光模块封装工艺流程概述

光模块封装是光通信领域中的关键环节，其基本结构包含光发射端模块（TOSA）和驱动电路、光接收端模块（ROSA）和接收电路。将激光器、探测器封装成TOSA、ROSA的过程是光模块封装的核心部分，也是主要的技术壁垒所在 。TOSA和ROSA的封装工艺类型主要有TO - CAN同轴封装、蝶形封装、COB封装、BOX封装以及FlipClip等 。不同的封装工艺适用于不同的应用场景，例如TO - CAN封装主要部署在10G光模块中，蝶形封装可用于各种速率及80km长距离传输，BOX封装常用于中长距离高速光学设备传输，COB封装对于100G QSFP28光模块来说更为合适 。

光模块在光通信产业链中处于中游位置，光模块厂商从上游企业采购光芯片及电芯片、光组件等原材料，经过集成、封装、测试合格后供给设备集成商整合为有对应需求的光通信设备，应用于电信及数据中心市场。并且随着光通信技术的发展，光模块的封装形式也朝着小型化、高速率、低成本等方向不断演进，以满足日益增长的网络链接速率需求以及不同的应用环境要求 。

光模块封装工艺流程详细步骤

1. TO - CAN同轴封装

• 准备工作：TO - CAN封装是一种气密性封装。首先要将激光器管芯和背光检测管粘接在热沉上。热沉的作用是帮助散热，由于TO - CAN封装体积小，散热相对困难，热沉对于保证激光器的正常工作温度非常重要。激光器管芯是光发射的核心部件，背光检测管用于检测激光器的一些工作状态参数，它们的粘接需要精确操作，保证连接的稳定性和电气性能 。

• 键合互联：粘接好的部件通过键合的方式与外部实现互联。键合是一种高精度的连接技术，通常使用金属丝（如金线）将芯片上的电极与外部引脚或线路连接起来。这种连接方式能够有效地传输电信号，确保光模块的正常工作。在10G光模块及以下速率（如2.5Gbit/s及10Gbit/s短距离传输）中，TO - CAN同轴封装因其成本低廉、工艺简单而被广泛应用，虽然其存在难以内置制冷、散热困难、难以用于大电流下的高功率输出从而难以用于长距离传输的缺点，但在短距离传输场景下性价比很高 。

2. 蝶形封装

• 部件集成：蝶形封装的壳体通常为长方体。在封装过程中，要在金属封装的管壳内集成半导体激光器、制冷器、热敏电阻等部件。制冷器用于调节温度，保证半导体激光器在合适的温度范围内工作，因为温度对激光器的性能（如波长、功率等）有显著影响；热敏电阻则可以实时监测温度，反馈给控制系统以便对制冷器进行精确控制。同时，还需要集成陶瓷基块等部件，这些部件在提供物理支撑、电气绝缘等方面起到重要作用 。

• 光信号耦合：通过一定的光学系统将激光器发出的光信号耦合到光纤。这个光学系统可能包含透镜、反射镜等光学元件，用于调整光的传播方向、聚焦等，以确保光信号能够高效地耦合到光纤中。蝶形封装由于其结构相对复杂，能够集成多种功能部件，所以可以用于各种速率及80km长距离传输 。

3. COB封装（板上芯片封装）

• 贴片操作：将激光芯片直接粘附在PCB（印刷电路板）上。首先是贴片过程，例如SMT（表面贴装技术）贴片完成的pcb板放在光芯片贴片机上，蘸取银浆然后贴芯片。贴片完成后需要进行目检，主要观察银浆的量是否溢出等情况，以确保芯片粘贴的质量。银浆在这里起到粘接和电气连接的作用，它需要均匀分布并且适量，过多可能会溢出影响其他部件或造成短路，过少则可能导致芯片粘贴不牢固或者电气连接不良 。

• 贴电芯片：在完成激光芯片的贴片后，进行电芯片的粘贴操作，同样需要蘸取银浆然后贴电芯片，并且也要进行目检。电芯片包括如TIA（跨阻放大器）等，这些电芯片在光模块中起到放大、处理电信号的作用。

• 打线工序：打线是在Driver（驱动器）、TIA和LD（激光二极管）PIN阵列之间以及Driver、TIA和PCB之间打金线。常用打线机进行打线操作。金线的连接质量直接影响信号传输，如打线不良可能会导致信号衰减、干扰或中断等问题。在高速光模块（如100G光模块）中，COB封装通过将TIA/LA芯片、激光阵列和接收器阵列集成封装在一个小空间内，可以节省PCB面积，并且由于构建了较短的互连路径，提高了性能。但这种封装方式的技术难点在于对光芯片贴片的定位精度（影响光耦合效果）和打线质量（影响信号质量、误码率） 。

4. BOX封装

• 并行封装准备：BOX封装属于蝶形封装，用于多通道并行封装。在封装前，要准备好多个通道对应的光芯片、电芯片以及其他相关部件，如分光器等。分光器可以将输入的光信号按照一定比例分配到不同的通道中，或者将不同通道的光信号合并起来。这些部件的准备工作需要严格按照设计要求进行，确保各个通道的性能一致 。

• 封装过程：可以做成气密性和非气密性封装。对于气密性封装，外壳的主要材料可采用可伐合金（Kovar）和玻璃，玻璃用于透光，可伐合金和玻璃的热膨胀系数接近，两者通过焊接实现气密。在进行BOX封装时，对于气密性封装采用平行封焊设备实现气密封装。平行封焊设备大部分是半自动化的，设备整体上是一个密封的大箱子，里面充有干燥氮气，需要监控内部气体的凝露温度；两侧各有一个小箱子，用于产品物料的出箱入箱，人员通过塑料手套进行盖板上下料，焊接过程是自动完成的。BOX封装常用于中长距离高速光学设备传输，不过价格比较昂贵 。

5. 通用的测试与调试

• 测试环节：在完成上述各种封装工艺后，光模块需要进行多项测试。对于光发射部分，主要测试光功率、消光比等参数；对于接收部分（以PIN为例），是由PINTIA（InGaAsPIN和跨阻放大器）和限幅放大器组成，将输入的光信号通过PIN管转换成光电流，光电流又通过跨阻放大器转换成电压信号，需要测试电压信号的相关参数，同时还要测试无光告警功能，当光功率不足以维持模块正常工作时，SD端应产生逻辑低信号，产生告警。这些测试能够确保光模块的各项性能指标符合要求 。

• 调试操作：如果在测试过程中发现问题，如误码等情况，就需要进行调试。常规的调试在上位机上完成，由于每个产品使用的电芯片（Driver + TIA）不同，每个电芯片的特点提供的功能模块不同，所以在调试时需要根据芯片规格书进行。上位机通过usb与模块通信，模块收到来自上位机的指令后通过I2C与MCU通信，然后MCU再通过I2C分别与电芯片通信进行读写操作，上位机对各种电流、均衡器大小、去加重大等参数进行调整，以优化光模块的性能 。

光模块封装工艺的关键技术

1. 耦合技术

• 耦合的重要性：耦合是光模块封装中的关键技术之一，特别是在光发射模块中。它直接影响着出射光的性能。激光器芯片和光纤的耦合有直接耦合和间接耦合两种形式。直接耦合是由激光器发出的光直接进入光纤，不经过其他中间元件，这种方式简单直接，但对激光器和光纤的对准精度要求很高；间接耦合则在激光器和光纤之间加入其他光学元件（如透镜、反射镜等），通过这些元件调整光的传播方向、聚焦等，完成由激光器到光纤的耦合。在一些对耦合精度要求极高的场合，如单模光纤的耦合，由于单模光纤纤芯直径很小（只有9μm），需要采用透镜进行聚焦耦合，以提高耦合效率 。

• 影响耦合效果的因素：光芯片贴片的定位精度对耦合效果有着显著影响。在COB封装工艺中，光芯片直接粘附在PCB上，如果贴片的定位精度不足，会导致光芯片与光纤或者其他光学元件之间的相对位置偏差，从而降低耦合效率。例如，在高速光模块中，为了实现高速率、大容量的数据传输，需要保证光信号的高效耦合，定位精度可能需要控制在很小的范围内（如±3μm），以确保足够、稳定的对准误差空间，为后续的耦合工艺提供良好的基础 。

2. 散热技术

• 散热的必要性：在光模块封装中，散热是一个至关重要的问题。例如蝶形封装和BOX封装中集成了多种电子元件，如半导体激光器等，这些元件在工作过程中会产生热量。如果热量不能及时散发出去，会导致元件温度升高，进而影响其性能（如激光器的波长漂移、功率下降等），甚至会缩短元件的使用寿命。在一些高功率输出或者高速率工作的光模块中，散热问题更为突出，因为高功率和高速率往往伴随着更多的热量产生。

• 散热技术措施：蝶形封装通过较大的壳体面积来散热，并且可以内置制冷器、热沉等散热部件。制冷器可以主动调节温度，将温度控制在合适的范围内；热沉则可以吸收热量并将其传导出去。在一些小型化的封装工艺（如TO - CAN封装）中，虽然难以内置制冷设备，但也需要通过优化热沉的设计来提高散热效率，例如选择导热性能良好的材料制作热沉，合理设计热沉的结构以增加散热面积等。

3. 气密性封装技术

• 气密性封装的意义：对于部分光模块（如BOX封装和TO - CAN封装在某些应用场景下），气密性封装是非常重要的。气密性封装可以保护内部的光学和电子元件免受外界环境的影响，如防止水汽、灰尘等进入封装内部。水汽可能会导致元件短路、腐蚀等问题，灰尘可能会影响光的传播或者造成电气接触不良。在一些恶劣的工作环境（如户外、高温高湿环境等）下，气密性封装能够保证光模块的可靠性和稳定性。

• 实现气密性封装的方法：对于BOX封装，采用平行封焊设备实现气密封装。平行封焊设备内部充有干燥氮气，通过焊接可伐合金和玻璃来实现气密，并且需要监控内部气体的凝露温度。对于TO - CAN封装的气密封装设备叫封帽机，设备采用储能焊原理，通过脉冲电流融化缝隙实现气密性焊封。储能焊效率高、成本低，是一种有效的气密性封装方法 。

光模块封装工艺流程实例分析

以COB封装工艺制作100G QSFP28光模块为例：

1. 贴片阶段

• 初始准备：首先是SMT贴片完成的pcb板准备。这个pcb板是经过前期的线路设计和制作，具备了一定的电路布局，能够满足光模块中各个芯片的电气连接需求。然后将pcb板放在光芯片贴片机上，这台贴片机是高精度的设备，对于100G QSFP28光模块这种高速率的光模块来说，贴片机的精度要求很高，因为它直接影响到后续光芯片的定位精度，进而影响光耦合效果。

• 芯片粘贴：在贴片机上蘸取银浆然后贴芯片。银浆的质量和涂抹量需要精确控制，因为银浆不仅起到粘接芯片的作用，还参与电气连接。如果银浆涂抹不均匀或者量过多过少都会对芯片的粘贴和电气性能产生影响。例如，涂抹过多可能在芯片周围溢出，造成短路风险；涂抹过少可能导致芯片粘贴不牢固，在后续的使用过程中出现松动等问题。粘贴完成后进行目检，目检人员通过显微镜等工具仔细观察银浆的量是否溢出、芯片的位置是否准确等情况，确保贴片质量符合要求。

2. 贴电芯片阶段

• 电芯片粘贴：与光芯片贴片类似，贴电芯片同样是蘸取银浆然后粘贴到指定位置。电芯片在光模块中起着至关重要的作用，如TIA（跨阻放大器）负责将光电流转换为电压信号并进行放大，Driver（驱动器）用于驱动激光器等。这些电芯片的粘贴位置精度同样重要，因为它们之间的相对位置关系会影响到信号的传输和处理。

• 质量检查：粘贴完成后同样需要进行目检，检查电芯片是否粘贴牢固、银浆是否正常等情况。一旦电芯片粘贴出现问题，可能会导致信号传输的中断、衰减或者出现噪声等问题，影响光模块的整体性能。

3. 打线阶段

• 打线操作：打线是在Driver、TIA和LD PIN阵列之间以及Driver、TIA和PCB之间打金线。打线机按照预定的程序进行操作，将金线准确地连接到相应的引脚和线路上。金线的直径、材质以及打线的工艺参数（如压力、温度等）都会影响打线的质量。在100G QSFP28光模块中，由于信号传输速率高，对打线质量要求更为严格，因为打线不良可能会导致信号的反射、衰减等问题，从而影响光模块的误码率等性能指标。

• 质量控制：在打线过程中，需要对打线质量进行实时监控，例如通过检测打线的拉力、电气导通性等指标来确保打线质量。如果拉力不足，金线可能在后续的使用过程中出现松动甚至断开；如果电气导通性不好，则会影响信号的传输。

4. 测试与调试阶段

• 测试过程：完成上述封装步骤后，光模块要进行一系列的测试。对于光发射部分，主要测试光功率和消光比等参数。光功率的大小直接影响光模块的传输距离和信号强度，消光比则反映了光信号在“1”和“0”状态下的功率差异，这两个参数对于光模块的性能评估非常重要。对于接收部分，要测试其将光信号转换为电压信号的能力以及无光告警功能等。

• 调试措施：如果在测试过程中发现误码等问题，就需要进行调试。由于100G QSFP28光模块使用的电芯片（Driver + TIA）具有特定的功能和特性，调试时需要根据芯片规格书进行操作。上位机通过usb与模块通信，模块收到指令后通过I2C与MCU通信，MCU再与电芯片通信进行读写操作，上位机对各种电流、均衡器大小、去加重大等参数进行调整，以解决误码等问题，优化光模块的性能。

不同类型光模块封装工艺流程差异

1. 速率与封装工艺的关联

• 低速光模块（如2.5G及以下速率）：

• 封装工艺选择倾向：对于2.5G及以下速率的光模块，如百兆、千兆SFP光模块等，多采用单通道TO或蝶形封装。这些封装工艺有标准的制程和自动化设备，技术壁垒相对较低。例如，TO - CAN同轴封装在这种低速率光模块中应用时，由于其成本低廉、工艺简单，能够满足基本的功能需求，所以被广泛采用。虽然它存在散热困难等问题，但在低速率下，功率较低，散热问题相对不那么突出。蝶形封装在低速率下也可使用，其结构相对复杂一些，但在一些对稳定性和功能扩展性有一定要求的场景下可以发挥优势，如在一些需要内置制冷器、热敏电阻等部件来保证长期稳定工作的应用场景中 。

• 工艺特点：这些封装工艺在低速率下，对芯片的集成度要求不高，所以不需要过于复杂的芯片布局和封装结构。例如，在单通道的TO - CAN封装中，只需要将激光器管芯和少量的相关部件（如背光检测管）进行简单的封装即可满足低速率光信号的发射和接收需求。

• 高速光模块（如40G及以上速率）：

• 封装工艺选择倾向：在高速率的光模块（如40G、100G等）中，由于需要处理更高的数据流量，对封装工艺提出了更高的要求。例如，100G光模块在采用25G芯片时，需要4组组件，如果采用传统的SFP封装，将需要4倍空间，而COB封装可以将TIA/LA芯片、激光阵列和接收器阵列集成封装在一个小空间内，以实现小型化，所以高速光模块多采用COB封装。BOX封装用于多通道并行封装，也适用于高速光模块的封装，常用于中长距离高速光学设备传输，不过价格比较昂贵。在高速光模块中，由于信号传输速率高，对封装工艺中的耦合精度、散热性能、电磁干扰屏蔽等方面的要求更高 。

• 工艺特点：以COB封装为例，在高速光模块中，对光芯片贴片的定位精度要求极高，因为定位精度会影响光耦合效果，进而影响高速信号的传输质量。同时，打线质量也非常关键，不良的打线可能导致信号衰减、干扰或误码等问题。另外，高速光模块在工作过程中会产生更多的热量，所以散热设计也更为重要，如在COB封装中，需要考虑如何通过PCB的设计、散热材料的选择等方式来提高散热效率。

2. 传输距离与封装工艺的关系

• **短距离传输光模块（

芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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