如何实现光电子器件封装制造的“自由”之路？
光信号的传输，离不开“光收发器件”这一核心器件。在我国，光电子封装技术是一个新领域。中南大学段吉安教授团队在导师钟掘院士的指导下，从机械学科切入光电子器件制造领域，开始从事光电子器件耦合封装技术与装备研究。
二十余年，从解放人力到实现自动化，他们为光电子器件封装制造闯出了一条“自由”之路。这个团队目前也是我国高校机械学科中唯一一支从事光纤通信器件封装制造技术与装备研究的科研队伍。
光电子器件研究团队合影
用眼、用手，人工封装艰难起步
光收发器件是光纤通信的信号源和核心器件，是光纤通信、大数据、云计算等信息领域的支撑。光收发器件的耦合封装需要将光电子芯片和光纤进行亚微米精度耦合对准，是器件制造的关键工序，占据器件制造成本的50%以上。
早期，我国光收发器件的封装制造是以“牺牲一代人的眼睛”为代价的“手工耦合”模式，器件性能严重依赖工人操作水平，一致性差。2000年以前，在国内，深圳从事微电子、光电子领域的企业，用的全都是进口的技术和设备，整条生产线看不到一个汉字，全部是英文、代号。
深圳是当时全国的一个缩影。由于无力购置或者国际上根本没有相应的自动化封装装备，我国企业基本上都是采用手工操作装备，依靠工人凭借显微镜在生产线上完成精密器件的封装。由于长时间在显微镜下人工作业，工人承受极大的劳动强度，视力下降得很快。
当时，国际上只有德国ficonTEC和日本Suruga公司制造同轴型器件的自动化封装装备，价格昂贵，我国企业购置不起：而盒式高速器件和板载芯片器件尚未商业化，国际上没有这两类器件的自动化耦合封装装备。“买不起”、“造不出”，面对我国光纤通信器件封装制造产业的重大需求，国内早期采用“手工耦合”模式进行光收发器件封装制造，铺垫基础、积累经验。
自2000年起，全球光纤通信器件的封装生产逐渐转移到我国，到2010年我国已成为全球主要生产基地，占全球85%以上的产能。
精准定位，孵化自动化技术
光收发器件的耦合封装是将光电子芯片、透镜、光纤等元件进行高精度耦合对准，然后进行激光焊接或者胶粘固接。光纤纤芯直径只有8~10μm,光芯片特征尺寸为2~5um,要求耦合对准达到亚微米精度。
在自动化高性能耦合封装技术层面，主要面临三个难题：一是光电子芯片和光纤的最佳耦合位置无法在元件制造过程中确定，导致耦合位置需要在线搜索，有如“大海捞针”；二是器件封装需要在三维空间六个自由度达到亚微米耦合精度；三是耦合固接界面需要精准贴平，将位置偏移控制在亚微米量级，避免破坏耦合精度。
团队在实验室进行封装实验
“简单来说，我们的工作就是将光从一个地方传输到另一个地方。”段吉安介绍，“要确保发射、接收两端能对准、对齐，第一步就是要找光、找位置。”根据“耦合误差与器件功率损耗的相关规律”，段吉安团队提出了“盲搜索+光功率引导精确搜索”的自动化耦合工艺，采用多项式拟合的全局寻优耦合搜索算法，快速找到精确耦合位置。此外，段吉安团队还研制出低阈值的高灵敏光功率检测系统，检测阈值从-40dB减小到-70dB，显著提高了盲搜索速度，实现了光电子器件封装制造从手工到自动的“华丽转身”。
新的系列成果及装备，现已全部批量化应用，获发明专利授权39项，占国内领域90%以上。此外，上述工艺和装备广泛用于深圳九州、武汉联特等龙头企业，并出口韩国，新增器件产值20亿元，有力推动了我国光收发器件制造行业的技术跨越发展。
“通过这些技术、设备，我们在本行业实现了从人工作业到自动化、高性能操作的技术跨越。”谈及行业发展的未来，段吉安说，“现在解放了双眼，极大程度上解放了双手。在未来，我们将以智能化为目标，推动耦合封装技术进一步发展。”
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来源 | 新闻中心
作者 | 苏广兴
编辑 | 再努热
审核 | 韩艳