Silicon Photonics
Hochpräzises Bonding für Optoelektronik
Für die Integration optischer Elemente auf Halbleitern sind Die-Bonder erforderlich, die in ihrer Positioniergenauigkeit teilweise bis in den Sub-Mikrometer-Bereich vorstoßen. Dazu hat ASMPT die »Amicra Nano« konzipiert.
Seit etlichen Jahren verzeichnet der Markt für optische Transceiver zweistellige Wachstumsraten. Er soll bis 2025 ein Marktvolumen von umgerechnet mehr als 14 Milliarden Euro erreichen. Das verwundert kaum: Lichtwellenleitertechnik hat gegenüber traditioneller Kupferverkabelung eine Reihe von Vorteilen. Sie spart Rohstoffe und Energie und kann Signale mit sehr hoher Bandbreite auch über lange Strecken verlustfrei übertragen.
Die Einsatzbereiche sind vielfältig: Überall dort, wo verlustarme Verbindungen mit sehr hoher Datendichte gebraucht werden, greift man heute bereits auf Glasfaser zurück – bei Backbones in Rechenzentren ebenso wie bei Inter-Datacenter-Connects oder der Anbindung von 5G-Funkmasten. Aber das Einsatzgebiet optoelektronischer Technologie umfasst neben klassischen Kommunikationsanwendungen auch die Sensorik in der Medizin, Augmented Reality, Power-Laser- oder Automotive-Applikationen. So gehört etwa Lidar, eine Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung mit Lasern, zu den bevorzugten Anwendungen für die 3D-Hinderniserkennung für autonomes Fahren.
Von optisch nach elektrisch und zurück
Das Prinzip: Um Bits durch eine Glasfaser schicken zu können, müssen elektrische Signale zunächst in optische umgewandelt und am Ende der Übertragungsstrecke wieder zurückkonvertiert werden. Dazu gilt es, lichtemittierende und -empfindliche Bauelemente so präzise miteinander zu verbinden, dass Streuverluste und Dämpfungen möglichst gering bleiben. Diskret aus vielen Bauteilen aufgebaute Transceiver sind daher vergleichsweise groß und schwierig zu produzieren. So muss zum Beispiel jede Laserdiode bei der Montage in Betrieb genommen werden, um ihre korrekte Ausrichtung zu kontrollieren. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Active Alignment.
Optische Komponenten auf dem Die integriert
Moderne Halbleitertechnik umfasst aber bereits Technologien, die optische Komponenten mithilfe von CMOS-Lithografie auf Substraten nachbilden können. Das Resultat ist ein sogenannter Photonic Integrated Circuit (PIC), der zum Beispiel Lichtwellenleiter und Receiver integriert, was die Anzahl der erforderlichen Komponenten und damit die Größe und Montagekosten erheblich reduziert. Als lichtemittierende Komponente in den Optokopplern dienen Laserdioden, die mit einem Die-Bonder direkt auf die PICs aufgesetzt und fixiert werden. Die-Bonder werden in der Chip-Produktion dazu eingesetzt, die Dies in einem Gehäuse zu platzieren und zu verdrahten oder zu verlöten. Sie arbeiten so präzise, dass ein Active Alignment bei der Platzierung der Laserdiode nicht mehr erforderlich ist. Damit sinkt der Montageaufwand, und die Produktivität in der Fertigung steigt.
Die Technologie der größtmöglichen Integration elektrischer und optischer Komponenten, auch als Silicon-Photonics (SiPh) bezeichnet, erfordert eine neue Generation hochgenauer Bonder. Eine Laserdiode muss zum Beispiel mit <±0,5 µm bei 3 Sigma platziert werden. (Sigma ist dabei ein Maß für die Prozessstabilität, das Extremwerte und Standardabweichung in Beziehung setzt). Nur so lässt sich ein Optokoppler herstellen, der die strengen Spezifikationen bei der Vermeidung von Lichtstreuung und -reflexion erfüllt.
Hohe Platziergenauigkeit
Derart hochpräzise Die-Bonder hat ASMPT entwickelt. Mit »Amicra« steht eine bewährte Plattform auch für die Optoelektronik zur Verfügung. Das Modell »Amicra Nano« erreicht sogar – als erstes in der Branche – eine Positioniergenauigkeit von <±0,2 µm bei 3 Sigma. Wegen ihrer einmaligen Präzision kommt die Amicra Nano überall dort zum Einsatz, wo es um richtungsweisende Spitzentechnologie geht. Das Alleinstellungsmerkmal macht die Maschine zum Beispiel in der Forschung sehr beliebt. Diese unerreichte Präzision beruht auf einer im besten Sinne des Wortes soliden Technik: Bei der Amicra Nano ruht die gesamte Positioniereinheit auf einer schweren, luftgefederten Granitplatte, um sie gegen einwirkende Vibrationen von außen abzudämpfen. Die gesamte Maschine wiegt etwa 2,5 Tonnen.
Die Kamera schaut durch den Bestückkopf
Die zu platzierenden Dies werden einzeln oder per vorsepariertem Wafer zugeführt. Eine sehr präzise arbeitende Vakuumpipette platziert sie dann auf ein Wafer- oder Einzelsubstrat. Ebenfalls bisher einzigartig: Der sogenannte Look-Through-Bestückkopf der Maschine ist so konstruiert, dass die hochauflösende Bauteilkamera von oben die Pipette abbilden kann. Die Kamera arbeitet mit einer Pixelgröße von 3,45 µm. Es gibt drei Objektive, die Linienabstände zwischen 1,66 und 5,56 µm erkennen. Die Pipette fasst das aufzubringende Die so, dass es auf einer Seite ein wenig übersteht. Damit bleiben Passermarken auf dem Die sichtbar, an denen sich das System orientiert. Auf dem Substrat befinden sich korrespondierende Fiducials, die ebenfalls der exakten Positionierung dienen. Wie auch in der SMT-Technik üblich, wird das zu platzierende Teil zunächst inspiziert. Optisch erkennbare Defekte führen zur Aussortierung. Ist die Ausrichtung erfolgt, wird das Die mit genau definierter Kraft platziert (Bond-Force: 0,2–204 N) und anschließend gleich noch einmal vermessen. Zeigt die Sekundärmessung ebenfalls Werte im zulässigen Toleranzbereich, folgt eine Fixierung durch Laserverlötung, Verklebung oder eine Kombination von Anpressdruck und Wärme.
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- Hochpräzises Bonding für Optoelektronik
- Laserlötung von der Substratseite aus