Y11T27 【通信基础】光芯片的气密性保护

更新时间：2025-02-05 10:02:51 阅读量：238

前言

去年春节的时候写了一点通信基础的内容。并且在2024年分10次，每次1.5小时，每次100+页PPT，做了解析。

又一个新年，再整理整理一些行业的基础内容，做一些解析。



进入正题

气密这个词，几乎伴随了光模块人的整个职业生涯。

为什么要气密？

光模块需要做光电信号转换，各种激光器调制器把电信号转换为光信号，各种探测器把光信号转换为电信号，这就是光模块的使命。

激光器、调制器、探测器这些核心的光学芯片，或是单独的分立的，或是阵列的集成的，最最常见的材料是化合物的材料，极少数用的是单质材料，如硅光集成的“硅”材料。

到现在为止，硅光集成这个技术在咱们行业依然算是“新技术”，而传统的化合物光芯片，InP激光器，GaAs激光器，InP探测器...，这些是我们几乎无法远离的材料。

看一段教科书的阐述，

  • 单质是由一种元素组成的纯净物

  • 化合物是由两种或两种以上的元素组成的纯净物

从微观范围看，

  • 单质由同种原子构成

  • 化合物由不同种原子构成

从性质上看，

  • 单质不能发生分解反应

  • 化合物可以发生分解反应（这句话画个重点）


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这些传统的光学芯片的材料里，随处可见的In铟，Al铝，Ga镓...的元素吧

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In铟，Al铝，Ga镓，属于“活泼金属”，这句话，

和前边的那句画了重点的另一句，化合物可以发生分解反应

这就是传统光学芯片遇到的困境


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大自然中给予人类水和氧气，是维持生命的重要材料，但不是芯片所原因接受的。

氧气，会导致活泼金属被氧化，水就是氧化氢啊，也会导致活泼金属被氧化。


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为什么需要气密？

因为光模块需要光芯片，传统的光芯片多用化合物半导体材料，这些材料中包含了大量的氢前活泼金属元素，极易被氧气或水汽侵蚀氧化，导致芯片失效。

气密保护，避免化合物材料与氧气/水汽接触。


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那，如何气密保护？

选择那些原子分布结构致密，可有效阻挡水汽分子、氧气分子的那些材料。也就是渗水率很低的材料。

我们通常认为玻璃、陶瓷、金属，属于气密材料。而树脂等材料不算。


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从哪里开始气密保护？

从芯片开始，咱们看各种芯片结构，会看到一个词，钝化层。这个层可以实现水汽隔离，比如氧化硅膜，氮化硅膜等等钝化薄膜，氧化硅就是玻璃材料或者水晶材料。

氮化硅，是常见的陶瓷材料。

还有各种电极，金属电极，金属可有效阻水，尤其是金，非常的稳定，不易氧化，也不会被水腐蚀氧化。

妇女们带金戒指，明晃晃的不生锈，但带个铁圈就会生锈，锈就是金属氧化物的一种称呼。

需要导电，就用金属，不需要导电就用玻璃陶瓷绝缘体，既不影响功能，也实现了“阻水”特性。


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只钝化，就可以保护化合物半导体芯片了么？

理论上可以，实际上有失去保护的风险。

看一下光模块的尺寸与常见光学芯片的尺寸，表述都是几十毫米这个量级


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光学芯片，一般用微米来表述，比如25Gbps的激光器芯片，150微米长，100微米厚，250微米宽...

如某家EML芯片，长650微米（0.65mm）。某家CW DFB芯片，长1mm

大约就是这个量级。


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相干光模块里的调制器芯片，会大一些，比如InP调制器某家芯片长5mm，宽2.5mm，大约就是这个尺度。


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做个对比哈，常见的大米，长5-7mm，宽2-3mm


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光模块和一粒米的对比


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激光器和一粒米的对比

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由于激光器、探测器这些芯片非常的小，在组装过程中会用到陶瓷吸嘴、金属吸嘴来取芯片。


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这像什么呢，咱用修车的大铁扳手去夹一个玉手镯，很容易控制不好力道，把手镯给碎了。

激光器芯片的钝化膜，是玻璃的，陶瓷的，很容易破裂，里边的化合物那是晶体，也很容易破裂。

另外，在后期的应用过程中，会经历春夏秋冬热胀冷缩...，会经历拿高放低，也有可能由于各种应力导致薄膜裂纹或晶体裂纹。

咱们寄快递衣服书籍包个塑料袋可以的，可玉器、瓷器，玻璃件，就不会仅仅简单包个塑料袋，否则这人的心得多大啊。


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在芯片侧做了钝化，大多数场景，还会继续做气密性封装，比如TO，比如BOX等常提到的名词。


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气密性封装，也是用玻璃、陶瓷、金属来做的。只不过比钝化膜要更厚实，保护性更强一些。


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光芯片小，数量少，就用小一点的空间，如TO。

光芯片多，或者芯片很大，就用大一点的空间，如BOX。

对于气密性封装，不仅仅选择阻水材料，还需要考虑更多东西。

比如，腔内与腔外的气压。

空气里有氧气有水汽，会导致化合物被氧化，那用真空好不好，可以，但是有风险。

腔内真空，则会受到腔外大气压的产生的应力，很容易导致气密腔开裂。

通常选择便宜的干燥的无氧气水汽的惰性气体来填充气密腔，实现内外压力平衡，且避免产生化学反应。

氮气，就是一种非常便宜的惰性气体。氮气在空气中的含量很高，制取纯净氮气所需成本很低。


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另外，光模块需要考虑不同温度下的工作，那么金属玻璃陶瓷等材料之间的结合处，有可能在温度变化，材料热膨胀系数不同，导致开裂，水汽渗入，气密封装失效。


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还需要考虑热膨胀系数的一致性，来实现长期气密。

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以上呢，略聊一下传统的气密。

现在的硅光集成技术，也有端面气密的说法，是源于对光学的影响，水汽会导致光学模式的失控，损耗的变化等等因素。

这些呢，后续慢慢展开分析。


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