำ	นาโนเมตร-การวางตำแหน่งระดับ รองรับพื้นที่จำกัดการผ่าตัดโพรงฟัน, การผ่าตัดลิ่ม-โหมดพันธะ
กาวเชื่อมแม่พิมพ์ยูเทคติก	สูง-การวางชิปอย่างแม่นยำ	ความคลาดเคลื่อนในการวางตำแหน่ง ±1-3 µm
เครื่องทำความสะอาดพลาสมา	การกระตุ้นพื้นผิวของแผ่นยึดติด	ขจัดออกไซด์และสารตกค้างอินทรีย์
ระบบตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI)	การตรวจสอบคุณภาพพันธบัตร	ตรวจสอบรูปทรงของตะเข็บและลักษณะของห่วงลวด
เครื่องทดสอบแรงเฉือนลูกบอล / แรงดึงลวด	การตรวจสอบความแข็งแรงของพันธะ	ประเมินความน่าเชื่อถือของการยึดติด

การใช้งานทั่วไป

ตัวรับส่งสัญญาณแสง – การเชื่อมต่อสายไฟความหนาแน่นสูงแบบหลายช่องทางในวงจร COB (chip-on-board) สำหรับโมดูลความเร็วสูง
ไดโอดเลเซอร์ – อุปกรณ์สื่อสารด้วยแสงกำลังสูงระยะไกลในแพ็คเกจแบบผีเสื้อ ซึ่งต้องใช้การเชื่อมต่อสายสัญญาณ การควบคุมอุณหภูมิ และแหล่งจ่ายไฟหลายจุด
โฟโตไดโอด – แพ็คเกจ TO-can ที่มีการเชื่อมต่อแบบลิ่ม (wedge bonding)
โมดูล VCSEL – การใช้งาน LiDAR และการตรวจจับแบบ 3 มิติ ที่ต้องการการจัดตำแหน่งเลนส์และการเชื่อมต่อสายไฟแบบขนานหลายช่องสัญญาณ การเชื่อมต่อสายไฟด้วยทองคำเป็นวิธีการเชื่อมต่อที่นิยมใช้สำหรับขั้วต่อด้านบนของ VCSEL
ส่วนประกอบ LiDAR – การเชื่อมต่อสายไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ที่ซับซ้อน เช่น อาร์เรย์เฟสแสง 128 ช่อง (OPA)
เซ็นเซอร์และตัวตรวจจับอินฟราเรด – ต้องการความสม่ำเสมอสูงในด้านความแข็งแรงของพันธะ

วิธีการเลือกเครื่องเชื่อมลวดสำหรับอุปกรณ์ออปติก

อุปกรณ์	เครื่องจักรที่แนะนำ	รายการ
วีซีเอสเอล	เครื่องเชื่อมลวดลิ่มอัตโนมัติ	HY-WB900
เลเซอร์ไดโอด	การเชื่อมลิ่มความแม่นยำสูง	HY-WBH790
โฟโตไดโอด	เครื่องเชื่อมลวดแบบลูกบอล/ลิ่ม	HY-LS3000
ตัวรับส่งสัญญาณแสง	เครื่องเชื่อมลวดอัตโนมัติความเร็วสูง	HY-WB700P
โมดูล LiDAR	เครื่องเชื่อมลวดแบบหลายช่องสัญญาณ	HY-HW3850

ทำไมต้องเลือก Hyrnus

ประสบการณ์กว่า 17 ปี
โซลูชันที่ปรับแต่งได้
การสนับสนุนทางเทคนิคทั่วโลก
วิศวกรวิจัยและพัฒนาและวิศวกรด้านเทคนิคกว่า 50 คน
ให้บริการมากกว่า 40 ประเทศและภูมิภาค
ส่งมอบโครงการไปแล้วกว่า 200 โครงการ

กำลังมองหาโซลูชันบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ออปติคอลแบบครบวงจรอยู่ใช่หรือไม่?

การบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ออปติคอลด้วยการเชื่อมต่อสายไฟนั้นเกี่ยวข้องกับกระบวนการหลักหลายขั้นตอน ได้แก่ การยึดชิ้นส่วนอย่างแม่นยำ การจัดตำแหน่งทางแสง การเชื่อมต่อแบบลิ่ม และการปิดผนึกแบบสุญญากาศ ซึ่งแต่ละขั้นตอนต้องการอุปกรณ์เฉพาะทางและความเชี่ยวชาญด้านกระบวนการ ทีมงานของ Hyrnus มุ่งมั่นที่จะมอบโซลูชันที่ครอบคลุมสำหรับอุตสาหกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ครอบคลุมถึงการเลือกอุปกรณ์ การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ และการสนับสนุนการผลิต

ติดต่อทีมวิศวกรของเรา

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดจึงใช้การเชื่อมต่อด้วยสายไฟในการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ทางแสง?

การเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) ให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ มีความต้านทานต่ำ พร้อมด้วยข้อดีของกระบวนการที่พัฒนาแล้ว อุปกรณ์อัตโนมัติสูง และความเหมาะสมสำหรับการผลิตในปริมาณมาก สำหรับอุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิ เช่น VCSEL การเชื่อมต่อด้วยลวดสามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำโดยไม่ทำให้คุณสมบัติทางอิเล็กโทรออปติกเสื่อมลง

สามารถใช้ลวดทองแดงในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ทางแสงได้หรือไม่?

ใช่แล้ว สายทองแดงมีต้นทุนต่ำกว่าและนำความร้อนได้ดีกว่า แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันและมีช่วงการใช้งานที่แคบกว่า ในการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ทางแสง สายทองยังคงเป็นตัวเลือกที่มีความน่าเชื่อถือสูงสุด การเลือกวัสดุของสายไฟควรได้รับการประเมินโดยพิจารณาจากดีไซน์ของบรรจุภัณฑ์ ข้อกำหนดของกระบวนการผลิต และเป้าหมายด้านความน่าเชื่อถือ

การเชื่อมต่อสายไฟของอุปกรณ์ออปติคอลแตกต่างจากการเชื่อมต่อสายไฟของไอซีแบบมาตรฐานอย่างไร?

ความแตกต่างที่สำคัญ ได้แก่:

(1) อุปกรณ์ออปติกส่วนใหญ่ใช้การเชื่อมแบบลิ่มแทนการเชื่อมแบบลูกบอลเพื่อลดค่าเหนี่ยวนำปรสิต

(2) ความเครียดในการยึดติดจะต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดมากขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อพื้นผิวทางแสง

(3) การเชื่อมที่อุณหภูมิต่ำเป็นสิ่งจำเป็นในการปกป้องวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

(4) ความสูงของห่วงต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันการสัมผัสกับฝาหรือตัวเรือน

จะมั่นใจได้อย่างไรว่าการเชื่อมต่อสายไฟมีความน่าเชื่อถือ?

ควรควบคุมความน่าเชื่อถือโดยวิธีการดังต่อไปนี้:

(1) การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ของกระบวนการ – กำลังอัลตราโซนิก แรงยึดติด และเวลาในการยึดติด

(2) รักษาพื้นผิวแผ่นรองยึดให้สะอาดและเคลือบโลหะอย่างดี

(3) ควบคุมความสูงและรูปร่างของลูปอย่างเข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรหรือการสัมผัสกับบรรจุภัณฑ์

(4) การตรวจสอบผ่านการทดสอบแรงเฉือนลูกบอล/แรงดึงลวดและการคัดกรองการเผาไหม้ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าความสูง เส้นผ่านศูนย์กลาง และความโค้งของลวดเชื่อมมีผลอย่างมากต่อความเค้นในการเชื่อม