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光器件表面贴装（SMO）是一种新颖的光学装配方法，用它可以制造混合或自由空间光模块。这种技术是在成熟的半导体和印刷线路板（PCB）行业的基础上发展起来的。 由于PCB装配行业的规模是光学装配行业的将近100倍，而且PCB的制作工具和制作方法已经经历了好几代改进，所以它在企业成本和新产品研发时间上具备的优势是任何手工设计和手工装配方法不能比拟的。 二十世纪九十年代中期，一家名为CyberOptic的公司最早开始改进光学装配技术，也就引出了后来的SMO方法。CyberOptic是一家为电子行业提供光传感器和系统的厂家，当时他们将激光传感器用于生产移动电话的机器中。随着移动电话生产的迅速增长，传感器的产量也以每季度50%的速度增加，同时价格的压力也越来越大。市场压力导致了产品结构的改变和制造的机械化。迄今为止，大约已生产了约100,000个传感器，每个传感器的零件数与光放大器差不多。如果传感器使用6μm像素，并在振动剧烈、温度不稳定的环境下使用，那么就需要精确、稳定的定位技术和固定技术。 最早的制造机械化涉及在传感器腔体内主动定位光电子器件。最初，这是看起来成本最低的组装方法，但是它需要面临的一个大问题是：要在传感器越来越小的腔体内使用多种零件镊子、诊断工具。还有，既要针对每个传感器模型内的每个位置对元件做特殊加工，又要缩短生产周期，就必然增加内部制造的队伍，这是一个不曾料到的成本因素。 SMO就是从这些制造经验发展起来的。如果使用SMO技术，那么组装分为两步：把每个光电子元件主动精确定位到一个底座上；然后把精确安装的元件被动地放到一个光线路板上（OCB）。 主动定位 制造的第一阶段包括将每种光元件主动定位到一个精确的底座上，该底座则放置在一个制造单元内。这个制造单元因为不受空间限制，所以可以根据位移控制、诊断信息、零件管理等因素来对此单元做最优化调整（图1）。由于装配好的元件可以像锁定的模块一样用在多种光“线路”中，所以每一类光元件只需要一个相应的精确单元。 图1 每个光元件经测试后，主动定位到一个精确的底座上，这个底座则放置在一个优化设计的制造单元内。这样处理后的元件就很便于下一阶段的组装了。 装好的光元件会带有一些调节装置，例如在基座底端会有三个滚珠轴承（图2）。在调整区内，光元件可以轻微的移动（定位），从而精确的定位到光纤纤芯或者透镜焦点的位置。然后再把光元件固定到基座上。现在的固定方法有环氧树脂、低温焊接和熔接等。这一步工序的目的就是生产出在几何上完美的零件。 图2 调节装置在SMO器件的基座底部。在把器件固定到基座前，可以在调整区内精确定位器件。 测量数据显示，具有较高横向敏感度的器件可以在σ =0.11μm的标准偏差范围内定位和固定，如光纤纤芯。具有较高角向敏感度的器件可以在σ =12arcsec=60μrad的精确范围内定位和固定，如反射滤波器。现在人们的目标是进一步提高定位精度。 被动放置 要发挥已精确装配好的光元件的优势，还需要用到精确基片，使用这种基片就能够以较高的精度将装配好的光元件放置到OCB上。完成这个过程需要用到小型动态装配台。装配台底端的三个调节装置（图2）排列成三角形，这就是小型装配台的顶部。在硅基片上用蚀刻法刻出三条V型槽，三条槽的顶线排成对应的三角形，这就是小型装配台的底部。 OCB上的三条V型槽是用半导体工具制出的，其精度可达亚微米级。OCB上的多组V型槽上可以放置多个光电子元件。而且半导体掩膜工艺可以保证这些V型槽的宽度和相对位置。 尽管这种方法可达到的精度（在3δ时10μm）不及传统光子器件制造所要求的精度，但是却可以用PCB装配行业的装配工具进行亚微米级光学装配（图3）。测量数据显示，这种动态的插入工序只会给装配带来50nm的位移误差。 图3 OCB上的V型槽会开得比较大，那么当装好的元件放在V型槽上后，会对槽产生向下的压力，然后器件本身带有的管口会帮助把器件放置在合适的位置（底部）。 SMO工艺的放置精度可以很高，这样在最后固化前，就可以在放大器线路中先测试一些器件，如增益平坦滤波器。一切就绪后，就可以通过环氧树脂、低温焊接和熔接等方法来固化零件。如果有源器件需要降温处理的话，还可以用硅材料来增加零件尺寸——就如同奔腾微处理器的封装一样。 这种两步的光装配工序遵守的就是集成电路（IC）制造的原则，而且已经证明IC采用这种操作原则后能取得很好的经济效益。在IC中，晶片被切割成小片，经过装配、与引线结合、铸模、铅制成型和测试后，才能为后续的装配制出优质的配件，再安装到电子线路板上。而且在IC中，封装往往要使铸模成本增加20%-30%。然而，增加的成本却可以保证高产量和实时产品装配，而且使用的主要设备是电子制造服务（EMS）公司使用的，设备精度相对来说是比较低的。 SMO技术也是十分灵活的，因为，当生产量比较低时，可以通过手工来装配SMO器件，而生产量比较高或者需要在同台机器上生产多种产品时，可以自动装配SMO元件。 模块制造 单功能光器件，如压缩在管中的单波长分插复用器的制造工序已经针对手工装配工序作了精确调整，但是可能无法收到前面提到的装配技术所带来的好处。SMO工序是针对具备多种功能的光模块而优化的，模块的功能可以包括多波长上下路滤波器、放大器增益区内的无源器件等。因为不必使用那些分离的需要光纤-光纤连接器的器件，所以这意味着可以大大减少光器件的使用，减少零件成本和光损耗，同时还能使器件结构更为紧凑。 然而，由于光器件不可能是理想的，必然具有损耗，所以即便具备了采用SMO技术后的精度，容许偏差的总和以及光路太长仍会导致波束的偏离。微补偿器就是为克服这一点而研制的，它既能对组装好的光环路进行微调节又能补偿由于机械偏差带来的损耗。 成本优势 获得专利的SMO技术是一种有力的工具，它能够帮助降低光接入成本。由于大部分的精确定位操作已经集成到主动定位装配台中，因此就降低了对操作人员训练的难度，这样就使整个装配过程的周期与市场要求更为协调。用精度相对比较低的普通机器迅速完成装配还能大大降低资本支出。所以，两步骤的SMO工艺将目前电子器件制造商们使用的廉价高效的方法引入了光器件制造领域。 作者：Stevenk.Case |
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