一种气密封装光电收发模块结构的装配方法

技术领域

本发明属于数字光通信领域，尤其涉及一种气密封装光模块结构的装配方法。

背景技术

随着军用光纤总线及空间激光通信等技术的不断发展，军品光模块的需求量将进一步释放。相比民品光模块，军品光模块具有温度环境要求严、长期可靠性要求高的特点，以满足航空航天、舰船及军用电子等领域应用条件。而气密封装作为军品光模块的主要封装形式，具有散热性能好、环境适应性强的特点，目前受到业内越来越多的重视。然而，由于气密封装光电收发模块内部结构复杂、装配难度大，尤其是涉及到导电银胶、黑胶等粘结剂，除常规的贴片、打线、耦合等操作流程外，仍需考虑结构匹配、应力释放等工艺方法。

气密封装光模块主要由PCB电路板、光引擎、气密管壳和连接光纤组成，其中由光芯片、电芯片和透镜等组成的光引擎是气密封装光模块的核心部件，主要负责光信号的收发、调制和放大。由于军品模块在应用现场受高低温骤变、瞬时机械振动和强电磁干扰等复杂环境影响，涉及到光引擎部分的胶粘剂工艺、焊接工艺会经历严峻的考验。经过对在用的气密光模块状态进行统计，目前低温掉光、响应度降低及光眼图失效等问题居高不下，直接影响到总体单位整机的长期运行可靠性及安全，所以对气密封装光模块的结构及装配方法进行优化设计显得尤为重要。

目前，国内大多仅针对气密封装光模块气密密封的方法进行研究，主要包括密封节设计、密封工艺设计等。目前尚缺乏专门针对气密封装光收发模块整体结构和装配方法的研究，没有相应的成套工艺方法参考，从而影响到气密封装光模块的性能和可靠性提升。

发明内容

本申请解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种气密封装光模块结构的装配方法，解决了军品光模块长期应用可靠性的问题。

带有光引擎的PCBA板通过导电银胶与气密管壳底部粘接固定，光引擎与外界通过金属化FA光纤组件连接，通过气密焊接工艺实现金属化光纤与气密管壳密封，气密管壳的壳体密封通过平行封焊工艺实现。

本申请提供的技术方案如下：

一种气密封装光电收发模块结构的装配方法，气密封装光电收发模块结构包括气密管壳、PCB和光纤组件，气密管壳包括管壳本体和上盖，管壳本体内底部的边缘固定连接有打线焊盘，连接端连接于管壳本体外部且与管壳本体内部连通，上盖连接于管壳本体的开口端、以使管壳本体内形成密封空间；PCB上设有光引擎，光引擎包括光芯片、电芯片和LENS，光芯片和电芯片固定连接于PCB，LENS与光芯片耦合装配；光纤组件包括光纤和连接于光纤端部的插头，光纤一端的插头从连接端伸入管壳本体内、并与LENS对接；光纤外套设有密封节，密封节插设到连接端内并与连接端焊接；

装配方法包括：

S1：检验气密封装光电收发模块结构的各个部分；

S2：裸片贴片，将光芯片和电芯片通过导电银胶粘贴到PCB指定区域，获得贴片后PCB；

S3：芯片打线，将光芯片与电芯片以及电芯片与贴片后PCB的焊盘之间对应点号用金线键合，获得打线后PCB；

S4：光路耦合，将LENS与打线后PCB上的光芯片耦合，然后通过UV胶在指定位置将LENS和PCB之间固定，然后再用黑胶补强；

指定位置是指LENS与光纤对接方向的两侧外边框底部与PCB接触的位置；

S5：入壳打线，将PCB贴装到管壳本体内部的底部，清洗，进行PCB与管壳本体的打线焊盘之间的金丝键合；

S6：光纤装配，将光纤一端连接的插头与LENS21进行对插并用UV胶固定，UV胶固化后同样的位置再进行黑胶补强，并对于插头插入连接端的端部与连接端之间的间隙用黑胶进行封堵，黑胶彻底固化后再进行三温测试、并测试各发射通道的光功率和响应度指标，测试满足要求后，将密封节与连接端插接并焊接，并将密封节与光纤之间密封；

S7：平行封焊，将上盖与管壳本体1进行焊接，实现完全气密。

所述步骤S2中，贴片后，目检光芯片和电芯片的贴装位置，银胶至少三边溢胶，爬胶高度在不高于光芯片和电芯片厚度的2/3；且贴片位置精确偏差小于10um，Vcsel和PD光芯片角度偏差小于0.5度。

所述步骤S3中，金线的线径为1mil，金丝键合完成后目检要求金球焊大小在55um～65um之间，金球推力平均值大于20g，金线拉力平均值大于10g。

所述步骤S4中，光路耦合时，PCB四角位置设置的引脚分别为VCC、GND、SDA和SCL，通过探针JIANG引脚与外部的电源和IIC通信信号线连接；然后再将LENS与光芯片耦合，以使光路耦合的过程为有源耦合；且耦合过程中，检测LENS的发射通道光功率、接收通道响应度、发射通道容差和接收通道容差。

所述步骤S4中，要求LENS的发射通道光功率大于-1dBm、接收通道响应度大于0.4A/W、发射通道容差大于15、接收通道容差大于25。

所述步骤S4中，黑胶热固化完成后进行常温测试，常温测试通过后进行温度循环后再次进行常温测试；温度循环要求温度范围-40℃～85℃，循环次数为6次，温变速率一般为3℃/min～5℃/min。

所述步骤S5中，将PCB贴装到管壳本体内部的底部，包括：在管壳本体底部均匀涂银胶，然后将PCB贴装到管壳本体内部的底部，银胶固化完成后在PCB与管壳本体接触的四角用黑胶补强，再次进行黑胶固化。

所述步骤S5中，PCB贴装完成后测量PCB四角平整度误差小于±30um，目检要求银胶在电路板边缘有溢出，但避免污染到打线焊盘，黑胶与银胶不直接接触。

所述步骤S5中，在管壳本体底部均匀涂银胶，包括利用点胶机在管壳本体底部进行均匀点胶；

或者，在管壳本体底部均匀涂银胶，包括在管壳本体底部采用蛇形涂胶，蛇形涂胶的边缘距离打线焊盘的距离为5mm，相邻的两道涂胶迹线之间没有间隙为0.5mm。

所述步骤S6中，三温测试要求在-40℃、25℃和85℃三个温度点各保温一小时，测发射通道光功率要求最低大于-3dBm，接收通达灵敏度不小于0.4A/W；

步骤S6中，UV胶固定位置为：LENS一侧设有两个凸起部，光纤连接的插头位于两个凸起部之间时，插头两侧与两个凸起部接触，UV胶点胶固定在凸起部远离LENS的端部与插头之间。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)本发明提出了针对气密封装光电模块的结构和装配方法，其中LENS与MT-Jumper光纤对接式设计，可在有利于快速装配的同时，实现整个模块的气密封装。

(2)本发明提出的气密光电模块的装配方法，工艺上切实可行，且经过大量产品验证，满足军品级模块相关指标要求，对今后气密封装光模块可靠性提高和技术水平改进有重要意义。

附图说明

图1为本发明的气密封装光电收发模块结构组成示意图；

图2为本发明的气密封装光电收发模块装配流程示意图；

图3为本发明的气密封装光电收发模块结构的整体示意图。

附图标号说明：1、管壳本体；11、连接端；12、打线焊盘；13、上盖；14、导针；

2、PCB；21、LENS；

3、光纤组件；31、密封节。

具体实施方式

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本申请实施例公开一种气密封装光电收发模块结构的装配方法，如图1和图3所示，气密封装光电收发模块结构包括气密管壳、PCB 2和光纤组件3，其中，气密管壳包括管壳本体1和上盖13，管壳本体1为长方体形的壳体，管壳本体1内底部的三个边缘固定连接有打线焊盘12，连接端11设置于管壳本体1未设置打线焊盘12的边缘；PCB 2上核心组成部分为光引擎，光引擎主要包括光芯片、电芯片、LENS(透镜)21。光芯片和电芯片固定连接于PCB2，LENS 21与光芯片耦合装配；光纤组件包括光纤和连接于光纤端部的插头(插头为Jumper等)，光纤一端的插头从连接端11伸入管壳本体1内、并与LENS21对接；光纤外套设有密封节31，密封节31插设到连接端11内并与连接端11焊接。

PCB 2的四角位置设置有引脚，引脚分别为两个电压引脚、一个接地引脚、一个通信引脚，引脚与PCB 2上的印制线电连接。通过引脚可以实现LENS21与光芯片的有源耦合。

管壳本体1的相对的两个内侧壁固定连接有导针14，导针14垂直于管壳本体1底面并与管壳本体1的底面连接，导针14朝向管壳本体1内的一侧为弧形。PCB 2的相对两侧设置有卡槽，卡槽与导针14配合。卡槽位于PCB 2长度方向上靠近一端端部的位置。

LENS一侧设有两个凸起部，以在两个突起部和两个突起部之间的位置形成C形槽，光纤连接的插头沿着凸起部的长度方向与凸起部相对的一侧滑动连接，光纤连接的插头从两个凸起部之间插设于LENS。

一种气密封装光电收发模块结构的装配方法，如图2和图3所示，包括以下步骤：

步骤一，来料检验。在本实施例中，来料检验步骤主要是针对气密封装光电收发模块的主要物料进行物料检验，为下一流程做准备。

检验的主要物料包括光引擎、气密管壳、PCB和光纤组件，首先核查组成光引擎的Vcsel、PD、TIA、Driver和LENS种类、型号是否符合要求，然后用高倍显微镜查看元件是否与崩边、损坏，打线焊盘及光芯片的感光面是否完好、有污染。气密管壳主要检查管壳引脚是否完好，金线焊盘是否有划痕等损伤，是否有多余物。PCB主要检查贴片区域是否与污染，打线焊盘是否有损伤。光纤组件主要检查光纤镀金区域长度是否符合要求，Jumper插头是否损伤、是否有污染。

在本实施例中，来料检验主要针对气密收发模块的核心物料，对于裸芯片的检验显微镜放大倍数一般不低于50倍。

步骤二，裸片贴片。指的是制作光引擎的重要步骤，一般先在PCB指定区域涂敷导电银胶，然后利用贴片机进行贴片，即将光芯片、电芯片贴到PCB指定区域。贴片完成后进行目检，目检要求芯片对应贴装位置正确，银胶至少三边溢胶，爬胶高度在不高于芯片厚度的2/3。且贴片位置精确偏差小于5um，Vcsel和PD光芯片角度偏差小于0.5度。目检合格后再用二次元影像系统对贴片精度进行测试。精度测试合格后再进行银胶固化，固化完成后再进行目检，如合格再进行下一流程，如上述目检或二次元精度测试有任一项不合格，则该流程需重新进行。

步骤三，芯片打线，指的是利用金丝键合设备将光芯片与电芯片、以及电芯片与PCB的焊盘之间对应点号用金线连接。采用1mil大小的金线。

具体步骤为：将裸片贴片完成的PCB板先进行等离子清洗，清洗完成后放入自动打线机，进行金丝键合作业，将光芯片与电芯片、以及电芯片与PCB的焊盘之间对应点号用金线连接。键合完成后进行目检，重点检查金线是否有漏打、错打，金球是否在焊盘内，线弧高度、金球大小等是否符合要求。如合格再进入下一流程，如目检不合格该流程需重新进行。除此之外，当天首件生产的产品除金丝键合流程外必须进行推拉力测试，合格后才可正式生产。

金丝键合完成后目检要求金球焊大小在55um～65um之间，金球推力平均值大于20g，金线拉力平均值大于10g。

步骤四，光路耦合，指的是利用耦合设备将LENS与光芯片上方发光(感光)面对齐，并在指定位置用UV胶将LENS固定在PCB上，然后再用黑胶补强。指定位置为LENS21朝向PCB2的表面，且LENS21与光纤对接方向的两侧。

具体步骤为：透镜跟光芯片装配侯，利用耦合设备将LENS通过UV胶点胶预固定到PCB板上，预固定完成后进行二次照光固化及热固化。当UV胶完全固化后利用点胶机进行黑胶涂敷，黑胶热固化完成后进行常温测试。常温测试通过后进行温度循环后再次进行常温测试。

该步骤是光引擎制备的核心步骤，光路耦合直接决定后续产品各项功能指标。耦合方式要求采用有源耦合，对于非镀膜常规LENS，要求发射通道光功率大于-1dBm，接收通道响应度大于0.4A/W，发射通道容差大于15，接收通道容差大于25。目检要求黑胶涂敷均匀，两侧胶宽对称，黑胶不应流入到LENS内部。温度循环要求温度范围-40℃～85℃，循环次数为6次，温变速率一般为3℃/min～5℃/min。

如果发射通道光功率和接收通道灵敏度满足要求则进行下一流程，如果不满足，则该流程需重新进行。

步骤五，入壳打线，指的是首先将PCB2贴装到管壳本体1内指定位置，需要确保贴装平整度。

具体步骤为：气密管壳用超声清洗后，在管壳本体1底部均匀涂胶(银胶)，然后将耦合完成的PCB板2放入管壳本体1中，当银胶固化完成后在PCB板2与管壳本体1接触的四角用黑胶补强，再次进行黑胶固化。将PCB 2连同管壳本体1放入等离子清洗机，清洗完成后进行PCB与管壳本体1的打线焊盘12之间的金丝键合。键合完成后进行目检，要求与步骤三一致。另外，当天首件生产的产品除金丝键合流程外必须进行推拉力测试，合格后才可正式生产。

贴装完成后测量PCB2四角平整度误差小于±30um，同时目检要求银胶在电路板边缘有溢出，但避免污染到打线焊盘。另外，黑胶涂敷位于PCB与管壳接触的四角位置，避免黑胶污染到其他区域，避免黑胶与银胶直接接触。管壳打线要求与芯片打线要求一致。

管壳底部均匀涂胶的方式包括两种，其中，方法一，利用点胶机在管壳本体1底部进行均匀点胶；方法二，在管壳本体底部采用蛇形涂胶，蛇形涂胶的边缘距离打线焊盘12的距离为5mm，相邻的两道涂胶迹线之间没有间隙，且将PCB安装到管壳本体内时，PCB 2一端先与导针14配合并接触管壳本体1的底部，然后另一端逐渐向下制导与管壳本体1底部贴合，实现管壳本体1与PCB 2之间的平整性较好。

步骤六，光纤装配，指的是将光纤一端连接的插头(Jumper)与LENS进行对插并用UV胶固定，UV胶要点在插头和LENS对插位置尾部(即凸起部远离LENS端部与插头之间)，两侧均匀对称，该涂胶位置保证UV胶不会流到LENS耦合的光芯片位置，等UV胶固化后再该处再进行黑胶补强。同时，对于Jumper光纤插入管壳本体的连接端11靠近管壳一侧也用黑胶进行封堵，等黑胶彻底固化后再进行三温测试。测试合格后进行光纤焊接，如不合格则进行返修和故障排查。光纤焊接采用高频焊接机进行焊接，将金属化光纤与气密管壳之间采用低温焊料焊接。焊接完成后进行焊接目检和温度循环，常温测试再进行三温测试，测试合格后则进行下一流程，如不合格则重复进行该工序。

三温测试要求在-40℃、25℃和85℃三个温度点各保温一小时，测试各发射通道的光功率和响应度指标，发射通道光功率要求最低大于-3dBm，接收通达灵敏度不小于0.4A/W。Jumper光纤与LENS对接固定后最为核心的一步便是光纤与气密管壳的焊接，采用低温焊料，利用高频焊接机，功率不低于3kW，焊接时间小于10s，焊接温度小于200℃。焊接完成要进行焊接部位目检，低倍显微镜观察焊锡流出情况，要求焊锡与密封节平齐，表面平整，误差小于50um。用高倍显微镜观察焊锡处有无细小空洞，密封节与管壳连接处是否有焊锡包裹。

步骤七，平行封焊。指的是将上盖与管壳本体进行焊接，实现完全气密。封焊之前，需要进行目检，管壳本体内有无多余物，尤其是金线和金球部位有无损伤。另外，目检都合格的话需要进行氮气烘烤，烘烤温度85℃，时间不少于168h，然后再进行平行封焊。

步骤九，检验交付。指的是对平行封焊后的产品进行终检，包括外观检验和性能检验，等以上都合格后交付进行筛选测试。

本发明提出了一种气密封装光电收发模块的结构和装配方法。对于气密封装结构，本发明提出了利用在PCB上集成光引擎然后整体入壳打线的装配步骤，设计Jumper光纤与光引擎LENS对接，既方便灵活组装，又能与气密管壳焊接实现可靠性气密。

针对气密封装光电收发模块的装配，本发明提出了完整的装配步骤和要求，确定了具体装配参数。该方案经济适用，既能解决气密封装光电收发模块的可靠性问题，又适合气密封装光电模块的批量生产，满足军品级模块交付要求。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

本申请说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。