中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

TO-can 封裝對位研究

Study of the alignment of TO-can assembly

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：E09701013 吳振銘 指導教授：高川原 博士

中華民國 九十九 年 十二 月

摘要

長距離光纖通訊，通常用高功率的1310nm LD(laser diode)雷射為光源。一般雷射二極 體(LD)所發出的光為橢圓光束，有18度~40度橢圓的發散角，需藉由球透鏡(ball lens) 或非球面透鏡(aspheric lens)將發散光束重新聚焦，耦合進入光纖，因此雷射二極體、

lens、光纖(fiber)的對位問題，將直接影響雷射光束耦合進入光纖的效率。在光纖連 接到TOSA時，使雷射光進入光纖得到最大的光功率。

本論文主要是研究如何提高 LD 相對 ball lens 的對準度，增加 LD 與光纖耦合效率，

並使用光學模擬軟體(ZEMAX)的分析結果，顯示 LD 相對 ball lens 偏移量與耦合效率 的關係圖；與實際製作結果對照比對是否吻合。

另外還加入品管手法(1)SPC (statistical process control) 統計製程管制圖，比較製 程改良前後的品質狀態。(2)GRR(gauge repeatability and reproducibility) 評估量測系統 的量測能力，並以此統計分析結果作為對操作者，量測設備變異狀況之改善參考。

關鍵字: 雷射二極體、光纖、耦合效率、雷射收發光模組、光纖通訊

Abstract

Long distance fiber optic communication usually uses LD of the 1310 nm as high power light source. Common semiconductor laser emitted light cone of ellipse shape, has 18^o ~40^o divergence angle, a ball lens or aspheric lens is needed to re-focus light beam into fiber.

First TO-can devices should be assembled to TOSA by alignment. Then fiber plug in to TOSA connector to get the maximum coupling power without alignment.

This thesis studies how to improve the alignment accuracy between LD and ball lens, in order to improve the coupling efficiency of a TOSA device. We use the optical

simulation software ZEMAX analysis result to make maps which ball lens miss align LD relating with fiber coupling efficiency.

We introduce the quality control skill, (1) SPC (statistical process control),and (2) GRR(gauge repeatability and reproducibility) to analyze the measurement results.

Key words : LD(laser diode) , fiber , fiber optic communication, coupling efficiency , TO-can (transistor outline can) , TOSA(transmit optical sub-assembly) , transceiver.

目錄

摘要………...………...………...i

目錄………...…………..iii

圖目錄……….……….………...……...v

表目錄………..……...……….……...vii

第一章 導論………..……….….……..1

1.1 光纖通訊系統……….……….1

1.2 研究動機………...………...3

1.3 論文架構……….………..………..…...6

第二章 文獻探討………..………..……...8

2.1 光纖耦合………..…..………..…….………..…...8

2.1.1 耦合效率………..…………..……..……….……...9

2.2 光線追跡...……….…....…………...…………...13

2.3 TOSA封裝………….…..………...………....17

第三章 光學模擬.……….…..….…..……….………..……....………

…

……..21

3.1 ZEMAX光學模擬軟體...21

3.2 光學模型建立...22

3.2.1 BK7玻璃折射率...……….…..……

…

………...23

3.2.2 ZEMAX模擬光學模型設定………….…..………....26

第四章 TO-can高精度封蓋治具……….…….………..…....………...30

4.1 舊有製造技術及問題…...….………..…....……….………...30

4.2 機構設計………..……….………...34

4.2.1 製具成果……….….………..37

4.2.2 作業方式…………..……….……..…..………...39

4.3 量產可行性分析………..…..………...39

4.3.1 SPC統計製程管制………..………...39

4.3.2 名詞解釋...………...40

4.4 封蓋stem相對ball lens中心度量測………...43

第五章 雷射二極體雷射光軸量測………47

5.1 量測設備設計構想……...……….………...51

5.2 量測重複性與再現性……...……….………...55

5.3 重複性與再現性驗證………...….………...57

5.4 GRR驗證結果…...……….………...62

第六章 結果驗證…...………...….………...63

6.1 模擬與實測值比對………...….………...63

第七章 結論....…...……….………69

7.1 結論...……….………69

7.2 未來研究方向……...……….………...69

參考資料……...……….………...70

圖目錄

圖 1-1 光纖網路架構………..2

圖 1-2 光纖結構………..3

圖 1-3 transceiver………4

圖 1-4 transmit / receive optical sub-assembly……….………...5

圖 2-1 光耦合入光纖的方式……….……..………..8

圖 2-2 LP01 mode……….……..………...12

圖 2-3 LD 透過 ball lens 耦合入光纖...….…...…....………...12

圖 2-4 光的反射與折射……….……....………...14

圖 2-5 線通過單面 lens 追跡....……….……..……….………..…...15

圖 2-6 光線通過 ball lens 追跡……….……..………..………..…...16

圖 2-7 TOSA 構裝流程..…...………18

圖 3-1 光學路徑組裝示意圖………..………….…………...………...23

圖 3-2 BK7 玻璃折射率與波長對應關係.……….………...25

圖 3-3 BK7 玻璃穿透率與波長對應關係...25

圖 3-4 ZEMAX 模擬 model……….…..………...26

圖 3-5 光纖耦合效率及光斑圖……….………..………...27

圖 3-6 LD 傾斜相對耦合效率……….………….……..……….28

圖 3-7 LD 偏移相對耦合效率……….………….………...29

圖 4-1 TO-can 由 stem 與 cap 組合……….….…..………..31

圖 4-2 封合用電極……...……….…….………...32

圖 4-3 TO-can 組合完成圖………..………...32

圖 4-4 cap 卡在下部電極…………...………..………33

圖 4-5 sealing glass 破裂……...…..……….………...33

圖 4-6 capping 之後偏移示意圖………..………..………...34

圖 4-7 下電極加入磁鐵設計……….………….………...35

圖 4-8 封蓋結構圖……….………….………...36

圖 4-9 固定 stem 方式………...36

圖 4-11 封蓋電極改良前後比較圖………...…..………...38

圖 4-12 封蓋電極改良前後實際成果圖……..………..………...38

圖 4-13 改善前後各別值比較………...…….……...………...43

圖 4-14 改善前後移動差異值……….……..…….……...………...44

圖 5-1 偏移示意圖……….……….…….………...47

圖 5-2 laser diode………...48

圖 5-3 beam angle detector………..………...48

圖 5-4 三次元工具顯微鏡…………..……….……....………...48

圖 5-5 LD 與 stem偏移示意圖……….………50

圖 5-6 反射定律………51

圖 5-7 量測製具示意圖………...………...52

圖 5-8 標把刻度 1mm 相對於 0.1 度……….………...53

圖 5-9 設備成品外觀………...………...53

圖 5-10 機構平行校正………...………...54

圖 5-11 校正使反射光重疊入射光點……….………...54

圖 5-12 量測誤差分布圖……….………...56

圖 5-13 第一位操作者重複量測 5 次 X 軸比較圖………...57

圖 5-14 第一位操作者重複量測 5 次 Y 軸比較圖………...58

圖 5-15 X 軸第二位操作者重複量測 5 次 X 軸比較圖………...59

圖 5-16 Y 軸第二位操作者重複量測 5 次 Y 軸比較圖………..59

圖 5-17 兩位操作者重複量測 5 次比較圖………...60

圖 5-18 stem 旋轉 180 度………...61

圖 5-19 stem 0 度與旋轉 180 度光點位置………...…....61

圖 5-20 20 顆 stem 0 度與 180 度量測比較圖………....62

圖 6-1 光纖偏軸對耦合效率影響...64

圖 6-2 改善前後耦合效率………...66

圖 6-3 改善前後焦平面…...……….……67

表目錄

表 3-1 LD & fiber 資料表……….………..………...22

表 3-2 BK7 coefficient…..……….………..………...24

表 3-3 LD 傾斜相對耦合效率……….………....28

表 3-4 LD 偏移相對耦合效率………..………...29

表 4-1 評價計算公式及分級標準………42

表 4-2 改善前後統計資料………44

表 4-3 製程能力指標………45

表 4-4 偏移量測數據………46

表 5-1 GRR 等級判定………..………....57

表 5.2 第一位操作者重複量測 5 次數據………....58

表 5-3 第二位操作者重複量測 5 次數據………....60

表 5-4 20 顆 stem 0 度與 180 度的量測數據………..………..62

表 6-1 選用 TO-can 物料資料………..63

表 6-2 光纖耦光篇軸狀況下耦合效率值……….………...64

表 6-3 改善前/後耦合效率差異……….……….……….65

表 6-4 改善前/後的焦平面差異………...………..………...66

表 6-5 耦合效率與焦平面量測值..…………...………...….……...68

第一章 導論

1.1 光纖通訊系統

自一九六六年，高錕(有「光纖之父」之稱，2009年諾貝爾物理獎得主)發表的(光 頻率介質纖維表面波導)[23]論文指出：用石英基玻璃纖維進行長距離信息傳遞，取 代銅線傳輸訊號，四年後1970年美國康寧公司(corning inc.)[1]成功的製作出第一條 光纖誕生以來光纖通訊發展至今已40年，以其高頻寬、低傳輸損失及不受電磁干擾 等傳輸特性的絕對優勢，已快速取代有線通訊領域中傳統銅導線的地位及佔有率，

電信業者使其系統升級做高速率的數據傳輸和其他服務，光纖通訊將越來越重要，

目前也形成了以光纖為主、衛星和數據微波為輔的骨幹線傳輸網路。

銅線組成的用戶接線難滿足寬頻業務的需要，逐漸成為電信網路的瓶頸，這就 是通常稱作的『最後1哩(last mile)』的問題。光纖網路系統進入21世紀達到gigabit 的高速率傳輸世代[2]，目前光纖正往用戶端舖設，所謂全光網路的最後1哩的光纖 化已是指日可待。

在光纖通訊系統發信器與接收器之間的光訊號是透過光纖來傳送，光纖是以玻璃 纖維或塑膠做為介質來傳遞光，利用半導體雷射或發光二極體光源，在光纖導管中經 由「全反射」的方式傳輸訊號。光纖網路讓資料傳輸在彈指間完成，如今手機通訊、

國際電話、有線電視、網際網路傳輸運作，全拜光纖之賜(圖1-1)。光纖除了在物理技 術上是重大突破，背後還象徵著整個通訊科技產業突破，「沒有光纖，通訊科技業無 法蓬勃發展」。

相較一般傳統傳輸線路，光纖通訊的優點很多；具有較輕的重量、較小的尺寸、

低傳輸損失等物理特性優點外，亦可以防電磁干擾(EMI)、線路干擾(crosstalk)、也不 會有過電壓/電流(over voltage/current)、迴路接地等問題產生。同時光纖材料便宜，它 的損耗小，所需的中繼站少及其高頻寬優點利於長程通訊；尤其是它的保密性良好，

無法中途竊聽，光纖系統具有上述諸多之優點，造就光纖通信系統蓬勃發展

(圖1-1光纖網路架構)

一根約莫半寸大小，只有手指頭一半粗的光纖維電纜，含有近一百五十條光 纖，足可供八千人通話；其功效遠遠超過腰身粗的金屬電纜。

光纖通訊將逐漸取代電纜線；將來互動式隨選網路系統，以及高畫質數位電視 需求，勢必引爆光纖大量使用。由於光纖通訊所能傳遞的消息非常多，可能會革命 性地改變人類的生活；人類未來生活的發展上，運輸的活動會漸次減少，通訊活動 卻相對地逐漸增加。各國科學家一致都看好好光纖通信之前景，而投投入大量財 力、人力來研究開發。

但目前光纖市場光通產品，主要的客戶群以電信公司、有線電視業者、網路架 設業者… 等等，工商業用途品，使得各家公司皆開發其專屬規格，造成光通訊產品

optical transceiver

WDM optical

fibers splitter

optical instrument

room

optical

amplifier

的規格及標準繁多，且用於長距離光通訊使用之光纖纖核core(圖1-2)只有9μm，使得 發光元件與光纖對位精密度的要求更是嚴苛，所以在製造上必須具有相當程度的技術 及品質穩定性，也因此目前自動化的方式來進行大量製造困難度高，成本亦較難降低 下來的主因。

(圖1-2 光纖結構)

1.2 研究動機

隨著用戶端光纖化的比率提高，通訊網路系統幹線傳輸容量的不斷擴大及速度 的提升。光收發模組需求不斷增加。

光主動元件主要為光收發模組(圖1-3 transceiver )[24]與光放大器[2]；光收發模 組的主要功用是在光纖通信系統中將電的訊號轉換為光訊號，或者是將光的訊號轉 換為電訊號；光放大器(optical fiber amplifier)是光纖通信系統中不經光電轉換的狀 況下，直接將光訊號加以放大的一種子系統產品。光放大器的原理基本上是基於雷 射的受激輻射，通過將泵浦光的能量轉變為信號光的能量實現放大作用。未來網路 升級以增加傳輸速率和傳輸格式時不必像中繼器一樣需要更換。光放大器自從1990 年代商業化以來已經深刻改變了光纖通信工業的現狀。

光收發模組在光纖通訊中扮演重要的角色，由於本身除了光學元件還包含了電 子元件與機構件，在生產時需耗費大量人工於偶光對位組裝上。

披覆 jacket 纖衣 cladding 纖核 core

鑒於現今耦合器之缺點在於耦合效率低、對位精準度需求高、需設計製作特殊之 結構或接頭，造成成本高昂。本研究主要是在了解光收發次模組OSA(圖1-4 optical sub-assembly)製作時的雷射銲接(Nd:YAG laser)過程遇到的製造瓶頸後，改善現有 TO-can(transistor outline can)封裝製程，以減少TOSA(transmit optical sub-assembly)製 作時尋光對位時間，以及提高與光纖耦合效率。

已經有許多的研究報告在探討如何提高光纖耦合效率[7-11]，但是都僅止於探討 光纖與TO-can耦合效率，有關其TO-can封裝製造時如何提升LD與ball lens製作時對準 度卻鮮有被探討。

TO-can封裝曾經是電晶體常見的封裝形式，後來被廣泛應用於光電子封裝。由 於其作業簡單、成本低、技術成熟，本論文針對如何提高LD相對ball lens製作時的精 準度，提升耦合效率，減少後續TO-can組裝TOSA作業成本及工時。

ROSA TOSA

electrical signal optical signal

driver post amp.

(圖 1-3 transceiver)

現有TO-can封裝時使用被動方式對位(passive alignment)封蓋，封蓋精度不佳且偏 移沒有方向性，導致後續製作TOSA，使用主動式對位(active alignment)構裝，需耗費 搜尋工時，且耦合效率η(coupling efficiency)差。

本研究是以被動式對準定位方法於雷射二極體的TO-can封裝製程，設計定位機構 以提升雷射二極體(LD)與ball lens對準，使光纖耦光對準步驟時之簡易性並能降低構 裝製程成本。

housing Ball lens cap LD PD stem

(圖 1-4 transmit / receive optical sub-assembly)

1.3 論文架構

本篇論文研究之主題為設計開發新式製造製工具，以改善雷射二極體組裝成 TO-can型式時提高LD與ball lens對位精度，增加製造效率，以降低製造成本。

1. 使用氦氖雷射槍依反射定理來檢測雷射二極體(LD)在組裝時與stem垂直度，減 少LD光軸傾斜所造成的功率損失。

2. 改良stem與cap組裝製具，增加兩者同心度，確保雷射光與ball lens在同一直線 上，避免因偏移造成光功率損失，提升TOSA耦合效率。

全篇論文共分為六個章節，針對用於長距光纖通訊之光二極體構裝做研究及改 良，提供更高耦合效率的TO-can，降低製造成本及產出數量。

第一章 光纖通訊系統介紹，以及說明研究動機。

第二章 文獻探討及介紹習知光學知識藉以改善現有製造技術之缺點並說明如何 改良。

第三章 使用ZEMAX光學模擬軟體，建立LD相對ball lens及光纖系統架構 (laser-to-lens-to-fiber coupling efficiency)，模擬LD與ball lens相對位置最 佳化時及偏移狀況下耦入光纖耦合效率。

第四章 改善TO-can封蓋製具設計，提高LD相對ball lens組裝精度，並導入統計 製程管制SPC(statistical process control)概念，隨時監控製程水準是否得 到預期穩定效果。

第五章 設計快速雷射二極體雷射光軸偏移量測儀器，以確保每一產品在大量製 造時有一致性的光軸，以減少後續組裝的power損耗及提高耦合效率，再 使用GRR(gauge repeatability and reproducibility)手法評估此量測系統的

量測能力。

第六章 結果驗證，驗證使用ZEMAX模擬的焦平面(focal plane)及耦合效率，與 實際量測得到的值是否一致；以及說明改善製具前後所量測得到之耦合 效率提升的效果。

第七章 結論，說明整個實驗得到之結果，及未來研究向。

第二章 文獻探討

本章將介紹與本研究相關之光學原理和光學追跡成像，以及介紹TOSA的製造流 程。

2.1 光纖耦合

隨著資料量的傳遞不斷增加以及光纖到家的比率提高，通訊網路系統幹線傳輸容 量隨之擴增，使得光纖幹線不斷架設，相對光收發模組需求隨之增加。

在光纖通訊上，通常是以雷射二極體為發光源，而雷射二極體所發出之光場為橢 圓分佈與單模光纖之圓形分佈光場不同，因此在不加光學元件直接讓雷射光耦合入光 纖的情況下，其耦合效率相當低。為了提高雷射光耦合入光纖之效率，則必需在雷射 光進入單模光纖之前加入光學元件調制其光場分佈，則可使雷射光到達光纖端面時之 模態與光纖之基模相近(1.成像數值孔徑與光纖之數值孔徑相近。2.光場之形狀與面積 大小相近。)如此方能達到較高之耦合效率。雷射光耦合入光纖的方式可分為三種：

(1)直接耦合、(2)加入透鏡、(3)改變光纖端面的形狀(如圖2-1)[ 13]。

(圖2-1 光耦合入光纖的方式)

球透鏡(ball lens)是一種簡單拋光的玻璃球，對LD有很高的穿透率，其結構簡單、

且容易製造、價格低、質量輕的優點，所以目前產業界最常用的方式是利用球透鏡來 提高耦合效率，雖然效率的提高程度不如非球面鏡(aspheric lens)，但在透鏡定位的誤 差(tolerance)卻比其他透鏡來的高而且製作容易。

對於光耦合上最大的問題是在LD元件置放位置相對ball lens的位置誤差容忍度 (tolerance)，雖然在設計上的耦合效率可利用各種方式來增加，如增加LD power或縮 小LD發散角；LD直接與光纖耦合，但是其LD相對光纖容忍的位置的誤差太小，反而 變成耦合元件的致命傷，因此本論文討論的是以最經濟效益方式製造，所以採用 TO-can封裝，LD相對ball lens位置決定在三個部份

(1) LD chip放置在stem位置；

(2) cap上ball lens相對stem位置；

(3) TO-can套上housing時相對位置偏移。

目前TOSA製程皆使用主動式最佳化對位耦光方式，再將housing與TO-can使用雷 射銲接固定，主動式對位不在本論文討論範圍，本論文是針對被動式製造的LD放置 及封蓋偏移量控制，以減少位置誤差的問題，而設計量測與定位工具，在TO-can製造 時減少定位誤差，如此可減少主動式最佳化對位耦光作業時間及改善雷射(laser)與光 纖(fiber)對位耗時及耦合效率不佳之問題。

2.1.1耦合效率

在雷射二極體耦合入單模光纖時，因利用光纖作為光訊號的接收端，故在 設計上需考量光訊號與光纖的耦合效率問題，雷射光束在耦合至單模光纖時發 生的損耗，如數值孔徑損耗、面積不匹配損耗及反射損耗，下介紹耦合效率的 計算方式。[12]

我們都知道LD雷射是呈現橢圓發散，其呈現一個橢圓的高斯光場分布，但 是我們希望光進入單模光纖時呈現LP01(如圖2-2)模態的圓形高斯光場分布。雷 射光場E 從雷射鏡面到ball lens前如(圖2-3)所示d1，表示如下 _1L

2 2 2 2

1

1 2 2

1 1 1 1 1 1

2 exp exp

L 2

x y x y x y

jK

x y x y

E     R R

     

        

     

   

- -

^(2-1)

1

K 2

  為波數或真空傳播常數；

λ 真空波長；

1 x 1y

 ； 為LD發散橢圓光場X和Y方向光束腰半徑；光束腰大小被定 義_{1 x}；_1y光束腰半徑在 ¹₂

e 點下的橫向功率大小。

1 x 1 y

R；R 為 橢 圓 光 場 X 和 Y 方 向 光 束 腰 半 徑 波 形 曲 率 ； 則 此 時

1 x 1y

 ； 光束腰最小。

但是單模光纖的光場為圓形高斯分佈，模態表示如下：

2 2

2 2

2 exp

f

f f

x y

E  

  

  

 

(2-2)

 為單模光纖光束腰半徑； f

ball lens之後的雷射傳輸模態表示如下：如(圖2-3)所示d2

2 2 2 2

2

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2

2 exp exp

L 2

x y x y x y

x y jK x y

E     R R

     

        

- - (2-3)

2 x 2y

 ； 為進入光纖的光束腰半徑；

2x 2y

R；R 為橢圓光場X和Y方向光束腰半徑波形曲率；

2 2

K 2 n

  為光纖中波數；

n 為光纖核折射率； 2

為了提高耦合效率η(coupling efficiency)，必須使雷射光束的模場與光纖的 模場匹配。利用模態匹配的方式分析，即由光纖在端面所形成之理想光場分佈 與以及LD經透鏡之聚焦光束傳播至光纖端面之實際光場，作其二者之光場重疊 積分(overlap integration)，計算其耦合效率。[12]

* 2

2

2 2

2

| |

| | | |

L f

L f

E E dxdy

E dxdy E dxdy

  ^{ }

   

(2-4)

Ef ：由光纖端面所產生之理想光場強度 E ：LD 傳輸至光纖之實際光場強度分佈 2 L

*

Ef ：代表共軛複數

由(2-4)式可知兩光場的匹配程度越接近則耦合效率越高。

整合式(2-1~2-4)，耦合效率可以表示如下：

1 1

2

2 2 2

2 2 2 4 2 2 4

2 2

2 2 2 2

2 2 2 2 2 2

4 1 1

4 4

f f f f f

x y x x y y

K K

R R

    

    

 

     

 

 

                         

- -

(2-5)

(圖 2-3 LD 透過 ball lens 耦合入光纖) (圖 2-2 LP01 mode)

ball lens

2.2 光線追跡(ray tracing)

最初在光學不甚發達時代，在研究開發光學儀器元件時，最常使用的方法就 是直接磨製不同形狀的透鏡，做不同排列組合，找出成像質量的較好的結構但需 花費大量人力物力及長時間而且找到之結果必非最佳的組合，為了節省時間及各 項資源於是利用光線的折射、反射、反射計算光通過光學系統之後的像差大小，

以及在介質中傳播時，光束可能會被介質吸收，改變傳播方向或者射出介質表面 等，我們透過計算理想化的光線計算光線在介質中傳播的情況。光線追跡方法首 先計算一條光線在被介質吸收，或者改變方向前，光線在介質中傳播的距離，方 向以及到達的新位置，然後從這個新的位置產生出一條新的光線，使用同樣的處 理方法，最終計算出一個完整的光線在介質中傳播的路徑[4]。

在幾何光學光線的傳播歸類為四個基本定律。

1. 光的直線傳播定律：在同性均勻介質中，光在兩點之間是沿直線傳播的，即 光為一直線。

2. 光的獨立傳播：不同路徑傳播的光，同時通過空間的某一點時，彼此互相不 影響，各光束獨立傳播。

3. 光的折射定律：折射光線與入射光線和法線在同一平面內，折射角與入射角 的正弦之比與入射角的大小無關，是取決於兩個介質光學性質的常數即：

Snell 's law sin

sin '

t i

n n





^

： (2-6) 4. 光的反射定律：當光傳輸到兩介質的光滑分介面時，光的入射角等於反射角

的絕對值，反射光線位於入射光線法線的另一側。

i=| |r

 

(2-7)

(圖2-4 光的反射與折射)

光學系統的初始結構參數確定後，我們就可以直接運用幾何光學的折射、反射 定律追蹤光線在進入光學系統後其方向的變化，直到像面，這種過程稱為光線追跡 法。[4]

就原理來說，光線追跡分為主要兩個步驟：

(1) 從物體的某一點出發，給定一個初始方向，在各項同性的均勻介質中，光線 就沿直線前進，直到進入到兩個介質分介面。

(2) 在兩個介質分界面上，利用折射、反射定律，決定此光線遇到界面後的新方 向。重複(1)(2)步驟直到光線到達成像面。

拜電腦的發展之賜，目前市面上已經有許多光學輔助設計軟體可以很快的計算 成像，免除人工計算的時間花費減少開發時間，例如TracePro；OSLO；CODE_V；

LightTools；ZEMAX等等...，我們在第三章也使用ZEMAX做模擬本實驗。

i

n

n’

 t

r

(圖2-5 光線通過單面lens追跡) r : 半徑

n : 入射介質折射率 n' : 球玻璃折射率 l： 物距

'

L ：像距

三角形△apc由正弦定律(sine law)可得：

-

sin sin

L r r

I  U

sin L r - sin

I U

 r

(2-8) 由三角形△A ' PC

'-

sin ' sin '

L r r

I  U

sin '

' sin '

r I L r

  U

(2-9)

r

L’

L C

U’ U

I

I’

A’ A

n n’

O 入射光

法線

折射光

頂點 圓心

P

I

(圖 2-6 光線通過 ball lens 追跡)

計算單面光線追跡之後，球玻璃(ball lens)只要將入射光再延續法線出球面，計 算球另一面追跡如(圖 2-6)。

2

' ;

1 2

' -

1 1

U  U L  L d

(2-10) 帶入(2-4) & (2-5)式可得：

'- ' sin cos

' 2

sin 'cos - 2 L U I U

L I U

U



(2-11)

整理(2-4) ~ (2-7)式，可得近軸光追跡公式：

- -

sin L rsin l r

I U i u

r r

   (2-12) sin ' sin '

' '

n n

I I i i

n n

   (2-13) ' - ' ' - '

U UI I  u ui i (2-14)

sin ' '

' r I ' i

L  r  l  r r (2-15)

第一面 第二面

A

O

₁

O

₂

P

1

P

2

A’

₂

A’

1

(A

2

)

L’

1

d

1

L

2

折射光

法線

U’

1

=U

2

2.3 TOSA封裝

封裝(assembly)是指將晶片提供一個引接的介面，內部電性訊號亦可透過 封裝材料(引腳)將之連接到系統，並提供矽晶片免於受外力與水、濕氣、化學 物之破壞與腐蝕等。

TOSA製造流程如(圖2-7)，其中可以發現die attach及capping兩個製程會影響LD 對準ball lens的偏移量進而影響耦合效率，所以本論文是針對此兩個製程做研究改善。

黏晶

銲線

封蓋

組裝

(圖2-7 TOSA構裝流程)

1.LD diode 使用銀膠 黏貼在stem上

2.將LD接線至外引腳

3.封蓋將LD作保護並 使LD透過lens聚焦

4.黏/銲上光纖接頭 以利與光纖串接

A. 黏晶

黏晶(die attach)將晶圓片(wafer)切割後成單獨一顆顆晶片(chip)，然後透 過影像識別系統定位，將晶片放到 stem 指定的位置上可以使用以下兩種方式 黏著 1. 銀膠（epoxy）黏著固定；首先要在 stem 預定黏著晶片的位置上點上 銀膠（此一動作稱為點膠），然後在點膠位置將晶粒置放其上，並烘烤使膠固 化。2. 共金鎔合方式(eutectic)；使用金錫合金加熱至 300℃當黏著劑直接將 晶片放置上去待冷卻後即黏著，相對成本較高但其散熱效果較佳，所以一般 都是使用在 LD 雷射黏著上以增加散熱，避免雷射因熱造成特性變化。

B. 銲線

銲線(wiring)乃是將晶粒上的接點以極細的金線（18～30μm） 連接到 stem 之內引腳，進而藉此將晶粒之電路訊號傳輸至外界。

C. 封蓋

封蓋(capping)之主要目的為 1.防止濕氣由外部侵入；2.LD chip 透過 ball lens 聚光。其過程為使用硬體機構將 stem 與 cap 固定位置，再將 stem 與 cap 通電利用點銲方式瞬間溶接使其密封。

D. 組裝

組裝，將TO-can加上套筒(housing)，使其可以直接與光纖對接。作業方

式為將其對接光纖並耦合到最大power並將其固定之，固定方式有兩種：1.使 用雷射銲接套筒；2.使用膠封方式；一般來說，為了避免此過程產生過大位移 LD端都會以(Nd:YAG laser)焊接方式製造，以避免膠封時膠固化產生較大的位 移，但是成本相對較昂貴。而膠封製程大部份應用在photo detector端，因為 detector的收光區大小(windows size)超過50μm，所以可以接受較大的位置偏 移。

第三章 光學模擬

電腦的問世使的原本複雜的光路計算，只要交給軟體就能迅速的完成，所以本章 將藉助光學設計軟體(ZEMAX)的效能運用，來計算雷射二極體所發射的光能得到最 大的耦合效率，模擬整個光學路徑再與實作實驗所得的耦合效率驗證是否一致。

3.1 ZEMAX光學模擬軟體

ZEMAX是由Focus software, Inc.所發展出來的一套光學設計軟體。ZEMAX 這套軟體可以模擬並建立許多光學系統的模型，例如反射、折射、繞射、分光、

鍍 膜 等 光 學 系 統 模 型 。 而 ZEMAX 也 提 供 了 序 列 性 (sequential) 和 非 序 列 性 (non-sequential)的描光方法，並依設計者的習慣或需要來建立模型。

其中ZEMAX內建了許多設計者可能會使用到的非序列性元件供設計者來 建立模型。除此之外，ZEMAX還可以用來分析許多光學系統的各項光學性質，

諸如斑點圖分析(spot diagram)、光扇圖分析(ray fan)、場曲分析(field curvature)、

畸變分析(distortion)、調變轉換函數(modulation transfer function)分析等等的幾何 光學特性分析；又如點分散函數PSF(point spread function)分析、干涉分析、波前 分析、偏極化分析、鍍膜分析不等的物理光學特性分析。

本次實驗先行利用ZEMAX軟體模擬整個實驗計畫，並與實際製作成果比對 是否吻合。

3.2 光學模型建立

使用ZEMAX 建立實驗模型(如圖3-1)，已知雷射二極體距離ball lens位 置，模擬雷射二極體 進入9μm 光纖的耦合效率，以提供實做比較參考。

material single mode fiber ball lens  1.5mm；BK7；

index=1.5168 core diameter 9μm LD 到 ball lens 距離 0.91 mm cladding diameter 125μm normal output power @30ma 8.5 mw

LD中心波長 1310 nm

LD發散角 35^o*18^o focal plane 2.23 mm Max. coupling efficiency 17.8235%

(表3-1 LD & fiber 資料表)

x y

θ * θ

3.2.1 BK7玻璃折射率

折射率是光波長的函數，對於不同的波長，折射率會隨入射光波長的變 化而改變，也就是n=n(λ)，介質的折射率n(λ)也不同，折射率與波長或者頻

橢圓光源 1310nm

LD

1.5mm ball lens (BK7)

910μm focal plane

9/125μm single mode fiber

•

focal plane光強度/圖形

•

9/125μm single mode fiber耦合效率

•

若雷射有X or Y偏移耦合效率多少

•

若雷射有X or Y傾斜則各耦合效率多少

(圖 3-1 光學路徑組裝示意圖) 光軸

Y Z



o o

x y

θ * θ =35 *18

X

率的關係稱為光的色散(dispersion)關係。

折射率跟頻率的關係

( ) ( ) c

n n

  f

(3-1) Sellmeier方程式目前被Schott及其他玻璃製造商所採用，以描述在光譜的 折射率，尤其是BK7玻璃。該方程式內共有6組常數係數，可以藉由不同的 的波長跟對應的折射率來求出(解6元1次方程式)，不同的玻璃會有不同的常 數項而不同族群的玻璃(或材質)會有不同的折射率公式。[20]

Sellmeier equation：

2 i 2

i i

( )= 1.0+ [ B λ ]

n   λ -C

(3-2) 一般計算時常用三項展開示如下：

2

2 2

3

1 2

2 2 2

1 2 3

B λ

B λ B λ

( )= 1.0+ + +

λ -C λ -C λ -C

n 

(3-3)

BK7 coefficient value B1 1.03961212 B2 0.231792344 B3 1.01046945

C1 6.00069867×10⁻³ μm² C2 2.00179144×10⁻² μm² C3 1.03560653×10² μm²

(表3-2 BK7 coefficient)

(圖3-2 BK7玻璃折射率與波長對應關係)[20]

(圖3-3 BK7玻璃穿透率與波長對應關係)[20]

3.2.2 ZEMAX模擬光學模型設定

實驗步驟：

1. 建立laser橢圓光源35^o*18^o 2. 建立LD到ball lens位置代入

3. 設定ball lens size



1.5mm，材質為BK7 4. focal plane設定為變數

5. 求焦平面(focal plane) &耦合效率(coupling efficiency) 由以上設定得知最佳焦點和耦合效率值如下：

focal plane = 2.23mm，如(圖3-4) coupling efficiency = 17.8235%，如(圖3-5)

(圖3-5 光纖耦合效率及光斑圖)

光耦合上最大的問題是在LD元件置放位置相對ball lens的誤差，所以也一 並模擬LD光軸偏移及頃斜對耦合效率的影響，可以得知LD相對ball lens位置，

在水平方向(Z軸)前後位移的耦合效率變異影響是較小的，在(X/Y軸)左右偏移 耦合效率的影響是比較大的。這也正好應證本論文研究方向是正確的，設計高 精度封蓋製具使ball lens 相對LD位置偏移變小，因為ball lens相對cap的高度是 在cap供應商來料時就固定無法調整的，所以如何控制其在capping時減少其左 右偏移成為我們必須克服的問題。(詳細實驗做法如下一章節說明)。

由表(3-3)得知X軸頃斜1度耦合效率約減少16.374%，Y軸頃斜1度耦合效率 約減少23.518%。

由表(3-4)得知X偏移10μm耦合效率約減少1.545%，Y軸頃斜10μm度耦合效 率約減少7.087%。

傾斜 X 軸(度) Y 軸

(度) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

0.0 17.8235 17.7454 17.4076 16.6521 15.7891 14.905 14.2247 13.5865 12.7173 11.6808

0.2 16.9438 17.0217 17.024 16.6193 15.9549 15.2121 14.6168 13.9366 12.9892 11.8987

0.4 16.5815 16.5613 16.451 16.1044 15.6344 15.0646 14.4797 13.7417 12.8526 11.8188

0.6 15.8339 15.8407 16.6849 15.317 14.9191 14.3769 13.8376 13.1535 12.2023 11.0314

0.8 14.061 14.178 14.3114 14.3085 14.1901 13.8057 13.3667 12.8233 12.0802 11.1071

1.0 13.6318 13.6349 13.5137 13.1765 12.7561 12.3188 12.0465 11.8067 11.1461 10.0805

1.2 12.8727 12.8636 12.6778 12.2264 11.7038 11.1014 10.6607 10.322 9.7708 8.9628

1.4 11.4692 11.3731 11.1956 10.7689 10.3908 9.9082 9.683 9.3912 8.7941 7.9192

1.6 11.0664 10.9343 10.4327 9.7861 9.0966 8.4679 8.0281 7.7429 7.2319 6.463

1.8 9.2236 9.2113 9.0465 8.6255 8.0879 7.5055 7.0549 6.6178 5.9724 5.191

(表3-3 LD傾斜相對耦合效率%)

偏移 X 軸(μm)

Y 軸(μm) 0 5 10 15 20 25 30 0 17.8235 17.7629 17.5482 17.0232 16.2785 15.4782 14.7081 5 17.0574 17.1176 17.1844 16.8985 16.3800 15.7069 15.0362 10 16.5603 16.5688 16.5944 16.4526 16.1277 15.6725 15.1023 15 16.3717 16.3512 16.1914 15.8118 15.3908 14.9061 14.3522 20 15.0085 15.0799 15.1348 14.9391 14.6416 14.2224 13.7494 25 13.7349 13.7836 13.8345 13.7744 13.7137 13.5105 13.1260 30 13.4591 13.4360 13.3631 13.0636 12.6561 12.2004 11.7590

(表3-4 LD偏移相對耦合效率%)

(圖3-7 LD偏移相對耦合效率%)

第四章 TO-can高精度封蓋治具

於第三章模擬結果得知 X 軸 Y 軸偏移 30μm 使耦合效率降低 34%，減少 ball lens 相對 LD 位置偏移是刻不容緩的事，本章節將設計新式封蓋使用電極，TO-can 封蓋 作業(caping)時，使 ball lens 與 stem 於電銲作業時，能有更精準定位。

其特點與功效如下 :

可運用於機械定位式封蓋機，不需使用對光式封蓋機(active alignment welder)，

即可達到 ball lens 至 stem 中心小於 25μm 的封蓋精度，且完全不會降低封蓋的製造 效率。

若是製造檢光二極體相關產品，封蓋的精度管控在 20μm 以下，可使檢光二極 體的光電轉換效能(responsivity)與靈敏度(sensitivity)最佳化。

4.1 舊有製造技術及問題

舊型TO-can封蓋治具(圖4-1)是使用兩個帽套方式固定cap(圖4-1)和stem(圖4-1)，

其設計為封蓋機的封蓋電極內徑大於cap外徑20~50μm，目的是讓cap可順利置入電極 (圖4-2)內，再放上stem，進行封蓋作業。

cap

ball lens stem

下部電極 stem

固定stem用帽套

(圖4-1 TO-can由stem與cap組合)

加大封蓋電極內徑可使封蓋作業順利，不至於產生cap卡在下部電極內(圖4-4)，

(圖4-2 cap & stem封合用電極) 下部電極

固定stem用 stem 帽套

上部電極

(圖4-3 TO-can組合完成圖)

TO-can

裂開，而造成內部氣密度不足，使得水氣進入TO-can(圖4-3)內部，而破壞雷射二極體 (LD)功能，造成產品壽命降低(依mil-std-883f要求其氣密度需<5.0*10^-8cc.atm./sec.) [17]。

(圖4-4 cap卡在下部電極)

cap卡在電極

(圖4-5 sealing glass破裂 )

cap lens接合面裂開

放寬cap與下部電極之間間距其優點是可以達到快速封蓋，缺點為封蓋後ball lens 中心相對stem中心的同心度變差，ball lens至stem中心偏移量大，造成雷射光束偏移(圖 4-6)

4.2 機構設計

因為 cap & stem 每一顆皆有其公差存在，所以在大量製造時必須使用針對 每一顆產品都能以機械方式加以定位。並非純粹以電極開孔大小為定位 cap。

cap 定位：利用磁鐵的磁性使每一次 cap 置入下部電極(electrode)作業時，

將 cap 磁吸至同一個固定位置(圖 4-8)。

stem 定位：使每一次 stem 置入下部電極(electrode) 作業時，將 stem 推至同 雷射光束徧移

對準雷射光束中心

(圖 4-6 capping 之後偏移示意圖)

只要於第一次安裝電極時，將上部電極、下部電極與 stem clamp 調整好相 對位置後，即完成校正作業，使後續的封蓋作業，每一個 TO-can 完成品的封 蓋精度皆可小於 20μm。

stem clamp

stem electrode

cap electrode stem

cap

stem定位蓋

(圖4-7 封蓋結構圖)

cap electrode inserts magnets

step:2

利用stem clamp定位，將 stem推至同一個固定位置

Step1:

Cap 吸至同一固 定位置

(圖 4-8 下部電極加入磁鐵設計)

4.2.1 製具成果

開始設計時是使用手動開閤 clamp，後續加入氣動功能以增加作業 便利性。(圖 4-11)為改良前後的比較圖

step:3

上電極下降，通電 執行電銲作業

(圖4-10 封蓋結合圖)

改良前電極 改良後電極

(圖4-11 封蓋電極改良前後比較圖)

氣動開閤挾持

下部電極 上部電極

(圖 4-12 封蓋電極改良前後實際成果圖)

改良前 改良後

4.2.2 作業方式

step 1：cap 置入下電極，cap 被磁鐵自動吸引至一定位置(圖 4-7)。

step 2：stem 置於cap 上方，利用stem clamp定位，將stem推至同一個固定位 置，並挾持住stem，(圖4-9)。

step 3：上電極下降，通電執行電銲作業，使cap與stem達到氣密結合(圖4-10)。

4.3 量產可行性分析

使用統計技術對製造的抽樣所得的數據進行分析，比較改善製具前與改善 後，LD 相對 ball lens 位置的是否有提高準度。

4.3.1 SPC

^[17]

統計製程管制

1. SPC：是英文 statistical process control 的字首簡稱,即統計製程管制。SPC 就是應用統計技術對過程中的各個階段抽樣所得的數據進行分析，從而 對生產過程的異常趨勢提出預警，以便生產管理人員及時採取措施，消 除異常，恢復過程的穩定，從而達到提高和控制質量的目的。SPC 強調 預防，防患於未然是 SPC 的宗旨。在生產過程中，產品的加工尺寸的 波動是不可避免的。它是由人、機器、材料、方法和環境等基本因素的 波動影響所致。 波動分為兩種：正常波動和異常波動。正常波動是偶 然性原因（不可避免因素）造成的。它對產品質量影響較小，在技術上 難以消除，在經濟上也不值得消除。異常波動是由系統原因（異常因素）

造成的。它對產品質量影響很大，但能夠採取措施避免和消除。

2. 美國 W.A. Shewhart 博士於 1924 年發明管制圖，開啟了統計品管的新時 代，1940 年代 (二次世界大戰期間)--英美政府及企業開始引進，1950 日 本邀請美國品管權威戴明(W.E. Deming)舉辦講習，其對日本工業發展之 影響與貢獻，被稱為日本品管之父。

4.3.2 名詞解釋

SPC管制圖，以監控製程是否處於管制狀態，並決定製程能力指數，了解目 前製程能力水準。統計製程管制(statistical process control)。

Ca ：製程精確度(capability of accuracy)，比較製程分配中心與規格平均值一 致之情形。

Cp ：製程精密度(capability of precision)，比較製程分散寬度與公差範圍。

Cpk：雙邊規格管制界限之製程能力指數(process capability index)，ca與cp 之 總合指數。

CpU：單邊規格管制上限之製程能力指數(process capability upper index) CpL：單邊規格管制下限之製程能力指數(process capability lower index)

X-Rm chart：平均所有樣品各別值(X)及移動差異值(Rm)，得到X，Rm。

CLx=X ; UCLx=X+E2*Rm ; LCLx=X-E2*Rm

CLRm=Rm ; UCLRm=D4*Rm ; LCLRm=D3*Rm (4-1)

X-Rm管制圖：各別值與移動全距管制圖，是一種計量的圖形。

X-Rm定義：只從製程中讀取一個讀值，來代表製程輸出，由於只有一個讀

X-Rm管制圖用途：

A. 產品之品質特性分析或測試，手續較為麻煩，需花費很多時間，而有 誤工作時效者。

B. 產品之品質特性極為均勻一致，像液體或氣體，如溫度、壓力、濕度 等，測定值只要一點即可代表全體樣本時。

C. 產品需經一段很長的時間，才能製造完成，獲得一個測定值。

D. 產品為非常貴重之物品，測試一個樣本即損失很多金錢者。

E. 破壞性之試驗，每檢驗一個產品，即損失一個。

管制圖：在平均值處作成管制中心線(central line) ，簡寫為 CL 。在平均值加/

減 3 個標準差處作成上/下管制界限(upper/lower control limit) ，簡寫 為 UCL/LCL。如下圖所示。

計算製程能力以決定製程的Ca、Cp與Cpk。

Cpk 定義：表示製程可製造合乎規格產品的能力的一種指數。

A. σ：標準差，一組數值自平均值分散開來的程度的一種測量觀念。

2

(X -X)

i

= (n-1)

 

(4-2)

B. X ：製程實際平均值。

C. μ：規格中心值。

D. Su：規格上限。

E. Sl：規格下限。

F. T：規格範圍(圖面公差)＝規格上限(Su)－規格下限(Sl )。

計算公式 代號 判定

雙邊規格 單邊規格

等級 分級標準

Ca 準確度 X- Ca= T

2

 無

A B C D

|Ca|≦12.5%

12.5%<|Ca|≦25%

25%<|Ca|≦50%

50%<|Ca|

Cp 精密度 Cp= ^T 6

Cp=SU-X 3

Cp=X-SL 3

A B C D

1.33≦|Cp|

1.0 ≦|Cp|<1.33 0.83≦|Cp|<1.0

|Cp|<0.83 Cpk 製程能

力指數 Cpk=(1-|Ca|)

A B C

1.33≦Cpk 1.0 ≦Cpk<1.33

Cpk<1.0 (表 4-1 評價計算公式及分級標準)

Ca等級評定後之處置原則：

A 級：作業員遵守作業標準操作並達規格要求，須繼續維持。

B 級：有必要儘可能將其改進為A級。

C 級：作業員可能看錯規格或不按作業標準操作，應檢討規格及作業標準。

D 級：應採取緊急措施，全面檢討所有可能影響之因素，必要時得停止製造。

Cp等級評定後之處置原則：

A 級：此製程極為穩定，可將規格容許誤差縮小或勝任更精密的工作。

B 級：有發生不良品的危險，須加以注意，設法維持不要使其變壞並迅速追 查。

C 級：檢討規格及作業標準，可能本製程不能勝任如此精密之工作。

D 級：應採取緊急措施，全面檢討所有可能影響之因素，必要時應停止製造。

Cpk等級評定後之處置原則：

A 級：製程能力足夠。

B 級：製程能力尚可，應再努力。

C 級：製程應加以改善。

4.4 封蓋 stem 相對 ball lens 中心度量測

比較改良前和改良後封蓋製具，連續封蓋 45pcs，以 ball lens 中心相對 stem 中心，明顯可看出平均值( X )從原本的 19.00μm 進步到 9.37um，標準差(σ)從 12.04μm 進步到 3.0μm，計算其製成能力指標(Cpk)偏移量規格<20μm 計算，可 以發現其製程能力 Cpk 從 0.03 改善為 1.19，明顯從 C 級的待改善提升至 B 級 可接受範圍，達到預期改良目標。

A. 改善前後 X-Rm chart

(圖 4-13 改善前後各別值比較)

(圖 4-14 改善前後移動差異值)

如(圖 4-13 & 4-14)明顯可以看出，改善後偏移量明顯變小，且變化量也更小，

偏移量更集中。

B. SPC 統計資料

統計資料

組數 45

改善後 X 浮動管制線

改善後 Rm 浮動管制線 改善前 改善後 UCLx 22.22 UCLRm 15.96 X(mm) 18.82 9.22 CLx 9.22 CLRm 4.89 Rm(mm) 11.27 4.89 LCLx 0.00 LCLRm 0.00

(表 4-2 改善前後統計資料)

C. 改善前後製程能力明顯提升

製程能力指標

改善前 改善後

σ 12.04 3.00

Ca NA NA

Cp 0.03 1.19 Cpu 0.03 1.19 Cpl 0.53 1.03 Cpk 0.03 1.19

(表 4-3 製程能力指標)

D. 改善前後量測數據(raw data)

管制項目 center

規格 Spec.: <20(μm) 偏移量(μm) 移動全距(Rm) No. 改善前 改善後 改善前 改善後

1 10 5 - -

2 15 10 5 5

3 20 8 5 2

4

30

8 10 0

5 5 10

25

2

6 6 11 1 1

7

30

2

24

9

8 5 6

25

4

9

21

10 16 4

10 20 15 1 5

11 9 8 11 7

13 15 6 13 7

14 5 15 10 9

15 7 10 2 5

16 20 10 13 0

17

26

1 6 9

18

30

9 4 8

19

37

8 7 1

20 7 12

30

4

21 15 9 8 3

22

35

8 20 1

23

22

17 13 9

24

33

6 11 11

25

37

7 4 1

26 12 9

25

2

27 8 14 4 5

28 8 11 0 3

29

30

9

22

2

30 20 12 10 3

31 10 9 10 3

32 9 10 1 1

33 18 6 9 4

34

36

13 18 7

35

25

7 11 6

36

32

5 7 2

37

23

18 9 13

38

30

2 7 16

39

30

7 0 5

40 7 12

23

5

41 18 13 11 1

42 4 4 14 9

43

21

8 17 4

44 8 6 13 2

45 10 16 2 10

(表 4-4 偏移量測數據)

第五章 雷射二極體雷射光軸量測

量產時使用 die attach machine 經由影像辨識系統(pattern recognition system)定位 stem 及 LD，再將雷射二極體(LD chip)從 tape 上吸起(die pick)黏貼在 stem 上，但是 LD chip 表面反光度變化而影響影像識別位置錯位或於 die pick 時吸取力量造成 LD 偏移或旋轉，進而造成下一 capping 製程時，LD 與 ball lens 光軸偏移(圖 5.1)過大而 影響聚光效果，降低耦合效率，且其偏移量極為微小無法使用肉眼或顯微鏡觀察。

(圖 5-1 偏移示意圖)

為確保雷射二極體(圖 5-2)雷射光能垂直入射 ball lens 中心避免產生偏移，於是 必須確認放置 LD 與 stem 是垂直的，於量產中隨時抽驗兩者之間的旋轉角度，設計 此量測設備能快速確認兩者之間的垂直度。

θ

(圖 5-2 laser diode)

量測製具可分為兩種

1. 主動式量測：將 laser 點亮去量 beam angle 但是耗費量測時間，以及設 備投資。這一部分已經有市面量產品，所以不在本論文討論範圍，可以 參考, DataRay Inc.產品 [21]。(圖 5-3)為市面上已量產的 beam angle 量測 元件。

2. 被動式量測：大多是應用三次元工具顯微鏡(圖 5-4)做為量測工具，如 Nikon Inc.產品[22]，也是需耗費工時。

(圖 5-4 三次元工具顯微鏡)

本論文為開發新式量測方法，快速確認其 stem 與 LD 兩者之間夾角(圖 5-4)，所以設計一個簡單製具做為量測使用，以加快製造檢驗速度。

構想 依反射定理，入射光和反折射光位於同一個平面上，並且與界面法 線的夾角滿足如下關係：

sinθi = sinθr (5-1) 光線的反射可由反射定律說明之，如(圖5-6)所示：同一平面上光的入射光 線與反射面上的法線夾角會相等於反射光線與反射面上的法線夾角。

θ

Chip Tilt

Base Plane

(圖 5-5 LD 與 Stem 偏移示意圖)

5.1 量測設備設計構想

量測原理是利用反射定律，將 stem 固定於固定座上，使用氦氖雷射槍，使 光打到被測雷射二極體(LD chip) 切割鏡面上，雷射光點會反射於已標示刻度圖 紙上，在利用三角函數以入射光與反射光之偏移距離，計算 LD chip 相對應 stem 偏移角度，如(圖 5.7)所示。

(圖 5-6 反射定律)

為了方便判定偏移量，於是將標靶刻度定為 1mm，且以每 1mm 相對換算 LD 傾斜角 0.1 度解析度，利用三角函數 tan 計 算 待 測 物 到 標 靶 距 離，由下計 算試得知以待測物件到標靶距離為 286.48mm。

o

X 1mm =286.48mm tan (0.1 *2)

 (5-2)

A. 偏移角度讀取

藉由觀察標靶上刻度換算成傾斜角度，每一個刻度相當 LD 傾斜 0.1 度，再經由調整生產設備修正傾斜(圖 5-8) 。

量測原理

LASER Gun

(圖5-7 量測製具示意圖) X

1mm

標靶 待測物

0.2^O

286.48mm

乘以 2 是因為入射光與反射光之法線夾

B. 設備外觀

Y

X Y

(圖5-8 標把刻度1mm相對於0.1度)

X

氦氖雷射槍

氦氖雷射槍電源

標靶刻度表

stem固定座

X-Y stage

stem定向片 套筒

C. 機構校正

取 silicon wafer(註 1)原片當反射鏡面架設於 stem 固定座，調整 stage 固定 座，使入射光等於反射光位置，確認量測面垂直於雷射光。

註一：silicon wafer 一般平整度為小於 1μm 所以利用來當反射鏡，可以達 到良好全反射效果。

調整設備使反射光重疊等於入射光點，如(圖 5-10 &圖 5-11)所示。

(圖 5-11 校正使反射光重疊等於入射光點)

LASER

機構傾斜

校正平行

反射光線偏移 反射光反射回原點

(圖 5-10 機構平行校正) 氦氖雷射槍

5.2 量測重複性與再現性

GRR(gauge repeatability and reproducibility) 評估一個量測系統的量測能 力，並以此統計分析結果作為對操作者，量測設備變異狀況之改善參考。為確 保此設備之可用性，針對本論文所開發之量測儀器之量測重複性與再現性作評 估與分析。

GRR 說明如下：

GRR 評估常用公式

重複性:ev(設備變異)；再現性:av(量測員變異)

2 2

R&R= AV +EV

(5-3) 零件變異:pv；總變異:tv

2 2

TV= R&R +PV

(5-4) 總變異量

2 2 2 2

= + +

   

GRR:量測精度指標

Repeatability :(equipment variation )量測儀器之變異性 作法 : 同一人員使與同一量具，量測同一產品多次之後評估計算其

變異。

Reproducibility : (appraiser variation)不同人員之間變異性

作法 : 由不同人員使用同一量具測同一產品多次之後評估其變異

性。

由以上兩個作業方式來確認此一量具之信賴程度。

原始的數據標準差（ ）中其實己含蓋了產品真值標準差（_I _TV），量測儀 器量測誤差（_GRR）及其他隨機誤差（ ）其關係如下： _e

GRR 的目的就是要降低量測誤差（_GRR），使量測值之（ ）儘量接_I 近（_TV）（真值之標準差）。

5.15*R&R

%GRR=

tolerance

(5-6) 註: tolerance =USL-LSL

GRR 時是採用 99%的信賴區間，依據常態分配 99%的範圍含蓋在 X ±2.575 個 σ 之內，所以分子要乘 5.15（2 ×2.575）

(圖 5-12 量測誤差分布圖)

等級評定處置原則

等級 範圍 處置

A 級 %GRR=<10% 量具系統可接受

B 級 10%<%GRR< 30%

可接受.可不接受,決定于該量具系統之重要性, 修理所需之費用等因素

C 級 %GRR>=30% 量具系統不能接受，須予以改進 (表 5-1 GRR 等級判定)

5.3 重現性與再現性驗證

取樣品 20pcs，兩個人重複測 5 次，各別記錄 X，Y 方向角度(X 方向：LD 頃斜，Y 方向：stem 頃斜)。

(表 5-2)為第一位操作者量測數據，可以顯示最大差異為 0.1 度，符合預設偏 移量目標。

(圖 5-13 第一位操作者重複量測 5 次 X 軸比較圖)

(圖 5-14 第一位操作者重複量測 5 次 Y 軸比較圖)

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 X1 0.2 0.3 0.1 0.0 0.2 0.0 0.3 0.1 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 X2 0.2 0.3 0.1 0.0 0.2 0.0 0.3 0.1 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.4 X3 0.2 0.3 0.1 0.0 0.2 0.0 0.3 0.1 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.4 X4 0.2 0.3 0.1 0.1 0.2 0.0 0.3 0.1 0.4 0.1 0.1 0.2 0.3 1.0 0.1 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 X5 0.2 0.3 0.1 0.0 0.2 0.0 0.3 0.1 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 Avg 0.20 0.30 0.10 0.02 0.20 0.00 0.30 0.10 0.32 0.10 0.10 0.12 0.30 0.92 0.02 0.30 0.40 0.30 0.20 0.46 Max 0.20 0.30 0.10 0.10 0.20 0.00 0.30 0.10 0.40 0.10 0.10 0.20 0.30 1.00 0.10 0.30 0.40 0.30 0.20 0.50 Min 0.20 0.30 0.10 0.00 0.20 0.00 0.30 0.10 0.30 0.10 0.10 0.10 0.30 0.90 0.00 0.30 0.40 0.30 0.20 0.40 Y1 2.5 0.4 0.1 1.2 1.1 0.7 1.3 2.1 0.0 1.1 2.1 0.7 0.7 0.0 2.0 1.6 1.0 1.2 1.0 1.3 Y2 2.5 0.4 0.1 1.2 1.1 0.7 1.3 2.1 0.0 1.0 2.1 0.7 0.7 0.0 2.0 1.7 1.0 1.2 1.0 1.3 Y3 2.5 0.4 0.1 1.2 1.1 0.7 1.3 2.0 0.1 1.1 2.1 0.7 0.7 0.1 2.0 1.7 1.0 1.2 0.9 1.2 Y4 2.5 0.4 0.1 1.2 1.1 0.7 1.3 2.1 0.0 1.1 2.1 0.7 0.7 0.0 2.1 1.6 1.0 1.2 0.9 1.2 Y5 2.4 0.3 0.1 1.2 1.1 0.7 1.3 2.1 0.0 1.0 2.0 0.7 0.7 0.0 2.0 1.7 1.0 1.2 1.0 1.3 Avg 2.48 0.38 0.10 1.20 1.10 0.70 1.30 2.08 0.02 1.06 2.08 0.70 0.70 0.02 2.02 1.66 1.00 1.20 0.96 1.26 Max 2.50 0.40 0.10 1.20 1.10 0.70 1.30 2.10 0.10 1.10 2.10 0.70 0.70 0.10 2.10 1.70 1.00 1.20 1.00 1.30 Min 2.40 0.30 0.10 1.20 1.10 0.70 1.30 2.00 0.00 1.00 2.00 0.70 0.70 0.00 2.00 1.60 1.00 1.20 0.90 1.20

(表 5.2 第一位操作者重複量測 5 次數據)

(表 5.3)為第二位操作者量測數據，可以顯示最大差異為 0.1 度，符合預設目標。

(圖 5-15 X 軸第二位操作者重複量測 5 次 X 軸比較圖)

(圖 5-16 Y 軸第二位操作者重複量測 5 次 Y 軸比較圖)

no 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 X1 0.2 0.3 0.0 0.2 0.2 0.0 0.4 0.0 0.3 0.1 0.2 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 X2 0.2 0.3 0.1 0.1 0.2 0.0 0.4 0.0 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 X3 0.2 0.3 0.0 0.1 0.2 0.0 0.4 0.0 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 X4 0.2 0.3 0.0 0.1 0.2 0.0 0.4 0.0 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 X5 0.2 0.3 0.0 0.1 0.2 0.0 0.4 0.0 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3 0.9 0.0 0.3 0.4 0.3 0.2 0.5 Avg 0.20 0.30 0.02 0.12 0.20 0.00 0.40 0.00 0.30 0.10 0.12 0.10 0.30 0.90 0.00 0.30 0.40 0.30 0.20 0.50 Max 0.20 0.30 0.10 0.20 0.20 0.00 0.40 0.00 0.30 0.10 0.20 0.10 0.30 0.90 0.00 0.30 0.40 0.30 0.20 0.50 Min 0.20 0.30 0.00 0.10 0.20 0.00 0.40 0.00 0.30 0.10 0.10 0.10 0.30 0.90 0.00 0.30 0.40 0.30 0.20 0.50 Y1 2.4 0.4 0.0 1.2 1.1 0.6 1.4 2.1 0.0 1.0 2.1 0.7 0.7 0.0 2.0 1.7 1.0 1.1 1.0 1.3 Y2 2.4 0.4 0.1 1.2 1.1 0.7 1.4 2.1 0.0 1.1 2.1 0.7 0.7 0.0 2.1 1.7 1.0 1.1 1.0 1.3 Y3 2.4 0.4 0.0 1.2 1.1 0.6 1.4 2.1 0.1 1.1 2.1 0.7 0.7 0.0 2.0 1.7 1.0 1.1 1.0 1.3 Y4 2.4 0.4 0.0 1.2 1.1 0.6 1.4 2.1 0.1 1.1 2.1 0.7 0.7 0.0 2.0 1.7 1.0 1.1 1.0 1.3 Y5 2.4 0.4 0.0 1.2 1.1 0.7 1.4 2.1 0.0 1.1 2.1 0.7 0.7 0.0 2.1 1.7 1.0 1.1 1.0 1.3 Avg 2.40 0.40 0.02 1.20 1.10 0.64 1.40 2.10 0.04 1.08 2.10 0.70 0.70 0.00 2.04 1.70 1.00 1.10 1.00 1.30 Max 2.40 0.40 0.10 1.20 1.10 0.70 1.40 2.10 0.10 1.10 2.10 0.70 0.70 0.00 2.10 1.70 1.00 1.10 1.00 1.30 Min 2.40 0.40 0.00 1.20 1.10 0.60 1.40 2.10 0.00 1.00 2.10 0.70 0.70 0.00 2.00 1.70 1.00 1.10 1.00 1.30

(表 5-3 第二位操作者重複量測 5 次數據)

下表為兩位操作人員的對 X/Y 軸偏移量，量測值做比較發現最大差異為 0.1 度，以規格值 2 度為基準，0.1 度的相對變異量為 5%，所以判定此製具為為 A 級量 具系統。

(圖 5-17 兩位操作者重複量測 5 次比較圖)

製具對稱性比較：stem 旋轉 180 度(圖 5-18)比較其反射光點位置是否也反 向 180 度(圖 5-19)，光點對稱性最大差異 0.1 度如(表 5-5)所示，表示設備對稱 性佳，對於量測數值之準確性更有信心。

(圖 5-18 stem 旋轉 180 度)

(圖 5-19 stem0 度與旋轉 180 度光點位置)

Stem:0^°

Stem:180^°