温度载荷下光互连模块对准偏移分析

黄春跃，吴 松，梁 颖，李天明，郭广阔，熊国际，唐文亮

(1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004;2.成都航空职业技术学院电子工程系，成都 610021;3.桂林航天工业学院汽车与动力工程系，广西桂林 541004)

0 引言

光互连有并行、高带宽、能降低外界串扰和磁场干扰等优点，能很好地代替传统金属互连，提高传输速率和互连可靠性。将光引入到电路板中，用“光互连”代替“电互连”发展高速光电印制电路板(EOPCB，electronic-optical printed circuit board)波导光互连技术［1］，对于促进高速光互连集成电路信息处理和传输系统，发展宽带宽、高速、大容量的信息通讯网和高性能计算机和处理系统具有重要的现实意义和应用价值。

一种典型的板级光互连模块结构示意图，如图1所示［2］。光信号在芯片与芯片间的传输路径如图1中①→④箭头所示，图中VCSEL作为光源发射器，大规模集成电路芯片产生的电信号通过驱动芯片作用在VCSEL激光发生器上产生相应的光信号，光信号从VCSEL发出后，传入到VCSEL与光电印制板间带有45°镜面的聚合物光耦合元件，从光耦合元件中通过45°镜面反射传送到印制电路板的光波导中，在光波导的另一端通过45°镜面传送到光耦合元件，继而传给光电二极管阵列(PD，photo-diode)接收，再经过接收芯片转换成电信号传送给大规模集成电路芯片进行后续的电信号处理。

针对光互连模块的对准损耗，Krzysztof NIEWGLOWSKI等人［1，2］研究了图1 中 VCSEL 与耦合元件(图1中位置①处)、光电接收器与耦合元件分别在1 dB和3 dB耦合损耗下的偏移容忍度;TAO Qing 等人［3，4］研究了耦合元件与波导在 45°镜面反射处波导的轴向与纵向偏移对于耦合效率的影响，并对光电印制电路板在涂覆工艺中光波导芯层截面变形后对光传输耦合效率的影响展开了研究。Sh.Afyouni Akbari等人［5］研究了硅基光互连模块上VCSEL与MMF和PIN之间的耦合效率。Nikolaos Bamiedakis等人［6］提出了一种能与传统印制电路板兼容的低制造成本的EOPCB结构，简化EOPCB的组装工艺步骤。Hideyuki Nasu等人［7］研究了一种微型光互连模块中Sn-Ag-Cu焊点在经历250℃回流焊接后产生的位置偏移对光耦合效率的影响。

上述学者对板级光互连模块中光传输耦合效率的研究仅限于模块处于静态或非工作状态的条件下所展开的，没有考虑温度、振动冲击等外界动态因素的影响，而在光互连模块的实际工作过程中必然会经历周期性的开关状态从而导致模块的温度发生升降变化(相当于经历热循环加载过程)，由于各部件材料的热膨胀系数不同，使得各部件在受热后产生热失配，导致各部件间产生热变形，在关键位置处产生位置偏移最终影响光互连的耦合效率。因此对温度、振动冲击等外界动态因素影响光互连模块的耦合效率展开相应研究是十分必要的。由此本文对温度载荷加载条件下光互连模块中的VCSEL与耦合元件之间(图1中①处)、耦合元件与光波导之间(图1中的②处)的位置偏移展开研究，通过建立光互连模块有限元分析模型并进行温度载荷加载条件下的热变形位移分析，获取由于各通道在关键位置处的位置偏移，研究结果可以为减小板级光互连模块关键位置处的位置偏移提供理论指导，丰富光互连模块传输可靠性的相关理论。

1 光互连模块温度载荷加载下对准偏移有限元分析

1.1 光互连模块三维有限元模型

在对图1所示的光互连模块进行有限元建模分析时，由于光发射模块和光接收模块结构对称，所以选取整体结构的1/2建立有限元模型作为研究对象，建立的光互连模块三维有限元分析模型，如图2所示。

图2 光互连模块的有限元分析模型

其中PCB整体长宽尺寸为70 mm×70 mm，PCB由上中下三层结构所组成，其最上层和最下层均为FR4层，中间为铜箔层，上、下FR4层的厚度均为0.2 mm，铜箔层的厚度为0.125 mm，铜箔层内埋置有12根截面为0.05 mm×0.05 mm的光波导，波导间距为0.25 mm。陶瓷基板的材质为Al2O3，其长宽厚尺寸为13 mm×13 mm×0.635 mm。

陶瓷基板与PCB之间通过96个直径为0.76 mm的Sn63Pb37焊球连接，焊点间距为1 mm。垂直腔面发射器选用Finisar公司设计的12通道 VCSEL。VCSEL与陶瓷基板间为24个无铅SnAgCu焊球，焊球的高度为0.1 mm，半径为0.06 mm，体积为0.8 ×10－3mm3。

光互连模块中VCSEL焊点和陶瓷基板焊点的材料分别为共晶钎料 Sn63Pb37与 SnAgCu［2］，其材料模式处理为弹塑性和蠕变性。光互连模块中陶瓷基板、光波导、耦合元件和VCSEL等其他组件均认为是线弹性材料，即为各向同性的材料。材料的特性参数，见表1。

表 1 材料参数［1，2，8］

光互连模块所采用的加载方式是温度加载，按照美国军标MIL-STD-883选取温度载荷加载条件［8］，加载曲线如图3所示。温度范围为－55℃ ～125℃，升降温度速率为36℃/min，高、低温各保温10 min，一个周期为1800 s。在周期加载条件下，零应力应参考温度Tref=125℃。由于焊点的应力应变在温度载荷中呈周期性变化，一般认为在第四周期趋向稳定，所以本文进行四个周期的温度加载。有限元模型的边界条件为PCB底部角点全约束，由于选用的是二分之一对称模型，所以模型中间切面施加对称约束。

图3 温度载荷曲线

1.2 光互连模块温度载荷条件下对准偏移有限元分析结果

由于各部件材料的热膨胀系数不同，经过4个周期的温度载荷以后，光互连模块中VCSEL与耦合元件，耦合元件与光波导之间均发生位置移动，光互连模块中关键部件位移云图，如图4所示，从图中可以看出模型下端波导到耦合元件上端位移值逐渐增大，而在VCSEL处的位移值减小。由于不同部件单元的轴向、水平及垂直方向的位移值不同，造成了VCSEL与耦合元件产生图4左边所示的三个方向错位偏移，耦合元件与光波导之间产生图4右边所示的错位偏移。

图4 光互连模块中关键部件位移云图

通过获取12路光通道中如图4所示的VCSEL发光中心点A与耦合元件上端耦合中心点B，耦合元件下端45°折射镜中心点C与波导入光中心点D的X、Y、Z三个方向的位移;计算各方向的位移差值，求得A与B，C与D在三个方向的位置偏移即为VCSEL与耦合元件，耦合元件与光波导的对应方向的位置偏移。

在一个温度载荷周期中，VCSEL与耦合元件，耦合元件与光波导的位置偏移在X、Y、Z的位置偏移，如图5、图6所示，从图中可看出在一个温度载荷周期中，在低温降温结束时刻至低温保温结束时刻之间，两个关键耦合位置在三个方向的位置偏移均为最大。在高温阶段偏移值降至最低。并且三个方向中轴向位置偏移最大，其次为垂直偏移，水平偏移最小。

图5 一个温度载荷周期中VCSEL与耦合元件间的对准偏移

图6 一个温度载荷周期中耦合元件与波导间的对准偏移

由于在低温阶段VCSEL与耦合元件，耦合元件与光波导的偏移值最大，对关键位置处的光耦合效率影响最明显，所以获取12路光通道在低温降温结束时刻的位置偏移，如图7、图8所示。从图中可以看出12路光通道在两个关键位置处的轴向位置偏移最大，其次为垂直偏移，最后为水平偏移。且两个关键位置对应的12路光通道在X方向的位置偏移大小不变，而在Z方向不同通道间偏移值有轻微的波动，在Y方向变化最明显，呈现出两段偏移值大中间偏移值小的规律。

2 结语

通过对板级光互连模块进行温度载荷加载下的对准位置偏移分析，可以得到以下结论:

图7 12路光通道中VCSEL与耦合元件间的对准偏移

图8 12路光通道中耦合元件与光波导间的对准偏移

(1)有限元分析表明，在温度载荷条件下，板级光互连模块中VCSEL与耦合元件间，耦合元件与波导间会产生X、Y、Z三个方向的对准偏移，且在温度载荷加载过程的低温阶段两个关键位置处轴向、水平和垂直三个方向的对准偏移值均为最大。

(2)对光互连模块12路光通道在低温保温结束时刻的对准偏移进行分析可知。两个关键位置处在低温结束时刻的轴向偏移均比其他两个方向的偏移值大。而水平方向的位移受温度影响最为显著，呈现出两端通道偏移大，中间通道偏移小的规律。

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