Y8T342 光器件封装中的“形变”控制
在聊咱们光模块中的光器件封装时，一方面我们分类来解释，发射端如何如何，接收端如何如何，不同类型的光学器件大约的工艺路线是什么。另一方面大家聊的比较少，就是从封装材料来解释。
咱们大概分几个小章节，说一说封装的材料。
说起材料，
就是几个特点，光学特性以及产品应用时的光学特性的长期稳定性。
光学特性，选什么材料的透镜啊、波导啊，光学的反射啊，损耗啊，耦合效率啊。
光学特性的稳定性，就是光模块在不同的温度下/应力下/时间下，光学性能保持在某个范围内，不要变化太大，以不影响光模块的功能为最终目标。也就是今天要聊的内容。
电学特性，高频损耗、高频信号反射，阻抗，趋肤效应，时延...., 与各种材料的选型，导体、半导体和绝缘体，导体中各材料的迁移，扩散，应力，粗糙度....,高频电信号的回流，引脚布局等等，绝缘体的介电常数。 电极的集总结构，行波结构，分段设计，等等。
热学特性
导热路径、能力与材料选型
热学与光学特性的互相影响，比如激光器、APD、硅光等芯片的温度敏感性
热学与力学的互相影响，热膨胀系数与内应力，机械位移，且由于位移产生的光学稳定性的影响。
热学与电学特性的影响，比如导电材料在高温下的离子迁移性....
总的来说，就是光机电的综合考虑
今天主要说的是形变与位移，
一：光学性能的长期保持，对于形变的要求非常苛刻，比电学要更苛刻。
以昨天画的图为例，在咱们光模块这个特定领域里，电学信号的互联是依靠接触来实现的，
再比如激光器的焊接，有正面焊接，有倒装焊（也就是Flip chip），都有焊料存在的。目的是建立有效的物理连接，保持电信号通畅。
导电的路径最最常用的就是各种金属，金银铜等。金属除了电学的导电能力外，从力学上考虑，金属有很好的形变能力
金属的这个曲线，弹性形变区，和塑性形变区，都可以让电信号依然在工作。只要不断裂，就能工作。
金手指利用弹性接触，来实现热插拔且电信号互联。
比如金丝，就可以有很多的弧度，变形不怕。
但是，咱们光学的封装，光学路径的变化，绝大多数的封装中存在一段或多段的“非接触”式 耦合现象。
非接触的尴尬在哪里？比如激光器、透镜和光纤，要建立光学耦合路径
我们透镜的焦点要控制到光纤的纤芯位置，才能建立有效连接。
光纤，分成单模和多模，多模的纤芯略大一些，这是相对论，只是略比单模大一些，允许一定的变化，也仅仅就是±20μm，而已。
单模的纤芯很小，直径4-11μm之间，常规的652光纤是8-9μm，用于硅光耦合的小模场直径光纤大约在3-5μm直径，用于DWDM的654光纤，比652光纤的模场直径大一些。
按照最大市场量的652光纤而言，允许的位移容差±4μm左右。
硅光的耦合位移容差，则需要控制在<1μm，部分厂家需要Z轴＜0.1μm
而能引起位移的，材料的弹性形变，塑性形变，蠕变，热膨胀等。
这就是光学耦合的压力所在。
二：弹性形变
2.1 不需要位移的，就降低弹性形变
对于大多数光学封装来说，我们并不希望它存在弹性形变，所以我们很多光学封装基板，选择陶瓷基板，是吧。
但是，一旦涉及到产品，就有成本压力，这时候其实是需要权衡性价比的。
当在不希望形变的过程里，我们其实也能接受略微的形变，只要控制在一个范围内，就算不影响性能，这样可以降低成本，或者用来迁就其他特性，比如可靠性啊，比如电学特性啊等等。
常见的COC封装基板，用陶瓷基板，在力学上考虑的就是形变小，在热学上还需要考虑热膨胀系数和导热性，在电学上还需要考虑介电常数....，这么梳理下来，符合咱要求的就不多了，热量高的，选择氮化铝陶瓷，热量低的或者无热量的，可选择氧化铝陶瓷。
DML的COC，等等
比如光纤这种玻璃丝，弹性形变比较大，好处就是光纤允许咱们弯曲，坏处就是保持不住形状，没有办法，需要陶瓷插芯，陶瓷套筒这种刚性材料来帮助光纤稳定住。
另一方面，利用了陶瓷的好处，那么还得接受陶瓷的坏处，就是陶瓷的塑性形变几乎没有，很脆，一碰就碎。
外部还用各种金属来裹住这个陶瓷，来帮助陶瓷避免破裂。
用陶瓷体来加持光纤，一般用在非常高的尺寸精准度要求，比如单模耦合的（高速/低速）发射端，单模高速耦合的接收端
在一些多模的发射端，或者多模的接收端，或者单模的低速接收端，有用低成本的PEI塑料的。虽然形变大了些，好在探测器的有些场景下光敏面较大，VCSEL和多模光纤对准的精度要求不高，也就勉强接受了，毕竟便宜。
所以就有了各种各样的PEI一体式的透镜/套筒等等应用。原则就是，有形变，且形变量较大，那就用在对形变要求不太高的光模块场景中。
再看一下硅基板，硅的弹性形变量比陶瓷要大一些，但好在刻蚀方便，刨沟挖坑的三维结构处理能力是它的强项。
如果实在接受不了硅的略高形变，以及半导体特性，那可以在激光器和硅基板下方垫一块陶瓷，取陶瓷的刚性和绝缘特性。
硅基板的弹性形变较大，在通道数少的时候，还能接受，在通道数非常多时，很多耦合方式就变了。有些就需要高密布线，有些就需要绝热耦合。
这在CPO中体现的最为明显。我们传统的光模块封装中考虑基板翘曲程度的不多
基于玻璃基板，也就是COG的应用，一般是在VCSEL+PD的场合，原因是玻璃弹性形变较大，很难用于DFB啊、EML的封装。
玻璃基板的好处是透明，绝缘。
玻璃基板的坏处是不导热，需要在芯片另一侧放置导热片。其次就是形变量较大，和PEI类似，只能用在一个尺寸要求不高的场合。
玻璃V型槽用于固定光纤，这个场景用的很多。这是因为玻璃的热膨胀系数较小，且和光纤这种玻璃材料，天然是没有隔阂的。
COB这个事情，在光学芯片中也和PEI一样，用在VCSEL或者多模里，更多是电芯片的COB，光芯片在PCB板上的形变，有几个问题
第一个，PCB板不是一个单一的材料，既有树脂也有铜箔/铜孔，还有玻璃纤维布，金属和树脂弹性形变都很大，但是形变量还不一样，这给光学的稳定性带来一定的难处。
第二个，PCB板还多层，且很厚，PCB厚度大约是芯片厚度的10倍。
第三个是热膨胀系数很大，第四个是导热不均匀，树脂不导热，玻璃纤维不导热，但铜导热，这就需要考虑这几种材料的布局。
2.2 需要位移的，可以利用材料的弹性形变来帮助光学耦合
比如利用金属支架来调整光纤的Z轴高度，把光纤放在一个钣金件中，利用凹槽固定光纤，和玻璃基板的V型槽一样。金属的形变，就能利用下压力来降低光纤高度。反之，挤压金属支架，就能抬高光纤位置。之后焊上金属在底板上就行。
2.3 接受不了形变的，就得考虑设计应力释放途径
比如陶瓷弹性形变很小，且几乎没有塑性变化，在受到应力时，一旦超过它的弹性形变区间，就会破裂。这在BOX的金属和陶瓷焊接时，工艺就比较复杂。
金属在高温焊接，由于热膨胀产生了较大的形变，这个形变在气密封装不存在空隙的环境中，又把应力传递给陶瓷，陶瓷受到这个大的应力，很容易裂开。
处理方式有两个，第一个用分两段的金属焊工艺，分解金属对陶瓷的压力，另一个就是设置压力缓解槽，金属有塑性形变能力，让金属向应力槽挤压，从而缓解陶瓷受到的应力。
三：热膨胀
热膨胀，会让光学器件在不同温度下产生不同程度的膨胀或收缩。导致相对位移。
比如我们的发射端TO，一般是把透镜与外部金属管壳一起封装，在光模块处于不同的环境温度时，会产生金属外壳热膨胀而导致的透镜位移，透镜位移进而产生了焦点位移，导致进入光纤的功率变化。
光器件封装，有个跟踪误差的说法，需要在高低温下看看功率有多大的偏离，这个偏离程度能否接受。能接受最好，不能接受的话，就需要重新选择金属材料，去看一下膨胀系数导致的位移、成本以及气密性之间，如何权衡，要考虑优先保证谁的参数，要考虑牺牲哪个参数。
为什么要牺牲一些参数性能呢？
在可选方案中，能采用热膨胀系数一致的材料，且还能把光学、射频、应变、散热、可靠性都兼顾起来是最好的，作为产品而言，又又兼顾到低成本，那就更好了。
其实不可能，这时候就是权衡，就是选择。
回到热膨胀系数，在现在以太网高速产品中，多通道方案越来越多，透镜就很难放在TO的前端那种方式。透镜用胶水来固定是常见方式，但树脂胶水的热膨胀系数是陶瓷的10倍，会导致位移。
胶水对透镜产生的热膨胀系数影响了光路，解决方法有几个，
一个是胶水少涂一些，虽然不能降低系数，但至少总的应力或位移能控制在接受范围内。这就需要考虑可靠性隐患。
二是热膨胀系数的应力抵消，比如U型粘贴，比如上下错位式粘贴，让膨胀对于位移，一侧向下，一侧向上，或者一侧向左，另一侧就向右，这样设计二者应力可以抵消一些。用结构抵消，是个常见方式。
三是把透镜表面金属化，金属焊接，金属的热膨胀系数比胶水小。这就需要考虑成本增高的问题。
热膨胀系数压力最大的，是TEC，因为只要在工作，就有一端温度高，另一端温度低，也就是总有一侧处于热膨胀状态，另一侧处于收缩态。
以前为了降成本，能不用TEC的就尽量不用，很多封装厂家只在少数情况下用TEC，可现在高速光模块越来越多，用TEC来优先保证高速射频特性，光学特性以及光芯片的可靠性，不得已模块和器件设计时，就牺牲TEC这种又占地方，又贵，有膨胀收缩同时存在的这么一个光学器件。
TEC的这个既膨胀又收缩的状态，无法改变，要做的就是尽量缓解膨胀和收缩的程度，尽量加入一些具有弹性形变的材料，尽量选择转换效率高的材料（当然，也没有多大的选择余地。）
今天本来是回答一个关于封装基板的应力问题的，结果一聊就啰嗦了。多写几句吧。
