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封装工艺导致电信和数通光模块呈现不同生产特点

发布时间:2018-10-31 点击数:39
TOSA/ROSA 封装工艺决定光模块厂商的生产特点

光模块(Optical Module)属于光通信中的有源器件,由光器件、功能电路和光接口等组成,主要功能为完成光信号的光电/电光转换。其中发射模块主要功能是将输入的电信号经内部驱动芯片处理后驱动半导体激光器发射出调制光信号,接收模块功能是将光信号输入模块后由光电探测器转化为电信号,并经过前置放大器输出电信号。

光模块结构图

光模块内部功能框图


光模块中的光芯片激光器和探测器是光模块的核心器件,激光器主要有 VCSEL(垂直腔面发射激光器)、 FP(法布里-帕罗激光器)、 DFB(分布式反馈激光器)和 EML(电吸收调制激光器),探测器主要包括 PIN 和 APD 两种类型。其中 VCSEL 适用于短距离,为面发射,耦合效率最高,对应多模光纤,主要应用在数据中心和无线前传; DFB 适用于中距离,为边发射,耦合效率低,对应单模光纤,适用于数据中心、城域传输以及无线接入市场; EML 适用于长距离,为边发射,成本高,对应单模光纤,适用于城域传输市场。

半导体激光器类型与特点
光模块封装的基本结构为光发射次模块(TOSA)和驱动电路、光接收次模块(ROSA)和接收电路,其中将激光器、探测器封装为 TOSA、 ROSA 的过程是光模块封装的核心和主要的技术壁垒。TOSA/ROSA 的封装工艺类型主要包括: TO-CAN 同轴封装、蝶形封装、 COB 封装、 BOX 封装以及 Flip Clip 等。 电路结构主要包括驱动芯片(Driver)、跨阻放大器(Tia)、限幅放大器(LimitingAmplifier)和其他零组件。

TO 封装及结构图

蝶式封装及结构图


高速光模块发展趋势越来越需要小尺寸和高密度,传统的 TO 封装较适合低速率模块的封装,工艺成熟良率高,但不太适合大规模量产;蝶形封装成本较高、比较适合对激光器稳定性和可靠性要求较高的应用领域。在数据中心光模块市场,由于对性能指标中诸如温度要求、可靠性要求较低于电信市场,而产品需求又具备速率要求高、快速迭代和需求量大的特点,需要更适合这种市场需求的封装工艺。
图表13
电信级光模块与数据中心光模块需求对比
光组件(OSA)成本占光模块成本 60%以上, 降低成本的主要方式为推动从比较昂贵的气密封装走向低成本的非气密封装。 COB(Chip On Board)工艺原理是通过胶贴片工艺先将芯片或光组件固定在 PCB 上,然后金线键合(Wirebonding)进行电气连接,最后顶部滴灌胶封,是一种非气密封装,自动化程度较高,适合大批量生产,但是可靠性和精度由于封胶固化等原因可能导致生产存在良率的问题。

光芯片的 COB 封装工艺

光芯片 COB 工艺的树脂封装


国内数通光模块厂商苏州旭创已在 10G/25G/40G/100G 光模块产品中广泛应用 COB 封装,对于PSM4/CWDM4/LR4 这几款单模产品来说, COB 封装的难度更大,厂商在封装工艺路线上也有所区别,包括 COB、 BOX、 Flip Clip 以及 Mini Tosa/Rosa 等。 除了芯片封装工艺,苏州旭创掌握的工艺包括共晶焊接工艺、金线键合工艺、精度耦合工艺以及高效组装测试工艺等,保证以较低生产成本生产满足指标需求的产品,并且在新产品推出 2-3 年后显著改善良率,提升毛利率。

数通 100G 光模块厂商产品系列及封装工艺

我们将 2008 年-2017 年主要以电信为目标市场的光模块国际厂商(包括 Acacia、 Neophotonics、Lumentum),和主要以数据中心为目标市场的光模块国际厂商(包括 AAOI、 Oclaro、 Finisar)的销售成本率做对比。 由于电信光模块厂商的生产特点为产品迭代周期长、封装工艺更倾向于蝶形或BOX 封装导致封装成本较高,因而在销售成本率的长期曲线中表现出较为稳定的趋势,而数通光模块厂商的销售成本率曲线大多呈现快速下行的趋势,显著体现出数通光模块厂商的生产特点。

2008-2017 年国际电信光模块厂商销售成本率

2008-2017 年国际数通光模块厂商销售成本率

摘自:平安证券

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