随机振动加载条件下焊点形态参数对板级光互连模块对准偏移影响分析

随机振动加载条件下焊点形态参数对板级光互连模块对准偏移影响分析

黄春跃1，吴松1，梁颖2，李天明3，郭广阔1，熊国际1，唐文亮1

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，桂林 541004； 2.成都航空职业技术学院 电子工程系，成都 610021； 3.桂林航天工业学院 汽车与动力工程系，桂林 541004)

摘要：建立了光互连模块有限元分析模型并进行随机振动加载有限元分析，获取了垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)与耦合元件间的对准偏移；采用水平正交表设计了不同焊点结构参数组合并建立有限元模型，获取了对准偏移数据并进行方差分析。结果表明：在随机振动加载后，光互连模块VCSEL与耦合元件间会产生水平、垂直、轴向的偏移；陶瓷基板焊点高度、VCSEL焊点高度对对准偏移具有高度显著性影响；因素显著性排序由大到小依次为：陶瓷基板焊点高度、VCSEL焊点高度、陶瓷基板焊点体积和VCSEL焊点体积； 单因子分析表明VCSEL与耦合元件对准偏移值随陶瓷基板焊点高度增加而增大，随VCSEL焊点高度增加而增大。

关键词：光互连模块； 对准偏移； 耦合效率； 随机振动加载； 有限元分析

中图分类号:TN256

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.031

Abstract:A finite element model of optical interconnect module was established. The alignment offset between a VCSEL and coupled elements was obtained with the finite element analysis under random vibration loading. Different solder shape parameter combinations were designed with the horizontal orthogonal tables and used to establish a finite element model. The variance analysis was performed based on the alignment offset data of corresponding solder shape parameters. The results showed that random vibration loading causes horizontal, vertical and axial offsets between VCSEL and coupled elements; both the heights of ceramic substrate solder joint and VCSEL solder joint have a significant effect on the alignment offsets; the four factors are sorted in significance order descending form as follows: the height of ceramic substrate solder joint, the height of VCSEL solder joint, the volume of ceramic substrate solder joint and the volume of VCSEL solder joint; single factor analysis reveals the alignment offset increases with increase in the ceramic substrate solder joint height or the VCSEL solder joint height.

Effects of solder shape parameters on optical interconnection module alignment offset under random vibration loading

HUANGChun-yue1,WUSong1,LIANGYing2,LITian-ming3,GUOGuang-kuo1,XIONGGuo-ji1,TANGWen-liang1(1. College of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2. Dept. Of Electronic Engineering, Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College, Chengdu 610021, China;3. Dept. of Automatic and Power Engineering, Guilin Institute of Aerospace Technology, Guilin 541004, China)

Key words:optical interconnection module; alignment offset; coupling efficiency; random vibration loading; finite element analysis

电子装备集成度和工作频率的迅速提高，对系统内印制电路板之间、PCB板到背板之间以及芯片之间的互连带宽和密度提出了更高的要求。传统的电互连在信号频率提高以及数据流量剧增时，带宽、互连密度、时钟扭歪、能耗、抗干扰方面均受到限制。而光互连采用光作为信息载体来实现处理单元之间的信息交换，拥有速度高、光波独立传播无干扰、互连数目大、互连密度高、功耗低等优点，能有效解决电互连所遇到的瓶颈[1-2]。将光引入到电路板中，用“光互连”代替“电互连”发展高速光电印制电路板(Electronic-Optical Printed Circuit Board, EOPCB)光互连技术，对发展宽带宽、高速、大容量的电子信息装备系统具有重要的现实意义和应用价值。

在板级波导光互连中，耦合效率是业界最关心的主要问题之一。影响耦合效率的主要因素是对准精度，主要受光互连层和光收发器件之间的对准偏移等物理耦合及微光镜精度影响[3]。针对光互连模块的对准损耗，Niewglowski等[4-5]研究了VCSEL与耦合元件、光电接收器与耦合元件分别在1dB和3dB耦合损耗下的偏移容忍度；TAO等[6-7]研究了耦合元件与波导在45°镜面反射处波导的轴向与纵向偏移对于耦合效率的影响以及光电印制电路板在涂覆工艺中光波导芯层截面变形后对光传输耦合效率的影响。Evans等[8]研究了两种光电互连产品在组装过程中的对准精度容忍度。

上述学者对板级光互连模块中光传输耦合效率的研究仅限于模块处于静态条件下展开的，没有考虑振动冲击、温度等外界动态因素的影响。针对板级电路在振动条件下的工作情况，大部分研究集中在分析板级电路在随机振动情况下有铅和无铅焊点的寿命[9-10]，很少有学者关注到板级光互连模块在处于振动、冲击等恶劣环境中时，由于印制电路板等组件的翘曲对光互连模块关键位置产生对准偏移。由于偏移会对光互连模块的耦合效率产生严重影响，因此对振动冲击、温度等外界动态因素影响光互连模块的对准偏移展开相应研究是十分必要的。由此本文基于焊点形态参数，通过建立光互连模块有限元分析模型并进行随机振动加载条件下的位移分析，获取振动条件下由于VCSEL焊点及陶瓷基板焊点的焊点高度和焊点体积等焊点形态参数对VCSEL与耦合元件间的对准偏移的影响。

1随机振动加载条件下对准偏移有限元分析

1.1光互连模块三维有限元模型

选取光互连模块整体结构的1/2建立三维有限元分析模型见图1。图1中PCB整体长宽尺寸为70mm×70mm，PCB由上中下三层结构所组成，其最上层和最下层均为FR4层，中间为铜箔层，上、下FR4层的厚度均为0.2mm，铜箔层的厚度为0.125mm，铜箔层内埋置有12根截面为0.05mm×0.05mm的光波导，波导间距为0.25mm。陶瓷基板的长宽厚尺寸为13mm×13mm×0.635mm。陶瓷基板与PCB之间通过96个直径为0.76mm的Sn63Pb37焊球连接，焊点间距为1mm。VCSEL与陶瓷基板间为24个无铅SnAgCu焊球，焊球的高度为0.1mm，半径为0.06mm，体积为0.8×10-3mm3。

光互连模块中VCSEL焊点和陶瓷基板焊点的材料分别为共晶钎料Sn63Pb37与SAC305，陶瓷基板材料是Al2O3含量为96%的氧化铝陶瓷。有限元分析中所用的材料的特性参数见表1。

图1　光互连模块有限元分析模型 Fig.1 The FEA model of optical interconnect module

材料名称弹性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)FR422.50.122680Cu110.00.349000陶瓷359.00.311035波导3.20.321200耦合元件69.00.182320Sn63Pb3735.30.358420SAC30542.50.407390

图2　随机振动加速度功率谱密度曲线 Fig.2 Random vibration PSD curve

随机激励的形式为加速度功率谱密度 (Power Spectral Density,PSD)，本文采用的PSD加速度功率谱条件来源于美国军用标准MIL-STD NAVMAT P-9492，PSD加速度功率谱曲线见图2，当随机振动频率在20～80Hz时，曲线上升斜率为+3dB/oct，对应的加速度功率谱密度幅值范围为0.01～0.04g2/Hz， 80Hz时为0.04g2/Hz；当随机振动频率在80～350Hz 时，对应的加速度功率谱密度幅值为0.04g2/Hz，当随机振动频率在350～2000Hz时，曲线以-3dB/oct的斜率下降，对应的加速度功率谱密度幅值范围为0.04～0.01g2/Hz。

1.2随机振动加载条件下对准偏移有限元分析结果

经历随机振动加载后，由于光互连模块中各部件的振型不一致，各部件在振动时产生翘曲，引起各路光通道中的VCSEL与耦合元件产生了见图3云图中所示的位移，从云图中看出处于耦合元件下端两侧45°镜面处的部位位移最大，处于VCSEL中间部位与耦合元件相邻处的部位位移最小。由于耦合元件与VCSEL各部位的位移不一致，从而导致图3右端所示的各路光通道中VCSEL下端面的发光中心点A和耦合元件光接收中心点B产生水平偏移(沿x方向)、垂直偏移(沿y方向)以及轴向偏移(沿z方向)。由于VCSEL与耦合元件的轴向位移容差较大，对光耦合效率的影响较小，所以本文仅考虑VCSEL与耦合元件水平面的对准偏移s，偏移值s为VCSEL与耦合元件在水平偏移方向与垂直偏移方向合成的结果。即：

(1)

式中:xa与xb分别为发光中心点A和光耦合中心点B在水平方向的坐标值，ya与yb为分别为发光中心点A和光耦合中心点B在垂直方向的坐标值。 在有限元分析后可以获取xa与xb分别为2.6×10-6mm和2.575×10-6mm。ya与yb分别为4.479×10-4mm和4.465×10-4mm。按公式(1)计算得到合成以后该光互连模型的VCSEL与耦合元件的对准偏移值s=1.4×10-6mm。

图3　VCSEL与耦合元件的对准偏移 Fig.3 The alignment offsets of VCSEL and couple element

图4　VCSEL与耦合元件水平方向位移云图 Fig.4 The X direction displacement of VCSEL and couple elements

图5 VCSEL与耦合元件垂直方向位移云图 Fig.5 The Y direction displacement of VCSEL and couple elements

图4和图5分别为VCSEL与耦合元件在水平和垂直方向的位移云图。从图4可看出VCSEL与耦合元件在左上角与右上角的水平方向的位移值较大，从两侧到中间逐渐减小，且12路光通道的水平位移值从中间到两端的变化趋势呈对称分布。从图5中可以看出耦合元件下端各光通道的45°反射镜处的垂直位移值最大，垂直位移值从下到上逐渐减小，在VCSEL与耦合元件上端的光耦合处的达到最小，且12路光通道的垂直位移值从中间到两端呈对称分布。

2随机振动加载条件下对准偏移的方差分析

2.1焊点形态参数组合正交设计

根据板级光互连结构实际应用参数，选取随机振动条件下影响VCSEL和耦合元件对准偏移的四个关键因素为：VCSEL焊点高度(H1)、VCSEL焊点体积(V1)、陶瓷基板焊点高度(H2)和陶瓷基板体积(V2)作为变量。四个因素均选取四个水平，根据正交实验设计的原理，采用L16(45)正交表，安排见表2的4因素4水平正交试验，将所安排的16组焊点形态参数组合数据首先通过Surface Evolver 建立相应的VCSEL焊点和陶瓷基板焊点的形态预测模型并预测出所对应的16组焊点形态，再根据所得16组焊点形态参数相应的在ANSYS有限元分析软件中建立出16个光互连模块三维有限元分析模型，随后进行随机振动加载，通过仿真计算出所安排的16组焊点形态参数下对应的光互连模块中VCSEL与耦合元件的对准偏移值，所得结果见表3最后一列。

表2　焊点形态参数因素水平表

表3　焊点形态参数正交矩阵及对准偏移有限元分析结果

2.2不同焊点形态参数下对准偏移数据方差分析

根据表3中VCSEL与耦合元件对准偏移的结果数据，可计算出各因素的偏差平方和、自由度、方差估计值和方差比(F值)见表4。由表4可知， 在考察的四个焊点结构参数中， VCSEL焊点高度(H1)与陶瓷基板焊点高度(H2)的F值均大于F0.01(即29.5)，所以这两个因素高度显著。陶瓷基板焊点体积(V2)的F值大于F0.05(即9.28)而小于F0.01(即29.5)，所以这个因素影响显著。剩下的VCSEL焊点体积F值小于相应的临界值F0.05(即9.28)，所以该因素影响不显著。

根据表4中各因素所对应F值的大小，得出因素显著性的排序为：陶瓷基板焊点高度>VCSEL焊点高度>陶瓷基板焊点体积>VCSEL焊点体积。所以四个因素中，VCSEL焊点与陶瓷基板焊点高度对对准偏移的影响最大，在光互连模块设计与制作过程中需严格控制VCSEL焊点与陶瓷基板焊点高度。

2.3高度显著因子单因子变量分析

通过方差分析可知VCSEL焊点高度与陶瓷基板焊点高度对光互连模块对准偏移影响最显著，因此有必要进一步分析这两个焊点形态参数的变化对对准偏移的影响规律。

固定其他焊点形态参数不变，将陶瓷基板焊点高度值分别取为0.45mm、0.5mm、0.6mm以及0.7mm，建立四种不同陶瓷基板焊点高度的光互连模块有限元模型并进行随机振动加载分析，不同陶瓷焊点高度下的对准偏移值见表5。从表5可知，在所选取的陶瓷基板焊点高度内，随着陶瓷基板焊点高度增加，VCSEL与耦合元件之间的对准偏移值逐渐增大。

表4　对准偏移数据方差分析结果

表5　不同陶瓷焊点高度下的对准偏移值

固定其他焊点形态参数不变，将VCSEL焊点高度值分别取为0.09mm、0.10mm、0.11mm以及0.12mm，建立四种不同VCSEL焊点高度的光互连模块有限元模型并进行随机振动加载分析，各VCSEL焊点高度下的对准偏移值见表6。从表6可知，在所选取的VCSEL焊点高度内，随着VCSEL焊点高度的增加，VCSEL与耦合元件之间的对准偏移值逐渐增大。

表6　不同VCSEL焊点高度下的对准偏移值

3结论

通过对板级光互连模块进行随机振动条件下的对准对准偏移分析，可以得到以下结论：

(1)有限元分析表明，在随机振动条件下，板级光互连模块中VCSEL与耦合元件间的会产生对准偏移。

(2)对板级光互连模块随机振动条件下VCSEL与耦合元件对准偏移的数据进行方差分析表明： 置信度为95%的情况下陶瓷基板焊点与VCSEL焊点的焊点高度对VCSEL与耦合元件的对准偏移有高度显著性影响，陶瓷基板焊点体积对对准偏移有显著性影响，VCSEL焊点体积对对准偏移无显著影响；四个因素的显著性排序由大到小依次为：陶瓷基板焊点高度、VCSEL焊点高度，陶瓷基板焊点体积，最后是VCSEL焊点体积。

(3)对影响VCSEL与耦合元件对准偏移最显著的因子做单因子分析表明：在所选取的陶瓷基板焊点高度和VCSEL焊点高度范围内，随着陶瓷基板焊点高度或VCSEL焊点高度的增加，VCSEL与耦合元件的对准偏移越来越大。所以在实际设计与制作工艺中，需尽量控制陶瓷基板焊点和VCSEL焊点的高度，以提高光互连信号传输的稳定性。

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