2.5-10Gb/s高速蝶式半導體雷射模組銲後位移之研究
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(2) 中文摘要. 本論文主旨在探討高速蝶式雷射模組的銲後位移，蝶式雷射模組 構裝過程中最困難的部分是光纖與雷射間的固定結合，目前固定光纖 位置是利用雷射銲接技術，但在雷射銲接過程中，因快速相變化造成 材料產生的收縮現象，導致熔池產生複雜的殘留應力分佈。此殘留應 力將使得光纖與雷射對準的最佳位置產生位移，稱之為銲後位移(Post Weld Shift)，此種銲後位移是影響產品良率的關鍵因素。 研究如何減少銲後位移，提高產品的良率，是開發低成本的高速 半導體雷射模組的重要主題。但在研究如何減少銲後位移，首要的工 作是建立一套度量銲後位移的系統，本實驗室成功的利用一組 300 倍 的高倍率 CCD 與影像擷取卡建立一套影像分析系統，並利用 Autocad 與 Labview 這兩套軟體計算銲後位移。 經由這套系統，我們從實驗中發現光纖套管與馬鞍之間的尺寸設 計是影響銲後位移最重要因素之一。本研究結果得到適當的保持光纖 套管與馬鞍之間各有一段約 5μm 的間隙，經雷射銲接後，對光纖所 產生的銲後位移約 1μm 以下，而採用光纖套管與馬鞍之間沒有任何 間隙的設計，經雷射銲接後，會產生約 4μm 的位移。這是因為經由 雷射銲接所產生的材料形變直接影響到光纖原來的位置，而在有間隙 的設計下，材料的形變因間隙的存在而有個緩衝，使得光纖經雷射後 銲接後的位移較小。採用有間隙的設計後，本實驗室已經建立穩定的 製程，完成後的雷射模組功率損失皆小於 0.4dB，因此研究結論為適 當的在光纖套管與馬鞍間保持適當的間隙，是減少銲後位移進而提升 雷射模組良率的最佳方法之一。. I.
(3) Abstract For high-speed laser modules in lightwave communication systems, the butterfly laser modules are widely used. When laser welding is applied to assemble a butterfly package, it is usually necessary to have mechanical elements such as substrates, fiber ferrule, and clips of house materials to facilitate fiber handing and retention within the package. One of the greatest challenges for packaging these optoelectronic components by employing laser welding is to pursue the reliable and accurate joint. However, during the welding process, rapid solidification of the welded region and the associated material shrinkage often cause a post-weld-shift (PWS) of fiber. The PWS can never be completely eliminated in the laser welding process, and significantly affects the package yield. The PWS induced fiber alignment shifts of fiber ferrule-clip (FFC) joints in high-speed butterfly laser packaging by laser welding technique has been studied experimentally. There are two types of clip design in the FFC joint: the type I design is without a gap between clip and fiber ferrule and type II is a 5 µm gap. Using a novel 300x high magnification video probe camera with image acquisition system, the measured results showed that the fiber shifts of FFC joints with the type II exhibited shifts less than that with the type I. The PWS induced fiber alignment shifts of type I was about 4 µm, and the PWS of type II was about 1 µm. In FCC joint, the horizontal gap design between the clip and the fiber ferrule would greatly affect the effects of PWS induced fiber shifts. This is because the residual displacement in laser welding process may be compensated and minimized after solidification shrinkage if a gap design between welded components is suitable. Therefore, in the process of a FFC joint in laser welding process for laser module packaging, an optimum FFC design in welded components, such as type II of 5 µm gap design, is necessary in order to reduce the PWS, and hence to minimize the fiber alignment shifts. Using the design of type II, we have established a stable packaging process in butterfly laser modules with loss of coupling power less than 0.4dB. This suggests that suited gap design may be more suitable for FFC joints in butterfly packaging.. II.
(4) 致謝 首先我要感謝我的指導教授鄭木海博士，在這兩年研究生活中的 殷切指導與諄諄教誨，無論在研究方面或是待人處事，均使我獲益良 多，在此謹獻上最誠摯的敬意與謝忱。. 口試初稿承蒙口試委員李清庭教授、楊志忠教授、蔡穎堅教授、 沈茂田博士惠予指正，使論文的架構與內容更臻完善，亦表由衷感謝。. 在這裡，也感謝機電所教授光灼華教授、光電所博士後研究員沈 茂田博士，在論文上的指導與鼓勵，同時也感謝構裝實驗室的楊惠民 主任、王國林老師、許益誠學長、葉斯銘學長、李兆偉學長在我研究 上的幫助與指導，以及感謝林旻進同學、洪文祺同學、蔡琬琦同學、 呂昱寬同學、王世宏學弟、何毅行學弟、楊家能學弟、林雪惠學妹、 李建輝學弟在生活上及實驗上的幫忙與照顧，特在此一並致謝。 同時也感謝機電所洪子瑜學長與宋欣錦同學在蝶式模組量測上的 協助，以及感謝機電所何岳林學弟在圓柱型模組的量測上的協助。 最後感謝在背後默默支持我的父母親與弟弟妹妹，有他們的關懷 與鼓勵，我才能夠順利的完成學業。. III.
(5) 內容目錄 頁次 中文摘要. I. 英文摘要. II. 致謝. III. 內容目錄. IV. 圖表目錄. VI. 第一章 緒論. 1. 1-1 研究背景. 1. 1-2 研究目的. 4. 1-3 論文架構. 5. 第二章 雷射銲接系統與金相分析. 6. 2-1 雷射銲接. 6. 2-2 雷射銲接系統. 7. 2-3 金相分析. 14. 2-4 材料吸收率. 16. 2-5 材料鍍金對雷射銲接的影響. 20. 2-5-1 鍍金之流程. 20 IV.
(6) 第三章. 蝶式雷射模組之結構與構裝流程. 3-1 蝶式雷射模組結構. 26 26. 3-1-1 內部結構. 26. 3-1-2 外部結構與尺寸. 30. 3-2 蝶式雷射模組之構裝流程. 32. 第四章. 銲後位移之量測與實驗結果. 44. 4-1 造成銲後位移的原因. 44. 4-2 蝶式模組銲後位移的量測方式. 45. 4-3 馬鞍與光纖套管的設計. 48. 4-4-1 銲後位移的實驗結果. 51. 4-4-2 實驗結果分析. 57. 4-4-3 金相分析的結果. 60. 4-4-4 實驗結論. 61. 4-5 Y 軸的銲後位移的模擬. 62. 第五章. 結論與未來工作. 65. 5-1 結論. 65. 5-2 未來工作. 66. 參考資料. 67. V.
(7) 圖表目錄. 表 1.1 不同結合技術的優缺點[8]. 5. 圖 1.1 目前半導體雷射模組技術發展. 1. 圖 1.2(a) 同軸型構裝. 2. 圖 1.2(b) 雙排線式構裝. 2. 圖 1.2(c) 蝶式構裝. 3. 表 2.1 LW10 型 Nd:YAG 雷射輸出主機規格. 9. 圖 2.1 Nd:YAG 雷射輸出主機. 7. 圖 2.2 雷射光束傳送系統 (Fiberoptic Beam Delivery System). 8. 圖 2.3 雷射銲接工作機台. 11. 圖 2.4 電腦控制主機. 13. 圖 2.5 銲點的金相分析. 14. 圖 2.6 雷射光在熔池中能量反射示意圖[16]. 17. 圖 2.8 拋光後的 SS304L 金相分析圖. 18. 圖 2.9 SS304L 拋光前與拋光後的銲寬比較. 18. 圖 2.10 SS304L 拋光前與拋光後的銲深比較. 19. 圖 2.11 SS304L 拋光前與拋光後的吸收率比較. 19. 圖 2.12 SS304L 鍍上 5µm 金之金相分析圖. 20. VI.
(8) 圖 2.13 SS304L 分別鍍上不同厚度金層的銲寬比較. 23. 圖 2.14 SS304L 分別鍍上不同厚度金層的銲深比較. 24. 圖 2.15 SS304L 分別鍍上不同厚度金層的吸收率比較. 24. 圖 3.1 蝶式雷射模組側視圖. 28. 圖 3.2 應用於都會網路的蝶式雷射模組結構. 29. 圖 3.3 蝶式構裝尺寸示意圖. 30. 圖 3.4 腳位定義表. 31. 圖 3.5 將致冷器放入蝶式模組. 32. 圖 3.6 將雷射放入蝶式模組. 33. 圖 3.7 監視器與光功率計. 34. 圖 3.8 光纖檢光器(Fiber Optic Detector) Model 818-IS-1. 35. 圖 3.9 光功率計(Power Meter) Model 1835. 35. 圖 3.10 將蝶式模組置入雷射銲接工作機台之中. 36. 圖 3.11 利用光纖載具將光纖置入蝶式模組. 37. 圖 3.12 氣動夾固定住光纖示意圖. 37. 圖 3.13 將馬鞍放置在光纖套管上. 38. 圖 3.14 馬鞍放置在光纖套管上的實際俯視圖. 39. 圖 3.15 雷射銲接固定馬鞍與基板. 40. 圖 3.16 實際雷射銲接完成的情形. 41. VII.
(9) 圖 3.17 氣密封裝完成的蝶式雷射模組. 42. 圖 3.18 實驗用的雷射模組架構. 43. 圖 3.19 銲接完成的完成的成品. 43. 表 4.1 雷射模組中常用的材料特性比較表. 50. 表 4.2 型式一的銲後位移與光功率量測結果. 52. 表 4.3 型式二的銲後位移與光功率量測結果. 53. 圖 4.1 溫度與應力和微觀組織三者的熱處理互相關係運作圖. 44. 圖 4.2 可放大 300 倍的影像拍攝器. 45. 圖 4.3 雷射銲接之前光纖的位置. 47. 圖 4.4 雷射銲接之後光纖的位置. 47. 圖 4.5 型式一 ( Type 1 ) : 馬鞍與光纖套管之間沒有間隙. 49. 圖 4.6 型式二 ( Type 2 ) : 馬鞍與光纖套管之間有間隙. 49. 圖 4.7 兩種設計在 X 方向銲後位移的比較. 59. 圖 4.8 兩種設計在 Z 方向銲後位移的比較. 55. 圖 4.9 兩種設計在光功率的比較. 56. 圖 4.10 馬鞍、基板與光纖套管的銲接位置. 57. 圖 4.11 有間隙的設計方式可緩衝材料在 X 方向的形變. 58. 圖 4.12 銲點四的金相分析圖. 59. 圖 4.13 基板、馬鞍與光纖套管金相分析的正視圖. 60. VIII.
(10) 圖 4.14 馬鞍與基板金相分析的側視圖. 61. 圖 4.15 X、Y 方向位移與功率的關係圖. 62. 圖 4.16 X、Y 方向位移與功率所構成的高斯曲面. 64. IX.
(11) 第一章. 緒論. 1-1 研究背景 近年來，隨著網路頻寬的需求增加迅速，研發低成本的高速半 導體雷射模組應用於光通訊市場是必然的趨勢。目前在半導體雷射模 組的技術上，以 2.5 Gb/s 較為成熟(參考圖 1.1)，因此也成為現階段 光收發模組中最基本的速度要求。在 10Gb/s 上的半導體雷射模組則 是應用於長距離的骨幹網路或是近來光通訊市場看好的都會網路。而 40Gb/s 的半導體雷射模組目前規格已經完成制訂，但由於成本太高， 尚未廣泛使用。至於 100-160Gb/s 以上的半導體雷射模組目前仍在開 發研究之當中 [1-15] 。 100-160 Gb/s. 40Gb/s in prototype stage but not yet cost effective (Butterfly). 40 Gb/s. 10 Gb/s. 2.5 Gb/s. Research Stage. 10Gb/s currently for metro and long haul (Butterfly). 2.5Gb/s is commonplace (To-can、DIP、Butterfly) 圖 1.1 目前半導體雷射模組技術發展. 1.
(12) 常見的半導體雷射模組構裝型式，可分成下列三種類型: 同軸 構裝（coaxial package） 、雙排線式構裝（dual-in line package）及蝶式 構裝（butterfly package）。 同軸構裝一般可分為插座式和引線式，如圖 1.2(a)所示，依其接 腳長度及內部結構設計，可應用於 2.5Gb/s 以下的光通訊模組，其特 徵是體積小、構造簡單、製程技術成熟、價格較便宜。. 插座式. 引線式. 1.2(a) 同軸型構裝. 雙排線式的構裝特色為其體積較大，可容納致冷器與溫度迴授系 統，使雷射有穩定的輸出功率，其傳輸的速率為 1∼2.5 Gb/s。. NSYSU. 1.2(b) 雙排線式構裝 2.
(13) 蝶式構裝的優勢是其傳輸速率較快，可從 2.5Gb/s 到 40Gb/s，其 原因為蝶式構裝其接腳設計較短使得電感較小，故可應用於較高速的 雷射模組[14]。通常蝶式雷射模組是應用於長距離的骨幹網路，而在 長距離且高速率的傳輸系統上，需考慮雷射由光纖或其他元件組合的 反射問題，通常是在蝶式模組中加上光隔離器（Isolator）來減少反射 以解決此問題。如圖 1.2(c)所示。. LD. Lenses. Thermistor. PD. Fiber. TEC. Substrate. Optical Isolator. 1.2(c) 蝶式構裝. 隨著網路頻寬的需求增加，研發低成本的高速半導體雷射模組應 用於光通訊市場是必然的趨勢，特別是在都會網路的光收發模組應用 上，蝶式構裝是新一代都會網路高速雷射模組最佳的構裝選擇，將應. 3.
(14) 用於長距離通訊用的蝶式雷射模組中的光隔離器與兩組透鏡省略，將 可以減少主動耦光對準的成本以及光隔離器與透鏡的成本，使得應用 於都會網路的蝶式雷射模組成本大幅降低，有利於其市場競爭力。. 1-2 研究目的 本論文主要的研究方向為蝶式雷射模組之構裝技巧，目前在雷射 模組的構裝過程中，最重要的部分是光纖與雷射之間的耦光對準與固 定，一般光通訊雷射模組都是使用雷射銲接做固定結合，雷射銲接具 有構裝速度快、重覆性高與可靠度高等優點(參考附表 1.1)。但在雷 射銲接的過程中，金屬材料吸收雷射所發出的光能，將之轉換成熱 能，而材料因熱能而熔化並且瞬間冷凝，產生了型態上的變化，這種 型態上的變化，會產生不小的熱應力，使的光纖改變了原本最佳的位 置，造成了耦光功率的改變，而光纖經銲接前後所產生的位移，稱之 為銲後位移(Post-Weld-Shift)。銲後位移越大，影響整個雷射模組的耦 光效率越大。因此想要追求產品有良好的良率(Yield)，必須減少銲 後位移，而在此之前，首要的工作是建立一套量測銲後位移的量測系 統，能精確的量測到銲後位移的值，才能研究如何減少銲後位移，進 而提升模組良率，降低雷射模組的構裝成本。. 4.
(15) 1-3 論文架構 本論文第一章為緒論，簡單的說明各種不同的半導體雷射構裝 形式與研究蝶式雷射模組的動機。第二章介紹蝶式雷射模組的雷射銲 接系統與一些雷射銲接上重要的金相分析流程與結果。第三章主要是 敘述蝶式雷射模組之結構與構裝流程。第四章為銲後位移之量測與實 驗結果，最後第五章則是整篇論文的結論及未來工作。. 表 1.1 不同結合技術的優缺點[8] 雷射銲接. 錫銲. 黏膠. 花費時間. 很短. 普通. 長. 結合強度. 很好. 普通. 不佳. 產生的位移. 較小. 普通. 大. 重複性. 很好. 不佳. 不佳. 5.
(16) 第二章 雷射銲接系統與金相分析. 2-1 雷射銲接 雷射銲接其原理為金屬吸收雷射的光能轉換成熱能，吸收熱能後 的金屬變成熔融狀態，而從熔融狀態冷凝到固態的過程中讓金屬間完 成接合。使用雷射銲接有以下幾個優點[17]: (1) 雷射可以把能量集中在非常小的區域內，因此銲接完成後， 不會影響鄰近的區域。 (2) 雷射的作用時間很短，除了極小的銲接區外，不會改變工件 的機械、熱、電、磁性質。這點在銲接精密的工件時，顯得 特別重要。 (3) 不需銲條、助熔劑、或任何間接物質，金屬吸收雷射的光能 轉成熱能後分子間重新排列，因此比其他接合方式有較強的 結合能力。 (4) 可以在空氣中、不同氣體、電場、磁場中進行銲接。 (5) 可利用電腦控制雷射光的參數，容易自動化，重覆性高。. 在半導體雷射模組構裝過程中，雷射與光纖之間的相對位置的固 定是整個構裝過程中最重要的部分，一旦雷射與光纖之間的最佳耦光. 6.
(17) 位置在結合的過程中發生幾微米的改變，所獲得的耦光效率將會減少 20%以上，因此選擇良好接合方法是非常重要的，而雷射銲接是目前 所有接合方式中最佳的選擇。. 2-2 雷射銲接系統 本實驗室使用 Newport 公司的 LW4200 型雷射銲接系統做蝶 式雷射模組的雷射銲接構裝，整個系統架構可分為 Nd:YAG 雷射輸 出主機、雷射銲接工作機台、電腦控制主機。. 圖 2.1 Nd:YAG 雷射輸出主機. 7.
(18) 如圖 2.1 所示 Nd:YAG 雷射輸出主機的功能是提供材料銲接時 所需要的能量，雷射經共振腔發射出後，利用雷射光束傳送系統 (Fiberoptic Beam Delivery System) 透過 50％、100％的兩個分光鏡將 雷射能量均分，再由光纖送至雷射光束 ，最後雷射光束再將雷射光 打入金屬工件上而產生銲接的機制，圖 2.2 為雷射光束傳送系統。. 圖 2.2 雷射光束傳送系統 (Fiberoptic Beam Delivery System). 8.
(19) 表 2.1 LW10 型 Nd:YAG 雷射輸出主機規格. Item. LW10. Rated Output(max). 10W. Peak Output. 3KW. Output Energy (max). 15J/P. Pulse Width. 0.3 to 10.0 msec. Wavelength. 1.064µm. Beam Diameter. 6.35mm. Number of Branches. Triple. Aiming Beam. Laser diode wavelength 650nm. Main Power. 230VAC,50/60Hz,1.5kVA. Voltage Settings. 200-410VDC in 1V steps. Beam balance. <±3％. 9.
(20) 雷射銲接工作機台的功能為主動耦光對準、提供驅動電流、並且 內建雷射光束以及 CCD 以方便進行雷射銲接，如圖 2.3 所示，其架 構如下。. A. 雷射光束 (Laser Beam): 雷射輸出主機透過光纖將能量送到雷射光束，再由雷射光束發 出雷射進行銲接，兩雷射光束之間互為對稱平行並與垂直方向 夾角為 25°，雷射光束的前端各有一小型 CCD，透過此 CCD 可 以在螢幕上觀察微小的紅外線引導光。 B. 耦光平台 (Device alignment stage): 透過電腦操控此耦光平台可進行自動耦光對準以及構裝流程， 其精確度可達 50nm，而 XZ? 移動的分別為範圍為 80mm、 80mm、360°。 C. 氣動夾 (Pneumatic Tweezers): 氣動夾在構裝雷射模組構裝過程是中負責夾持與固定光纖套管 (Ferrule)。 D. 防震光學桌 (Vibration Isolation Platform): 避免在構裝雷射模組時因外界些微擾動而對雷射模組產生不良 的影響，使得良率下降。. 10.
(21) E 緊急停止按鈕(Emergency Stop): 倘若操作過程中發生錯誤，可以立刻按下緊急停止鈕，暫停所 有機台的動作。 F 光纖 (Fiber): 將 Nd:YAG 雷射輸出主機的能量輸送至雷射光束。. Fiber. Pneumatic Tweezers. Device alignment stage. Vibration Isolation Platform. 圖 2.3 雷射銲接工作機台. 11. Laser Beam. Emergency Stop.
(22) 雷射銲接工作機台的各種動作的執行尚須電腦控制主機來整 合，電腦控制主機主要是將軟體上的操作命令訊息傳送到雷射銲接工 作機台，控制主機還內建雷射的驅動電流等量測系統，其架構如圖 2.4 所示。 A. 不斷電系統 (Uninterruptible Power Supply): 不斷電系統可以避免主機中的主機板與各種形式的介面卡，受 到突波或斷電的影響而損壞。 B. 動作控制器#1 (Motion Controller #1 Device): 動作控制器內部主要是一些主機板與介面卡，負責將軟體的操 作訊號送到硬體介面然後控制整個機器的運作，而動作控制器 #1 主要是控制耦光平台的運作。 C. 動作控制器#2 (Motion Controller #2 Weld): 動作控制器#2 其功能為控制雷射光束的各種方向的運作。 D. 電腦主機 (Computer PCS System Controller): 此為一般電腦主機，作業系統為 NT 5.0，內建 PCS (Process Control System)，雷射銲接機台運作指令的執行都是透過 PCS 這套軟體下達。 E. 整合控制器 (Integrated Automation Controller): 類似 Switch 的功能，按下開關後，將會整合雷射銲接工作機台. 12.
(23) 與電腦控制主機之間的連結與運作。 F. 雷射驅動與控制器 (Motion Controller and Driver & Laser Diode Controller): 提供雷射驅動電流以及量測雷射模組的電壓、電流、功率等特 性。. Settings of Pins. Motion Controller and Driver F. Model 6000 Laser Diode Controller. E. Integrated Automation Controller. D. Computer PCS System Controller. B. Motion Controller#1 (Device) C. Motion Controller#2 (Weld) A. UPS (Uninterruptible power supply). 圖 2.4 電腦控制主機 13.
(24) 2-3 金相分析 金相分析是一種分析銲點銲深與形狀的方法，而透過瞭解銲點的 銲深與形狀(如圖 2.5)，我們可以推算材料的吸收率以及分析各種雷 射參數對銲點的影響，藉此找出不同材料與不同角度的最佳化的雷射 參數。. 銲寬. 銲深. 100µm. 圖 2.5 銲點的金相分析 材料:SS304L. 14.
(25) 金相分析的詳細流程如下：. （1）埋模 將樣品以夾具夾住固定後，放入埋模盒中，倒一 杯環氧樹酯（視欲埋模的個數調整其多寡），加入 硬化劑，攪拌均勻後灌入埋模盒內，等凝固取出 出即可。. （2）研磨 由研磨機上不同型號之砂紙(#180-#2000)將樣品 研磨至所要分析的地方，且換砂紙前須確保前一號 砂紙所造成的刮痕已拋清。. （3）浸蝕 當研磨至一定程度需要到顯微鏡下觀察，但由於樣 品表面上會有許多細微的顆粒，因此需要利用浸蝕 液浸蝕，將樣品置入浸蝕溶液中約 10-20 秒不等， 是浸蝕液濃度而定，浸蝕過久會使樣品表面焦黑。. （4）拍照 將浸蝕過的樣品清洗並以氮氣槍吹乾，放置於顯微 鏡上進行拍照觀察並照相。 浸蝕液配法: A.硫酸銅 4 克 B.鹽酸 20 毫升 C.水 20 毫升. 15.
(26) 2-4 材料吸收率 由於雷射銲接的機制是材料吸收光能轉換成熱能，在能量轉換的 區域會生成一類似彈坑的熔池，並將底部熔融的金屬往上推，而雷射 光在熔池內會發生多重反射的作用，因此材料對光能的吸收率將可能 會影響到雷射銲接的品質，我們利用拋光過的 SS304L (不鏽鋼)與未 拋光過 SS304L 比較金相結果並計算其吸收率[16-17]。 吸收率的計算方法如下:. ?=. U P. (2-1). 其中 ? 為吸收率、U 為形成銲點的能量、P 為雷射所發出的能量。. 利用能量平衡法，可由金相分析中求得的銲寬與銲深推算形成銲 點的能量 U。. U = (CT+Lf + Lv )?V. (2-2). 其中 C 為材料的比熱、T 為熔點溫度、Lf 為材料熔化所需的潛熱、 Lv 為材料汽化所需的潛熱、? 為質量密度、V 為熔池的體積。. 16.
(27) 入射光路徑. 金屬材料. 液態表面. 金屬材料熔融態. 圖 2.6 雷射光在熔池中能量反射示意圖[16]. 0.10mm. 圖 2.7 未拋光的 SS304L 金相分析圖 雷射能量:1.6J 銲深:0.53mm 銲寬:0.44mm 吸收率:23.2％. 17.
(28) 0.10mm 圖 2.8 拋光後的 SS304L 金相分析圖 雷射能量:1.6J 銲深:0.43mm 銲寬:0.34mm 吸收率:11.7％. 0.80 0.75. SS304L Polished SS304L. 0.70. Width(mm). 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0 3.5 4.0 Energy(J). 4.5. 圖 2.9 SS304L 拋光前與拋光後的銲寬比較 18. 5.0. 5.5.
(29) 1.1. SS304L Polished SS304L. 1.0. Penetration(mm). 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 3.5. 4.0. 4.5. 5.0. 5.5. Enegy(J) 圖 2.10 SS304L 拋光前與拋光後的銲深比較. 40. SS304L Polished SS304L. 35. Absorptivity(%). 30 25 20 15 10 5. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 3.5. 4.0. 4.5. 5.0. Energy(J) 圖 2.11 SS304L 拋光前與拋光後的吸收率比較 19. 5.5.
(30) 由圖 2.9 至圖 2.11 可得下列結論: (1)經拋光過的 SS304L 其銲深與銲寬皆會小於未拋光過 SS304L。 (2)材料經拋光後會減少其對雷射的吸收率。. 由上述實驗中我們可以發現相同的材料但因表面處理不同，會有 不同的吸收率，而不同的吸收率對雷射銲接的結果有很大的影響，因 此在雷射銲接的過程之中，瞭解材料對雷射的吸收率是很重要的。. 2-5 材料鍍金對雷射銲接的影響 在半導體雷射中通常為了拉金線而在材料表面鍍金以增加材料 的錫銲性，然而材料鍍金將會對材料吸收率造成影響，我們對 SS304L 分別鍍上 3µm、5µm、7µm 的金層與未鍍金之 SS304L 做金相分析 與吸收率的比較。. 金層. 5µm 圖 2.12 SS304L 鍍上 5µm 金之金相分析圖 20.
(31) 2-5-1 鍍金之流程 直接在 SS304L 上鍍金，金層易剝落，因此通常在鍍金之前，會 先在材料上鍍上一層鎳，度鎳的步驟如下:. (1)研磨清洗: 先研磨 SS304L 將表面磨平使得鎳層容易鍍的均勻，倘若鍍層不均 勻，之後再鍍金，金層還是會容易剝落。研磨完材料之後，再以 去離子水沖洗。 (2)配置電鍍液： 氯化鎳 250 克以及濃度 37％鹽酸 100 毫升溶液再加去離子水至 1 公升即可。每次電鍍時，取 150 毫升的電鍍液再加上 3 公克硼酸。 (硼酸可以使鍍層較為平滑) (3)電極處理： 兩銅棒固定於燒杯上當作兩極，陽極掛鎳版(必須先清洗乾淨)， 陰極掛試片，放入電鍍液內。並在陽極與陰極中加入一檔板。 (4)電鍍鎳條件： 電鍍液保持室溫(約 25℃），電流約 0.6∼0.7 安培。電鍍速率約每 分鐘 1µｍ左右。 (5)電鍍鎳結果： 電鍍時間約 2 分鐘，可得到約 2µｍ鎳層。電鍍過程中，觀察試片， 21.
(32) 若有冒泡即表示有鍍層有鍍上。. 在 SS304L 鍍完鎳之後，用氮氣吹乾材料再鍍上金層，鍍金流程如下:. (1)酸洗： 將試片置於濃度10％的硫酸溶液中數秒， 此步驟在去除錫所產生 的氧化層。 (2)水洗： 將試片置於去離子水內約數分鐘。 (3)電極處理： 將兩銅棒固定於玻璃杯上作兩極，陽極掛白金鈦網，陰極掛已鍍 錫之試片。中間加入一檔板。 (4)電鍍液： 150 毫升硬金電鍍液(APA-609)中加入 15 克金粉(氰化鉀)及 3 克檸 檬酸，以維持電鍍液保持酸性。 (5)電鍍金條件： 用熱水循環槽將溫度維持在 45∼48℃，電流約 0.2 安培。電鍍過 程中，觀察試片，若有冒泡即表示有鍍層有鍍上。每電鍍十分鐘 就加入 0.2 克金粉。. 22.
(33) (6)電鍍金結果： 電鍍速率約每分鐘 1.2∼1.5µｍ左右。鍍製後試片必須利用清水沖 洗，並以氮氣槍吹乾，放置防潮箱內保存。. 鍍金後的 SS304L 數據分析結果如下:. 0.75. SS304L 3µm Au-coated SS304L 5µm Au-coated SS304L 7µm Au-coated SS304L. 0.70. Width(mm). 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 3.5. 4.0. 4.5. 5.0. Energy(J). 圖 2.13 SS304L 分別鍍上不同厚度金層的銲寬比較. 23. 5.5.
(34) 1.2. SS304L 3µ m Au-coated SS304L 5µ m Au-coated SS304L 7µ m Au-coated SS304L. Penetration(mm). 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 1.5. 2.0. 2.5. 3.0 3.5 4.0 Energy(J). 4.5. 5.0. 5.5. 圖 2.14 SS304L 分別鍍上不同厚度金層的銲深比較. SS304L 3µm Au-coated SS304L 5µm Au-coated SS304L 7µm Au-coated SS304L. Absorptivity(%). 28 24 20 16 12 8 1.5. 2.0. 2.5. 3.0 3.5 4.0 Energy(J). 4.5. 5.0. 圖 2.15 SS304L 分別鍍上不同厚度金層的吸收率比較 24. 5.5.
(35) 由圖 2.13 至 2.15 可獲得以下結論: (1)隨著鍍金層的厚度增加，銲點的深度與寬度都會有減少的趨勢。 (2)鍍金層越厚則吸收率越低。 (3)能量越高吸收率越低，至一定程度後，吸收率降低程度會緩和近 乎形成水平線。. 綜合以上，我們可以發現材料的表面處理對銲點特性會有相當大的影 響，對於不同的材料，雷射的基本參數都需要做調整，原則上吸收率 較低的材料，需要較大的雷射能量才能獲得理想的銲深，至於其次影 響雷射銲接的因素則是材料的熱傳導係數(Thermal Conductivity)，一 般來說，熱傳導係數越大的材料，其銲寬會較寬、銲深較淺，這是因 為熱能在表面傳導的速度較快所致。. 25.
(36) 第三章. 蝶式雷射模組之結構與構裝流程. 3-1 蝶式雷射模組結構 3-1-1 內部結構 蝶式雷射模組的內部重要的結構如下 (1)雷射(Laser diode): 雷射依通訊應用的需求可以做不同的調整，如在長距離光通訊應 用中，常使用性能較好但價格較貴的 DFB (Distributed Feed-Back) 雷射，DFB 雷射有良好的模態輸出，因其內部架構有設計光柵， 使得模態為單模輸出，且 MSR 大於 30 dB，適合應用於長距離的 光通訊中，而 FP (Fabry-Perot) Laser 其成本較低，但輸出為多 模，長距離傳輸會有色散效應，故適合應用於短距離傳輸。[1-15] (2)檢光器(Photo Detector) 檢光器主要是在檢測雷射的功率是否操作正常，倘若功率太高或 太低，檢光器可配合迴授電路調整驅動雷射的電流大小，使得雷 射輸出功率較穩定。 (3)光纖(Fiber) 在電訊號轉換成光訊號經由雷射輸出之後，必須透過光纖來進行 光訊號的傳遞，而光纖與雷射之間的耦光對準是構裝雷射模組的. 26.
(37) 過程中最困難的部分。 (4)光纖套管(Fiber Ferrule) 光纖與雷射之間的固定結合通常都是使用雷射銲接，但要獲得較 佳的雷射銲接結果，銲接物最好是相同的金屬材料，光纖本身是 屬於非金屬，因此與金屬材料不能直接使用雷射銲接，因此設計 一金屬材料包覆光纖稱之光纖套管，其為圓柱型且內部中空可放 置光纖，光纖與光纖套管間可用錫銲固定。利用光纖套管固定光 纖並配合雷射銲接，可以順利的將雷射模組構裝流程自動化。 (5)馬鞍(Saddle Shaped Clip) 馬鞍目的為固定光纖套管在基板上的特定位置使得與雷射之間的 耦光對準達到最佳的耦光效率。 (6)光隔離器(Isolator) 光在光纖中傳輸時，有時會因光纖的彎曲造成光訊號逆傳的現 象，而這種現象將會干擾並降低光功率，因此光隔離器的目的就 是在隔離這些逆向傳輸的光訊號，避免對光功率的輸出造成不良 的影響，使得傳輸距離變短，一般來說，光隔離器較常使用在遠 距離的光通訊元件中，而傳輸距離較短的雷射模組則可視情況而 不放置光隔離器以節省雷射模組成本。. 27.
(38) (7)透鏡(Lens) DFB 雷射與 FP 雷射的發光場型都屬於發散的形式，因此需要透 鏡來聚焦，使得耦光效率提高。 (8)熱敏電阻(Thermistor) 利用環境中不同的溫度造成熱敏電阻其阻抗的改變，當施加偏壓 時會產生不同電流，藉由迴授機制來達到雷射模組溫度上的控制。 (9)致冷器(Thermoelectric Cooler) 利用電子傳熱效應將雷射所產生的熱能帶走，使得雷射能操作在 適當的工作溫度下，保持穩定的功率輸出。. 圖 3.1 蝶式雷射模組側視圖. 28.
(39) 應用在傳輸距離較短或都會網路中的雷射模組，基於成本與訊號 品質的考量，可以在設計上省略光隔離器與透鏡，這樣不但可以減少 材料的成本，亦可節省耦光對準的成本，因為當模組中放置光隔離器 與透鏡時，每個光學元件間都必須要耦光對準，因此相當費時，所以 耦光成本會較高。. 圖 3.2 應用於都會網路的蝶式雷射模組結構. 29.
(40) 3-1-2 外部結構與尺寸 如圖 3.3 所示為蝶式雷射模組外部構造與尺寸，其兩側各有 7 個 pin 腳，看起來類似蝴蝶，故稱之蝶式構裝，圖 3.4 為其腳位定義。 (以 NEC 產品 NX8571 Series 為例). 圖 3.3 蝶式構裝尺寸示意圖 30.
(41) 圖 3.4 腳位定義表. 31.
(42) 3-2 蝶式雷射模組之構裝流程 蝶式構裝流程如下: (1)用錫銲將光纖固定於光纖套管內，而在固定的過程中，要避免錫 污染光纖套管表面。 (2)將致冷器放入蝶式模組之中(如圖 3.5)。. Butterfly Box. Thermoelectric Cooler. 圖 3.5 將致冷器放入蝶式模組. 32.
(43) (3)在次載具上完成雷射、檢光器與熱敏電阻的配置，再將次載具放 置於致冷器上方(如圖 3.6)。 4)開啟壓縮機(Compressor)，將空氣輸入防震光學桌，並注意壓縮機 洩油之狀況，並開啟風扇避免壓縮機過熱。. Laser Diode Chip Thermoelectric Cooler. 圖 3.6 將雷射放入蝶式模組. 33.
(44) (5)開啟監視器與光功率計(如圖 3.7). Monitor. Power Meter. 圖 3.7 監視器與光功率計. 光功率計(圖 3.8)的功能是量測不同波長下所傳送的光功率，配合光 纖檢光器(圖 3.9)可以量測到雷射模組透過光纖輸送出來的耦光功 率。由於整個雷射模組相當的小，且位於封閉式的雷射銲接主機內， 因此需要透過 CCD 與監視器操作整個構裝流程。 34.
(45) 圖 3.8 光纖檢光器(Fiber Optic Detector) Model 818-IS-1 (可量測的波長範圍為 400nm 到 1650nm). 圖 3.9 光功率計(Power Meter) Model 1835. 35.
(46) (可量測功率範圍為 2fW 至 2W，波長範圍 190 至 1800nm) (6)開啟電腦控制主機與雷射輸出主機並進入軟體控制端，並將蝶式 模組置入雷射銲接工作機台之中(圖 3.10)。 (7)使用光纖載具(Fiber Loader)將光纖置入雷射銲接工作機台之中，並 且用氣動夾將之固定(圖 3.11、3.12)。. Laser Diode. 圖 3.10 將蝶式模組置入雷射銲接工作機台之中. 36.
(47) Pneumatic Tweezers. Fiber Ferrule. Fiber Loader. 圖 3.11 利用光纖載具將光纖置入蝶式模組 Fiber. Fiber Ferrule. 37.
(48) 圖 3.12 氣動夾固定住光纖示意圖 (8)利用耦光平台調整雷射模組與光纖的相對位置，先進行初步的粗 調耦光，然後再進行細微耦光，耦光的動作執行是由 PCS (Process Control System) 這套軟體所執行。. (9)耦光完成之後，用光學鑷子將馬鞍放置在光纖套管上(圖 3.13)。. Pneumatic Tweezers. Fiber Ferrule Saddle Shaped Clip. LD. 圖 3.13 將馬鞍放置在光纖套管上 38.
(49) (10)放置完馬鞍之後，必須再進行一次耦光動作，其原因為放置馬鞍 時，光纖與雷射之間的最佳耦光位置會受到影響而產生位移，因此 必須再進行一次細微耦光，圖 3.14 為鞍放置在光纖套管上的俯視 圖。. Laser Diode. Saddle Shaped Clip. Fiber Ferrule. 圖 3.14 馬鞍放置在光纖套管上的實際俯視圖. 39.
(50) (11)馬鞍放置完成後則是進行雷射銲接，雷射銲接的前六個銲點主要 是固定馬鞍與基板，雷射每次發射會完成兩個銲點，所以一共會進行 三次的銲接動作，完成馬鞍與基板的銲接後，接著是銲接光纖套管與 馬鞍，馬鞍與光纖套管之間一共有四個銲點，而光功率的損失在此步 驟損失最多。圖 3.15 為雷射銲接馬鞍與基板的立體示意圖，圖 3.16 為實際雷射銲接完成的情形 。. 圖 3.15 雷射銲接固定馬鞍與基板. 40.
(51) 圖 3.16 實際雷射銲接完成的情形. (數字代表銲接的順序，1 至 3 是銲接馬鞍與基板，4-5 則是銲接馬鞍 與光纖套管). 41.
(52) (12)雷射銲接完成之後，則是量測模組的光功率等特性，再進行氣密 封裝，然後完成整個蝶式雷射模組的製作流程。. 圖 3.17 氣密封裝完成的蝶式雷射模組. 以上是整個蝶式雷射模組的構裝流程，但在實際的實驗上，必須 使用特殊的設計節省材料費用(圖 3.18)，其設計的方式主要為在次載 具上與基板之間用螺釘固定，當銲接完成後，可以鬆開螺釘取下基 板，用這樣的設計可以重複使用同一雷射，只需換上不同的基板，便. 42.
(53) 可以重複多次實驗，如此將可以省下購置大量雷射做實驗的成本，圖 3.19 為實驗完成後的成品。. 圖 3.18 實驗用的雷射模組架構. 圖 3.19 銲接完成的完成的成品 43.
(54) 第四章. 銲後位移之量測與實驗結果. 4-1 造成銲後位移的原因 雷射與光纖之間耦光與固定是構裝雷射模組中最困難的部分，各 種固定方式都會改變光纖原始的最佳耦光位置，既使最常使用的雷射 銲接也不例外，經由雷射銲接工件之後所造成的光纖位移，稱之銲後 位移(Post Weld Shift)。由於雷射銲接時，工件的某微小區域在幾毫秒 (ms)吸收了大量的熱能，而工件溫度又迅速的恢復至室溫，在這段急 速升降溫的過程中，會產生巨大的溫度梯度而導致熱應力(thermal stress)的產生，及工件由高溫冷凝回固態時所產生的內聚力，以及材 料拘束關係而產生的殘留應力(residual stress)，這些應力都是雷射銲 接所造成銲後位移的因素。. 熱傳模式. 彈-塑模式 熱應力. 溫度 溫 度 引 潛 起 熱 相 變 化. 加工所產生的熱. 應力(應變). 變 改 和 相 力 致 應 導 起 性 力 引 應 化 塑 變 相. 微觀組織 相變化動力學 圖 4.1 溫度與應力和微觀組織三者的熱處理互相關係運作圖. 44.
(55) 圖 4.1 為溫度與應力和微觀組織三者的熱處理互相關係運作圖，他說 明了溫度、應力和微觀組織三者的關係是環環相扣的。 因此欲提升雷射模組的良率，必須要減少銲後位移的量，以達到 最佳的耦光效率，而在尋找減少銲後位移的構裝製程之前，建立一個 度量銲後位移的量測系統是相當重要的，一旦能將銲後位移的值量 化，才有機會減少銲後位移的量而提升構裝蝶式雷射模組的良率。. 4-2 蝶式模組銲後位移的量測方式 銲後位移的量測系統主要是由可放大 300 倍的影像拍攝器(如圖 4.2)與靜態解析度達 1600x1200 像素的影像擷取卡所架構而成的，透 過擷取影像的座標分析與電腦運算而將銲後位移的值求得。 High Magnification Video Probe camera. 圖 4.2 可放大 300 倍的影像拍攝器 45.
(56) 銲後位移的量測流程：. 啟動影像拍攝器，並先拍攝下雷射銲接前的光纖原始位置。. 經由雷射銲接後，拍攝光纖改變的位置。. 重複拍攝每一個銲接順序前後的光纖位置。. 將拍攝的結果輸入電腦中計算銲後位移。. 將每筆資料計算五次，並平均五筆資料，求得銲後位移。. 註:影像拍攝器位置固定，因此可將拍攝的結果座標化，以方便計算 光纖位置的改變。. 46.
(57) Z-axis X-axis. Laser Diode. Laser Diode. Fiber. 125μm 圖 4.3 雷射銲接之前光纖的位置. Z-axis X-axis. 125μm 圖 4.4 雷射銲接之後光纖的位置. 經由電腦計算圖 4.3 與圖 4.4 雷射銲接前後光纖位置的差異，可求 得銲後位移值為 X=-5.64µm , Z=-0.01µm. 47.
(58) 4-3 馬鞍與光纖套管的設計 由本實驗室在過去構裝圓柱型雷射模組的經驗得知，銲接工件本 身的匹配程度也會對銲後位移造成影響，因此在光纖固定的關鍵材料 光纖套管與馬鞍上，設計了兩種不同的匹配方式，第一種設計為馬鞍 與光纖套管之間沒有任何的間隙(圖 4.5)，稱之型式一(Type 1)，以過 去構裝圓柱型雷射模組的經驗，銲接材料之間若有間隙將會有較大的 銲後位移，因此第一種設計考量的層面為減少工件間的間隙所帶來的 不良影響。第二種設計為馬鞍與光纖套管之間有 10μm 間隙(圖 4.6)， 每邊間隙約 5μm，稱之型式二(Type 2)，型式二的優點為在放置馬鞍 於光纖套管上時，較易放置馬鞍，因為馬鞍與光纖套管有一個微小的 間隙，而沒有間隙的設計在放置馬鞍時則較為困難，因為其最佳放置 點非常的狹小，因此針對這兩種設計，研究其經雷射銲接之後所產生 的位移，以及雷射模組的功率。在馬鞍與光纖套管的材料則是選擇殷 鋼(Invar)，殷鋼的優點為其熱膨脹係數(Thermal Expansion)較其他材 料小(表 4.1)，雷射模組在溫度變化劇烈的環境下，馬鞍與光纖套管 對溫度敏感性較低，光纖與雷射之間的光耦合比較不容易受影響，因 此基於環境溫度變化對雷射模組造成的影響，光纖套管、馬鞍與基板 的材料選擇都必須相當注意。. 48.
(59) Type 1. Saddle shaped clip. Fiber. Ferrule. 圖 4.5 型式一 ( Type 1 ) : 馬鞍與光纖套管之間沒有間隙. Type 2. 5 µm. 圖 4.6 型式二 ( Type 2 ) : 馬鞍與光纖套管之間有間隙. 49.
(60) 表 4.1 雷射模組中常用的材料特性比較表. 物理特性 楊氏系數(GPa). Invar. Kovar. SS304L. 141. 138. 193. 0.3. 0.3. 0.29. 1.393. 5.87. 15.46. 16.4. 16.3. 6. 439.5. 439.5. 400. 7900. 8360. 8030. (Young’s Module) 蒲松比 (Poisson Ratio) 熱膨脹係數(µm/m℃) (Thermal Expansion) 熱傳導係數(W/m-k) (Thermal Conductivity) 比熱(J/kg℃) (Specific Conductivity) 比重(kg/m3) (Mass Density). 50.
(61) 4-4-1 銲後位移的實驗結果 光纖套管與馬鞍之間的匹配設計有型式一與型式二的區別，分別 各做三組比較其銲後位移與耦光功率值。如表 4.2 說明光纖套管與 馬鞍之間沒有間隙的設計(Type 1)的實驗結果。在雷射銲接之前，雷 射耦合進光纖的光功率為 1285µW，而表中所指的銲點一是指雷射銲 接第一個銲點之後，光纖的銲後位移與光功率的值(銲點位置參考圖 4.10)。當銲接完成第一點時，X 方向的銲後位移為 4.513µm，Z 方向 則是 0.515µm，光功率則是因為光纖與雷射之間的最佳耦光位置改變 而下降至 97µW，光功率剩下不到原來的 10%，但完成第二個銲點的 雷射銲接時，可以發現光功率反而提升至 321µW，這是因為 X 方向 有個-2.718µm 的位移，使得光纖的位置反而靠近了原始的最佳耦光位 置，而當第三個銲點完成時，X 方向的銲後位移又再度偏離最佳位 置，因此耦光功率再度下降至 109µW，銲接第四個銲點後，則是在 X 方向有-4.153µm 的位移，理論上，這個 X 方向位移應該會使功率回 升，但是卻相反的光功率下降至 0.265µW，這主要是銲接馬鞍與光纖 套管時，會有一個 Y 方向的銲後位移，針對這個位移可以在銲接第 五個銲點時，利用氣動夾做一個 Y 軸位移的修正，做完修正與銲接 的動作後，光功率可達 1045µW，以下是型式一與二的設計的實驗結 果比較。. 51.
(62) 表 4.2 型式一的銲後位移與光功率量測結果. Type 1. 銲後位移 與光功率. 銲接前. 銲點一. 銲點二. 銲點三. 銲點四. 銲點五. 第. X 軸位移(µm). 0. 4.513. -2.718. 0.939. -4.153. 1.514. 一. Y 軸位移(µm). 0. 0.515. 0.961. -0.597. 1.974. -0.414. 組. 光功率(µW). 1285. 97. 321. 109. 0.265. 1045. 第. X 軸位移(µm). 0. 3.424. -2.338. 1.066. -3.147. -0.933. 二. Y 軸位移(µm). 0. 0.688. 1.236. -0.970. 1.451. -0.543. 組. 光功率(µW). 1100. 170.2. 430. 336. 10. 831. 第. X 軸位移(µm). 0. 3.138. -2.264. 1.017. -3.645. 1.031. 三. Y 軸位移(µm). 0. 1.093. 1.187. -0.734. 2.169. -0.696. 組. 光功率(µW). 1187. 317. 613. 509. 3.9. 934. 52.
(63) 表 4.3 型式二的銲後位移與光功率量測結果. Type 2. 銲後位移 與光功率. 銲接前. 銲點一. 銲點二. 銲點三. 銲點四. 銲點五. 第. X 軸位移(µm). 0. 0.846. -1.551. -0.615. -2.078. -0.497. 一. Y 軸位移(µm). 0. 0.257. 0.290. 0.062. 1.124. 0.424. 組. 光功率(µW). 1210. 1160. 1043. 1016. 4.7. 1056. 第. X 軸位移(µm). 0. 0.574. -0.312. 0.124. 0.223. -1.594. 二. Y 軸位移(µm). 0. -0.315. 0.429. 0.037. 2.139. -0.512. 組. 光功率(µW). 1200. 1170. 1010. 960. 5. 1340. 第. X 軸位移(µm). 0. 0.437. -0.894. 0.214. -1.173. 0.825. 三. Y 軸位移(µm). 0. 0.126. 0.376. 0.182. 1.396. -0.319. 組. 光功率(µW). 1127. 1084. 979. 902. 6. 1057. 53.
(64) PWS in X-axis (µm). 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14. Type 1 (without gap) Type 2 (with gap). 0. 1. 2 3 Welding Sequence. Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6. 4. 5. 圖 4.7 兩種設計在 X 方向銲後位移的比較. 如圖 4.7 所示，黑色實心的是屬於光纖套管與馬鞍間沒有銲後位 移的設計，白色空心的則是光纖套管與馬鞍之間各有 5µm 的間隙， 可以發現在整個銲接的過程中，沒有間隙的設計在 X 方向會有較大的 銲後位移，而型式二有間隙的設計方式銲後位移則是較小。. 54.
(65) 8 7 Type 1 (without gap). 6 PWS in Z-axis (µm). 5. Type 2 (with gap). 4. Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6. 3 2 1 0. -1 -2 -3 -4. 0. 1. 2 3 Welding Sequence. 4. 5. 6. 圖 4.8 兩種設計在 Z 方向銲後位移的比較. 由圖 4.8 可知，黑色實心的無間隙設計在 Z 軸上的銲後位移也會 較白色空心的有間隙設計為大。其結果與 X 方向的銲後位移一樣， 型式一的設計在銲後位移的量測結果當中，都明顯的有著較大的銲後 位移。. 55.
(66) 1400 Type 1 (without gap) Type 2 ( with gap). 1200. Power (µw). 1000 800 600 400 200 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Welding Sequence. 圖 4.9 兩種設計在光功率的比較. 如圖 4.9 所示，圓形圖示為型式一無間隙的設計，三角形圖示 則是有間隙的設計，在銲接完前三點時，可以發現光功率在無間隙的 設計所剩不到 40%的原始功率，而反觀有間隙的設計則是仍有 80%以 上的光功率，儘管在第四個銲點完成後，兩者的光功率都差不多，但 在調整 Y 方向位移的難度上，型式一的設計則是困難許多，甚至無法 順利的將功率救回。. 56.
(67) 4-4-2 實驗結果分析 由前一小節可以得到一個簡單的結論，就是有間隙的設計能緩和 銲後位移的程度，兩者之間明顯的區別是在銲接前三個銲點，前三個 銲點主要是在固定馬鞍與基板(參考圖 4.10)，第四與第五個銲點則是 固定光纖套管與馬鞍。其中馬鞍與基板接觸面為 Y 方向的接觸面， 而馬鞍與光纖套管的 X 方向的接觸面，而當銲接馬鞍與基板時，馬 鞍與基板間的位置因熱形變而產生 X、Y、Z 三軸的變動，而對光纖 套管影響最大的是 X 方向的材料形變(如圖 4.11)，因馬鞍與光纖套管 為 X 方向的接觸面，故馬鞍與基板銲接時的 X 方向形變，會使得光 纖套管產生位移，光纖位置隨之改變，因此在馬鞍與光纖套管之間保 留一微小的間隙，可以緩衝銲接馬鞍與基板間的材料形變對光纖原始 位置的影響，因此型式二的設計可獲得較小的銲後位移。. Fiber Ferrule. X-axis. Z-axis. Saddle Weld 5 Weld 4 Shaped Clip. Y-axis. Substrate Submount. Weld 3 Weld 1 Weld 2. LD. 圖 4.10 馬鞍、基板與光纖套管的銲接位置 57.
(68) Y-axis. X-axis. When welding. After welding. 圖 4.11 有間隙的設計方式可緩衝材料在 X 方向的形變. 一般來說銲接前馬鞍與基板時，光纖不易產生 Y 方向的銲後位 移，主因是馬鞍與光纖套管的接觸面是在 X 方向上，因此不容易有 Y 方向的位移產生。但是在銲接第四與第五個銲點時，也就是銲接馬鞍 與光纖套管，馬鞍與光纖套管的接觸面與垂直方向夾角約 15° ，因此 銲接之後會產生 Y 方向形變(參考圖 4.12)，所以在銲接第四個銲點的 時候是雷射銲接中最困難的部分，因為還會有一個明顯的 Y 方向位 移，使得光功率降的很低，而銲接第五個銲點也會有這樣的 Y 方向 位移，但因第四點已銲接完畢，所以第五點 Y 方向的銲後位移較小。 目前 Y 方向的位移量測主要的困難度是在雷射銲接工作機台設 計之初並未考慮量測的問題，整個夾持雷射模組的平台是屬於凹陷型. 58.
(69) 式(參考圖 3.11)，因此除了改變其夾持方式成為開放式之外，實在難 以使用其他量測儀器直接量測 Y 方向的銲後位移。. Saddle Shaper Clip. Welding Spot. Fiber Ferrule. Welding Spot. 圖 4.12 銲點四的金相分析圖. 59. Saddle Shaper Clip.
(70) 4-4-3 金相分析的結果 將銲接完的成品拿去做金相分析後，我們發現光纖套管與馬鞍之 間沒有間隙的另一個缺陷。當放置馬鞍於光纖套管上時，由於尺寸剛 好，或是匹配太緊，都可能在放置的過程中，造成馬鞍的形變，如圖 4.13 所示，馬鞍右側產生了形變，使得馬鞍與基板間並沒有密合，而 這樣的形變連帶的也使得銲接馬鞍與基板時，馬鞍對光纖套管的影 響，不再單純的只是影響光纖產生 X 方向的銲後位移，而是也會產 生 Y 方向的銲後位移，並且馬鞍與基板之間沒密合，又會造成材料 之間的接合位移。. Gap. 圖 4.13 基板、馬鞍與光纖套管金相分析的正視圖 60.
(71) Weld Spot. Saddle Shaped Clip. 圖 4.14 馬鞍與基板金相分析的側視圖. 4-4-4 實驗結論 經由銲後位移的量測與金相分析的比較，可以發現馬鞍與光纖套 管之間保持一個微小的間隙將有助於減少銲後位移的產生，其原因為 間隙成為了材料形變上的緩衝，而減少了其對光纖原始位置的影響， 而這微小的間隙設計，也使得在進行銲接第五點之前的 Y 方向位移 修正容易許多，因為有間隙的設計可以比沒間隙的設計提供更多自由 度，以方便修正其 Y 軸位移，而在放置馬鞍的過程中，也不易因為 放置不當，使得馬鞍產生些微的扭曲形變，造成馬鞍與基板之間不易 密合。綜合以上，在馬鞍與光纖套管之間保持間隙將有助於雷射模組 良率的提高，並且本實驗室在此種設計下，已經發展出穩定的製程。 但要小心的是倘若間隙太大，將會使得銲後位移變大，而一般材料形 變的量約是 3 到 5µm，所以保持每邊 5µm 間隙的設計是一個較佳的. 61.
(72) 方式。 4-5 Y 軸的銲後位移的模擬 由於無法透過直接的方式量測得 Y 方向的銲後位移值，因此我 們希望透過模擬的方式去估算 Y 方向可能的位移值。由於光功率對 Z 方向的銲後位移較不敏感，以一個光功率可以耦到 1µw 左右的樣本 為例，Z 方向位移 1µm，其功率損失約為 10-20µw，而 X 或 Y 方向位 移 1µm，其功率可能損失約 80-100µw，因此假設 Z 方向的位移不影 響光功率的值，而在固定 Z 方向，只變動 X、Y 方向時，可以獲得. Power (µW). X、Y 方向位移與功率的關係圖近似高斯分佈，因此將三者之間的關. Shift of fiber in X and Y-axis (µm) 圖 4.15 X、Y 方向位移與功率的關係圖. 62.
(73) 係假設成一高斯曲面. P = C0 exp(-C1 X2 -C 2 Y2 ). (4-1). 其中 P 為功率，X 為 X 方向位移，Y 為 Y 方向為移，C0、C1、C2 為常數 由實驗中所取得功率與 X、Y 方向位移的關係，將之輸入 Matlab 做 數值分析之後，可獲得 3 個常數而構成一個高斯曲面方程(圖 4.16)， 再由實驗中所量得的 X 軸位移與功率的值推算 Y 方向的位移，透 過這樣的方式推算出在銲接第四點時 Y 軸的銲後位移約 4 至 5µm 左 右，第五點則是 1 至 2µm 之間。但此種方式的誤差約為 0.2 至 0.8µm， 主因為隨著 Z 方向位移的改變，X、Y 方向位移與功率的關係圖也會 隨之些微的改變，因此造成了一些誤差，雖然有這些誤差的因素存在 著，但模擬出來的結果仍可供實驗上參考改進。. 63.
(74) Power (µW). X-axis (µ m). 圖 4.16. Y-axis (µ m). X、Y 方向位移與功率所構成的高斯曲面. 64.
(75) 第五章. 結論與未來工作. 5-1 結論 由第二章的實驗結果可以得知，材料表面經過拋光後，材料對雷 射光的表面吸收率將會降低，這證明了材料的表面的吸收率是影響銲 接品質關鍵參數，因此針對不同的材料，應找出其最佳的雷射參數， 才能獲得可靠的銲接品質，而一般鍍金的材料，在應用上雷射銲接做 接合時，也要特別小心，工件的吸收率會隨著金層的增加而降低，此 時需要較大的雷射能量才能使工件間有較強的結合力。 在蝶式雷射模組的構裝上，本實驗室成功的建立起一套影像擷取 系統，並應用該系統做蝶式雷射模組的銲後位移計算，進而從量測的 結果中發現，採用馬鞍與光纖套管之間有間隙設計，可以在銲接馬鞍 與基板的階段抑制銲後位移的產生，而在銲接馬鞍與光纖套管時，微 小的間隙使的 Y 軸方向修正的自由度較高，使得耦光功率較易救回。 目前本實驗室採用馬鞍與光纖套管之間有間隙的設計，已經建立 起一套穩定的製程，採用光纖套管與馬鞍之間各有一段約 5µm 間隙 的設計，其銲後位移小於 1µm，比起無間隙設計的銲後位移 4µm, 銲 後位移減少了約 3µm，使得雷射功率維持在 90%以上，而完成雷射銲 的樣品，功率損失皆小於 0.4dB，因此研究結論為設計光纖套管與馬. 65.
(76) 鞍間保持適當的間隙，是減少銲後位移進而提升雷射模組良率的最佳 方法之一。但除了使用適合的元件設計之外，其他造成銲後位移的因 素仍是需要小心處理。通常在放置馬鞍於光纖套管的過程中，馬鞍會 因撞擊光纖套管或蝶式模組的外殼而產生結構上的形變， 一旦馬鞍 結構產生改變，很容易使得材料間有不平整的間隙存在，而這整接合 不平整間隙將會影響整個雷射銲接的品質，故需小心避免此種情況發 生。. 5-2 未來工作 一.在實際構裝蝶式模組的過程中，產生銲後位移的因素很多，而透 過影像擷取分析其銲後位移的情形，可以瞭解銲接的過程在何處 產生問題，進而集思廣益改進材料或雷射能量，使得模組良率提 升。 二.透過影像擷取系統，可以量測雷射補銲的位移效果，進而建立雷 射補銲的技術。 三.原先的影像擷取系統，只能量測 X 與 Z 方向的位移，本實驗室與 本校機電所合作，在基板上製作一微小的鏡子，鏡子與水平面夾 角為 45°，故可以量得 Y 方向的位移，整合此鏡子將可以完整的 量測出 X、Y、Z 三個方向的銲後位移。. 66.
(77) 參考資料 1. Y. Lin, W. Liu, and F. G. Shi, “Laser Welding Induced Alignment Distortion in Butterfly Laser Module Packages: Effect of Welding Sequence,” IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol. 25, No. 1, pp. 73-78 (2002). 2. J.H. kuang, M.T. Sheen, S.C. Wang, G.L. Wang, and W.H. Cheng, “Post-Weld-Shift in Dual-in-line Laser Package,” IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol.25 , No. 1, pp. 81-85 (2001). 3. M. W. Park, J. R. Kim, S. Park, J. S. Lee, H. I. Kim, A. G. Choo, T. I. Kim, “Lens less Semiconductor Optical Amplifier (SOA) Modules Using Laser Welding Techniques”, IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp.733-735 (2000). 4. S. Jang, “Automation Manufacturing Systems Technology for Optoelectronic Device Packaging”, IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp.10-14 (2000). 5. P. Mueller, B. Valk, “Automated Fiber Attachment for 980nm Pump Modules”, IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp.5-9 (2000). 6. S. G. Kang, M. K. Song, S. S. Park, S. H. Lee, N. Hwang, H. T. Lee, K. R. Oh, G. C. Joo, and D. Lee, “Fabrication of Semiconductor Optical Switch Module Using Laser Welding Technique”, IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp.672-680 (2000). 7. J.H. kuang, M.T. Sheen, S.C. Wang, and W.H. Cheng., “Crack Formation Mechanism in Laser Welded Au-coated materials for Semiconductor Laser Packages” , IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part B, Vol. 22, No.1, pp 94-100(1999). 8. J. H. Lau, Y. H. Pao, “Solder Joint Reliability of BGA, CSP, Flip Chip, and Fine Pitch SMT Assemblies”, New York : McGrew-Hill (1997). 9. M. K. Song, S. G. Kang, N. Hwang, H. T. Lee, S. S. Park, and K. E. Pyum, “Laser Weldability Analysis of High-Speed Optical Transmission Device Packaging”, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part B, Vol.19, No.4, pp.758-763, November (1996). 10. S. Jang, “Packaging of Photonic Devices Using Laser Welding”, 66.
(78) 11.. 12.. 13.. 14.. 15.. SPIE, Laser Diode Chip and Packaging Technology, Vol. 2610 ,pp.138-149, October (1995). B. Valk, R. Battig, O. Anthamatten, “Laser Welding for Fiber Pigtailing with Long-term Stability and Submicron Accuracy”, Optical Engineering ,Vol. 34, No.9, pp.2675-2682, September (1995). W. H. Cheng, W. H. Wang, and Y. M. Huang, “Failure Mechanism of Hole Formation in Laser Welding Technique For optoelectronic Packaging”, IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp.914- 916 (1995). N. Kalonji, J. Tanniou and M. Foucher, “Packaging Technology for Wide Bandwidth High Optical Coupling Pigtailed Optoelectronic Modules”, IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp.777- 779 (1995). Y.Oikawa, H.Kuwatsuka, T. Yamamoto, T. Ihara, H. Hamano, T. Minami, “Packaging Technology for 10-Gb/s Photoreceiver Module” Journal of Lightwave Technology, Vol 12, No. 2, February (1994) 鄭木海博士, “雷射二極體構裝技術之近況與趨勢”,光訊，第 69 期, 1997 年 12 月.. 16. 周敏傑,劉決弘,莊運清,賴文郎,楊志文, “雷射加工技術手冊” 工研 院機械所,78 年 12 月. 17. 林三寶, “雷射原理與應用”,全華科技圖書,79 年 11 月 18. 施性坤,“雷射銲接技術構裝雷射模組之銲後位移研究”,中山大學 光電工程所碩士論文,90 年 6 月.. 67.
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