光互连模块关键位置焊后对准偏移分析

邵良滨，黄春跃，黄 伟，梁 颖，李天明

(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)



工程与应用

光互连模块关键位置焊后对准偏移分析

邵良滨1，黄春跃1，黄 伟1，梁 颖2，李天明3

(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)

建立了光互连模块三维有限元分析模型，对其进行了再流焊温度载荷下的有限元分析，获取了光互连模块关键位置处垂直腔面发射激光器(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)发光中心点与耦合元件耦合中心点间的焊后对准偏移值；对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响因子进行单因子分析，结果表明：所选取的焊球材料中，焊料63Sn37Pb对应的光互连模块关键位置焊后对准偏移值最小；所选取的焊球体积范围内，随着焊球体积增加，光互连模块关键位置焊后对准偏移逐渐增大。

光互连模块；关键位置；再流焊接；对准偏移；有限元分析

0 引 言

伴随着数字化进程，数据处理、存储以及传输的迅速发展，传统电互连技术在功率损耗、信号传输速度、信号干扰失真、信号衰减和时延、系统散热等方面存在的问题严重地限制了集成电路技术的进一步发展，对于新型互连方式的探索极为必要。光互连技术因其高空间时间带宽积、抗电磁干扰性强、互连密度高、传输速率快、功率损耗低、优良的系统散热性等优点，有望解决电互连技术所遇到的问题[1]。

一种典型的光互连模块连接结构示意图如图1所示[2]，该结构包括：VCSEL、VCSEL驱动器、两层BGA焊球、三层PCB、埋入式光纤、光电二极管检测器阵列(Photodiode array，PD)和PD驱动器。其中，三层PCB通过两层BGA焊球相连接，上层PCB用于安装VCSEL和PD等光学器件，中层PCB用于固定耦合元件，下层PCB用于埋入光纤。光互连模块连接结构中，VCSEL驱动器驱动VCSEL发射激光，激光通过耦合元件耦合进入埋入式光纤，模块接收端的耦合元件将光纤中激光传输至PD，完成光信号互连传输。

图1 典型光互连模块结构示意图

光信号在光互连模块不同分立器件间的耦合效率问题是光互连技术的关键所在，图1左侧放大区域，即发光器(VCSEL)将光耦合进入光耦合元件处为光互连模块关键位置[3]，该位置VCSEL与耦合元件间存在垂直、水平和轴向对准偏移，影响耦合元件对光的耦合作用，降低光互连模块光耦合效率。针对光互连模块的对准偏移与耦合效率问题，Doany等人[4]对基于VCSEL的48通道光互连模块中的耦合效率进行了研究，指出模块中的多模光纤矩阵在X和Y方向上的安装偏移是影响耦合效率的关键因素；Brusberg等人[5]对光纤与光波导之间的安装位置偏移与耦合效率的关系进行了测量，结果发现在X轴、Y轴方向上±10 μm的位置偏移分别会造成1.5 dB和0.5 dB的耦合损耗；Jeong等人[6]对一种新型光互连模块的位置偏移与耦合损耗之间的关系进行了研究，结果发现模块的耦合损耗显著与否取决于VCSEL与多模光纤间的距离；吴松等人[7]对热循环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进行分析，结果表明VCSEL焊点高度对对准偏移影响显著。

上述学者仅对机械安装后和热循环工作环境中的光互连模块光传输对准偏移与耦合效率进行研究，并未对焊接封装后的光互连模块对准偏移问题进行分析。由于光互连器件使用前需要进行焊接封装，而焊接过程中基板和PCB的热膨胀系数失配将导致光互连模块关键位置处产生初始对准偏移，初始对准偏移会一直存在于器件的后期使用过程中，持续影响光互连模块的正常工作。因此，如何减小焊后初始对准偏移对于提高光互连模块的长期工作稳定性至关重要，已成为进一步提髙光互连模块耦合效率的关键性问题。本文选取光互连模块为研究对象，利用有限元软件ANSYS对其进行再流焊接模拟，得到了关键位置的对准偏移结果。基于单因子分析法，分析了BGA焊球的材料参数(不同成分钎料合金、热膨胀系数和弹性模量等)和几何形态参数(焊球体积、焊盘半径)对光互连模块关键位置处焊后对准偏移量产生的影响，研究结果可为减小光互连模块关键位置焊后对准偏移提供焊球材料选用和形态设计方面理论指导。

1 光互连模块关键位置焊后对准偏移有限元分析

1.1 典型光互连模块三维有限元模型

由于图1光互连模块具有结构对称性，因此建立了光互连模块1/2有限元模型作为分析对象，并省略VCSEL驱动器等非关键结构器件，如图2所示，模型各部分结构尺寸参数如表1所示，各部分结构材料参数如表2所示，其中BGA焊球模式处理为粘塑性，有限元网格类型为VISCO107，PCB、耦合元件、光纤等假设为线弹性材料，有限元网格类型为SOLID45，得到光互连有限元模型单元数为227603，节点数为50186。

图2 典型光互连模块有限元模型

光互连有限元模型所采用的加载方式为再流焊温度加载，再流焊接工艺温度曲线通常由4个温区组成，即预热区、保温区、再流区和冷却区，如图3所示。光互连有限元模型边界条件为下层PCB两底部角点施加全约束，由于选用二分之一对称模型，因此下层PCB中间横截面施加对称面约束。

图3 Sn-Pb共晶焊料再流曲线[8]

1.2 典型光互连模块关键位置焊后对准偏移有限元分析结果

由于光互连模块中各部件材料的热膨胀系数失配，尤其是焊球材料的粘塑特性使其对温度变化敏感，各部件在经历再流焊温度加载后，产生了热应力进而引起热变形，同时考虑模型焊后残余应力的影响，导致光互连模块关键位置产生了水平和垂直方向位移(由于关键位置轴向位移容差较大，对光互连模块耦合效率影响较小[9]，因此本文仅考虑关键位置水平位移和垂直位移)，如图4和图5所示。

图4 关键位置焊后水平方向位移云图

图5 关键位置焊后垂直方向位移云图

由图4可知，光互连模块关键位置焊后水平位移从上到下逐渐增大，最小水平位移位于上层PCB顶端，最大水平位移位于耦合元件底端。由图5可知，光互连模块关键位置焊后最大垂直位移位于上层PCB左端，最小垂直位移位于上层PCB右端。由于光互连模块关键位置焊后各部位位移不一致，从而导致VCSEL发光中心点a和耦合元件光耦合中心点b在水平面上产生对准偏移S(S为点a和点b间水平对准偏移与垂直对准偏移合成值)，即：

(1)

式中，xa和ya表示关键点a水平偏移值和垂直偏移值；xb和yb表示关键点b水平偏移值和垂直偏移值。

对光互连模型焊后有限元分析结果进行读取，得到了发光中心点a和光耦合中心点b的水平和垂直方向偏移值，由式(1)计算光互连模块关键位置焊后对准偏移值S为0.436 μm，如表3所示。

表3 2080 s关键点a、b对准偏移结果

2 光互连模块关键位置焊后对准偏移单因子分析

2.1 焊球材料对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响分析

为了研究不同焊球材料对光互连模块关键位置焊后对准偏移的影响，保持光互连模型尺寸参数(表1)和其他结构材料参数不变，仅改变上/下层BGA焊球材料属性且保持二者相同，分别对焊料为63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag、SAC305、96.5Sn3.5Ag的光互连模块进行焊后有限元分析，得到焊料对对准偏移影响如表4和图6所示。

表4 焊料对对准偏移影响

图6 焊料对对准偏移影响

由表4和图6可知，不同焊料的光互连模块，其关键位置焊后对准偏移值各不相同，所选取焊料中，焊料63Sn37Pb对应的对准偏移值最小，为0.436 μm，焊料62Sn36Pb2Ag对应的对准偏移量最大，为0.702 μm，两种焊料对应的对准偏移值相差38%。因此在光互连模块实际设计制作过程中，选用 63Sn37Pb焊料可以有效降低光互连模块关键位置焊后对准偏移值，从而提高光互连模块光传输的耦合效率。

2.2 焊球体积对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响分析

为考察焊球体积变化对光互连模块关键位置焊后对准偏移产生的影响，固定光互连模块材料参数(表2)和其他结构尺寸参数不变，仅改变上/下层BGA焊球体积并保持二者相同，分别对焊球体积为0.13 mm3、0.20 mm3、0.33 mm3、0.38 mm3(焊球体积参照市场售卖焊球尺寸计算得到，并非按等比例递增)的光互连模块进行焊后有限元分析，得到焊球体积对对准偏移影响如表5图7所示。

表5 焊球体积对对准偏移影响

图7 焊球体积对对准偏移影响

由表5和图7可知，在所选取焊球体积范围内，随着焊球体积的增加，光互连模块关键位置焊后对准偏移值逐渐增大，焊球体积0.13 mm3对应的对准偏移值最小，为0.323 μm，焊球体积0.38 mm3对应的对准偏移量最大，为0.499 μm，最大对准偏移值与最小对准偏移值相差35%。因此在光互连模块实际设计制作过程中，适当减小焊球体积，可以有效降低光互连模块关键位置焊后对准偏移值，从而提高光互连模块光传输的耦合效率。

2.3 焊盘半径对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响分析

为考察焊盘半径变化对光互连模块关键位置焊后对准偏移产生的影响，固定光互连模块材料参数(表2)和其他结构尺寸参数不变，仅改变上/下层焊盘半径并保持二者相同，分别对焊盘半径为0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm、0.40 mm的光互连模块进行焊后有限元分析，得到焊盘半径对对准偏移影响如表6和图8所示。

表6 焊盘半径对对准偏移影响

图8 焊盘半径对对准偏移影响

由表6和图8可知，不同焊盘半径的光互连模块，其关键位置焊后对准偏移值各不相同，所选取焊盘半径中，焊盘半径0.35 mm对应的对准偏移值最小，为0.426 μm，焊盘半径0.25 mm对应的对准偏移量最大，为0.586μm，最大对准偏移值与最小对准偏移值相差27%，说明焊盘半径变化对光互连模块关键位置焊后对准偏移有一定影响，在进行光互连模块实际设计制作时，应考虑焊盘半径对光互连模块关键位置焊后对准偏移的影响。

3 结 语

通过对再流焊温度加载后光互连模块关键位置对准偏移的分析，可以得到以下结论：

(1)有限元分析结果表明，由于光互连模块关键位置焊后各部位位移不一致，导致典型光互连模块VCSEL发光中心点与耦合元件光耦合中心点在水平面上产生对准偏移0.436 μm。

(2)对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响因子进行单因子分析，结果表明：所选取焊球材料中，焊料63Sn37Pb对应的光互连模块关键位置焊后对准偏移最小；所选取焊球体积范围内，随着焊球体积增加，焊后对准偏移越来越大。因此在光互连模块设计制作过程中，焊料可选用63Sn37Pb，并尽量控制焊球体积，以提高光传输耦合效率。

[1] 黄春跃, 吴松, 梁颖, 等. 温度载荷下光互连模块对准偏移分析[J]. 中国电子科学研究院学报, 2014, 9(2): 120-124.

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邵良滨(1990—) ,男, 合肥人，研究生， 主要研究方向为光互连可靠性技术；

E-mail: slbe_mail@163.com.

黄春跃(1971—)，男，广西人，教授，主要研究方向为微电子封装与组装可靠性技术；

黄 伟(1981—)，女，河北人，主要研究方向为微电子设计、制造与封装；

梁 颖(1974—)，女，江西人，副教授，主要研究方向为微电子封装可靠性技术、计算机应用技术；

李天明(1962—)，男，湖南人，教授，主要研究方向为微电子封装技术、机电一体化技术。

Study on Optical Interconnect Module Key Position Alignment Offset Post Welding

SHAO Liang-bin1, HUANG Chun-yue1, HUANG Wei1, LIANG Ying2, LI Tian-ming3

(1. School of Electro-Mechanical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2. Department of Electronic Engineering, Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College, Chengdu 610021, China;3. Department of Automobile and Power Engineering, Guilin University of Aerospace Technology, Guilin 541004, China)

The 3D finite element analysis model of optical interconnect module was developed. The optical interconnect module key position alignment offsets of luminous center point on vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) and coupling center point on coupling element were obtained after finite elements analysis under reflow soldering temperature load; The factors which afeected optical interconnect module key position alignment offset were analysed, the results showed that: In the selected solder ball materials, optical interconnect module key position alignment offset post welding of solder ball material 63Sn37Pb was minimum; In the selected solder ball volume range, with the increase of solder ball volume, optical interconnect module key position alignment offset post welding increased gradually.

optical interconnect module; key position; reflow soldering; alignment offset; finite element analysis

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.021

2016-09-05

2016-11-20

国家自然科学基金资助项目(51465012)；广西壮族自治区自然科学基金资助项目(2015GXNSFCA139006)。

：A

1673-5692(2016)06-672-05