Wir verwenden Cookies, um Ihr Erlebnis zu verbessern.Indem Sie weiter auf dieser Website surfen, stimmen Sie unserer Verwendung von Cookies zu.Mehr Info.Viele Berichte beziffern das Wachstum des PIC-Marktes auf eine CAGR1 von über 20 % bis 2025 und sogar darüber hinaus.Aus diesem Grund ist eine überlegene Automatisierung sowohl für die Montage als auch für das Testen entscheidend, um eine Massenproduktion mit machbaren Kosten pro Teil zu ermöglichen.Die Photonik-Technologie bewegt sich hin zu höheren Integrationsebenen, wobei mehrere Komponenten und Funktionen jetzt in einem einzigen Gerät oder einer kleinen Hybridbaugruppe verfügbar sind.Dies ist als photonische integrierte Schaltung (PIC) bekannt.Die Entwicklung konzentrierte sich auf die Erfüllung der Anforderungen an Bandbreitendichte und Verlustleistung aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an Telekommunikation und Datenkommunikation (Rechenzentren für Internetkommunikation bzw. Cloud-Dienste).Die effektive Übertragung von Daten in und aus ist von größter Bedeutung geworden, viel mehr als die absolute Verarbeitungsleistung.Dies hat dazu geführt, dass diese Sektoren zur treibenden Kraft hinter der laufenden Entwicklung von PICs geworden sind.Die Photonik wird allgemein als unverzichtbare Basistechnologie für eine Vielzahl von Anwendungen und industriellen Prozessen anerkannt, was bedeutet, dass der PIC auf natürliche Weise in andere photonikfähige Sektoren und Anwendungen „übergesickert“ ist.Dies wiederum hat zu einem größeren Spielraum in der wachsenden Infrastruktur geführt, die zur Unterstützung von PIC-Ökosystemen benötigt wird.Die technologische Infrastruktur wird heute von vielen als stabil genug angesehen, um durchgängig genutzt zu werden.Abgesehen von Telekommunikations- und Datenkommunikations-PIC-Anwendungen bestehen andere, starke Marktchancen, die ähnliche IR-Wellenlängen nutzen und von der bestehenden Entwicklungsreife bei diesen Wellenlängen profitieren.Es gibt auch eine Vielzahl von Anwendungen, die herkömmlicherweise versucht haben, eine Miniaturisierung bei sichtbareren Wellenlängen zu verwenden.Abbildung 1. LiDAR und andere optische Sensoranwendungen für die Automobilindustrie werden deutlich wachsen.Bildnachweis: pixelfit/iStock.comEin Beispiel für Ersteres sind die immer fortschrittlicheren optischen Sensorgeräte, die für (immer autonomere) Automobilanwendungen entwickelt wurden.Eine wachsende Anzahl von optischen Sensorgeräten wie LiDAR2 wird in verschiedene automobile Transportsysteme integriert.Dieser Sektor wird voraussichtlich in den nächsten 15 bis 20 Jahren einen erheblichen Umbruch3 erfahren.Eine Reihe anderer Märkte sind durchaus eine Überlegung wert.Dazu gehören: Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen (diese sind besonders wichtig, wenn sie Verbrauchermärkte betreffen);Biophotonik, OCT und biomedizinische Sensorgeräte für dezentralisierte Tests (Point-of-Care-Diagnostik, die optofluidische und/oder BioMEM-Geräte verwendet);der Welt um uns herum mehr „Sinn“ zu geben, indem eine große Anzahl von vernetzten Sensoren verwendet wird (das Internet der Dinge (IoT));und HF-Photonik, die unter anderem für Terahertz-Technologie, Quantensysteme, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt verwendet wird.Diese Anwendungen erfordern alle integrierte optoelektronische Geräte, die eine Massenfertigung, Montage, Prüfung und geeignete Verpackung erfordern, wenn diese Marktprognosen korrekt sind.Abbildung 2. Augmented/Virtual-Reality-Anwendungen weisen die Volumenskalen auf, die die Verwendung von PIC rechtfertigen.Herkömmlicherweise ist die Geräteproduktion – einschließlich der meisten Anwendungsbereiche der Photonik – auf Mengen zwischen Hunderten und Tausenden von Komponenten ausgelegt.In der Vergangenheit wurden sowohl Photonik als auch Mikroelektronik einzeln hergestellt und integriert, bevor sie zu einem vollständigen Gerät zusammengesetzt, getestet und schließlich verpackt wurden.Bei Hunderttausenden oder sogar Millionen von photonischen Geräten sind „individuelle“ und „diskrete“ Verfahren jedoch keine sinnvollen Ansätze mehr.Für die PIC-Montage müssen die verschiedenen aktiven/passiven Funktionselemente noch auf einer Basisplattform installiert und kombiniert (hybridisiert) werden.Anstelle einer einzigen Technologieplattform, die das gesamte Spektrum der erforderlichen Funktionalität bereitstellt, tragen verschiedene Materialsysteme unterschiedliche funktionelle Bausteine zum PIC-Ökosystem bei.Diese müssen unbedingt extrem integrationsfähig sein, also immer einen Wafer-Level-Ansatz für Bestückung und Test ermöglichen.Es ist auch vorteilhaft, die Vereinzelung so weit wie möglich in der Produktionslinie nach unten zu verschieben.Es gibt Ähnlichkeiten zwischen diesem Fall und dem Fall für CMOS, wo ein Weg zu einer hochvolumigen Produktion im Wafermaßstab durch eine Reduzierung der Elementvielfalt ermöglicht wird, was wiederum durch eine Rationalisierung auf eine reduzierte Anzahl von wechselseitig kompatiblen Mikroplattformen erreicht wird.Getrennte Montage- und Testverfahren waren für geringe Stückzahlen zufriedenstellend, sind aber völlig undurchführbar, wenn beträchtlich höhere Herstellungsmengen erforderlich sind.Abbildung 3. Diskrete Montage- und Testansätze waren bei geringen Stückzahlen akzeptabel, sind aber bei viel höheren Fertigungsstückzahlen völlig unrealistisch.Der Übergang zu einer stärkeren Integration von Optoelektronik erfordert eine Konvergenz von Photonik und Elektronik in allen Aspekten der Produktion (Design, Fertigung, Montage, Test und Verpackung) und nicht nur in der Phase der Komponentenfertigung.Die primäre Einschränkung dieses Ansatzes besteht darin, dass der aktuelle Entwicklungsstand der PIC-Ökosysteminfrastruktur im Vergleich zu der Reife, dem Umfang (der Anzahl der Wafer) und dem Automatisierungsgrad, die häufig bei CMOS-Prozessen für Mikro- Elektronikfertigung.Diese Konvergenz wird einige Zeit in Anspruch nehmen, vor allem aufgrund der Inkonsistenz zwischen der Infrastrukturreife für PICs und CMOS, die sich auf etwa 40 Jahre summiert.Es können Möglichkeiten bestehen, in CMOS gewonnene Erkenntnisse direkt auf PIC zu übertragen.Die Kosten für Montage, Test und Verpackung von Standard-CMOS-Chips wurden durch die Implementierung von Inline-Testverfahren auf eine Größenordnung von 10-20 % der gesamten Produktionskosten gesenkt – dies ist nur ein Beispiel für dieses Potenzial des Wissenstransfers.Der übergreifende Produktionsansatz von PICs ist im Prinzip identisch mit dem herkömmlicher Mikroelektronik.Die Zunahme der Komplexität ergibt sich aus den Anforderungen der optischen Sondierung:Diese unterschiedlichen Anforderungen haben zwei Konsequenzen, und sie stehen im Widerspruch zu dem Vorschlag, dass CMOS-Wissen direkt auf PICs übertragen werden kann.Die erste Konsequenz ist, dass Montageprozesse für PICs von einigen zehn Sekunden bis zu mehreren zehn Minuten dauern, bis sie abgeschlossen sind, was strenge Anforderungen an die Komplexität der Maschinen stellt, die zur Erfüllung dieser Aufgaben ausgelegt sind.Es ist eine große Herausforderung, eine zufriedenstellend kurze Zykluszeit zu erreichen, ohne die Ausbeute zu gefährden, selbst wenn man die diskrete Montage von vereinzelten PICs in Geräten in Betracht zieht.Abbildung 4. Kopplung eines Faserarrays mit einem PIC unter Verwendung eines Ausrichtungssystems mit 6 Freiheitsgraden.Die zweite Konsequenz oder das zweite Problem besteht darin, dass die Testverfahren eine zusätzliche Ebene der Komplexität aufweisen, da PIC-Tests sowohl elektrische als auch optische Sondierungen erfordern.Jeder Messansatz beinhaltet seine eigenen parameterspezifischen Anforderungen (DC/Niederfrequenz und HF für elektrisch) sowie unterschiedliche Positionsgenauigkeiten.Um diese Probleme anzugehen, verwendet ein herkömmlicher hybrider optischer/elektrischer Sondenkopf für PICs im Allgemeinen ein Layout, das zuerst die anspruchsvolleren optischen Anforderungen erfüllt.ficonTEC verfolgt diesen Ansatz in einer Reihe von Initiativen und Projekten, und es wäre sehr nützlich für das Unternehmen, diese Anforderungen in einer echten Fertigungsumgebung zu untersuchen.Obwohl sie etwas veraltet sind, wird allgemein davon ausgegangen, dass die Front-End-Verfahren von PICs4 nur 20 % zu den Gesamtproduktionskosten beitragen, während Back-End-Prozesse (Montage, Verpackung und Prüfung) etwa 80 % ausmachen.Realistisch gesehen muss jetzt eine gepoolte Reihe von optischen und elektrischen Testverfahren erforscht werden, so dass es unpraktisch ist, in diesem Aspekt eine Übereinstimmung mit CMOS anzunehmen.Abgesehen davon kann vernünftigerweise davon ausgegangen werden, dass die Implementierung anerkannter Inline-Testinfrastrukturen und -verfahren im CMOS-Stil dazu beitragen kann, diese Back-End-Kosten zumindest so weit wie möglich zu minimieren.Aufgrund steigender Volumina ist eine Umstellung auf Wafer-Level-fähige Prozesse erforderlich.In der Waferumgebung können verschiedene optische Testparameter, die Gesamtstiftzahl und Kopplungstyp/-geschwindigkeit/-genauigkeit alle Probleme in der gesamten Prozesskette aufwerfen.Darüber hinaus werden thermische Überlegungen relevanter, da viele optische Merkmale, die auf einem PIC untergebracht sind, entweder Wärme erzeugen oder temperaturempfindlich sind.Da eine Nachbearbeitung nach einem Montageschritt in vielen Anwendungen nahezu unmöglich ist, machen die speziellen Anforderungen der PIC-Geräteherstellung das Testen zu einem immer zentraleren Bestandteil des Montagezyklus.Solche Probleme können gemildert werden, indem in der Entwicklungsphase sorgfältige Entwurfsprinzipien angewendet werden, indem explizit festgelegt wird, was getestet werden muss, wann und bis zu welchem Level die erforderlichen Tests stattfinden müssen, und indem ein geeigneter Testansatz bereitgestellt wird.Die Kopplung ist ein wichtiger Aspekt, der mit Sorgfalt angegangen werden muss.Die Kantenkopplung bietet einige praktische Vorteile,5 jedoch ist sie vor dem Zerteilen im Allgemeinen nicht zugänglich, es sei denn, es werden zusätzliche Prozessschritte eingeführt.Der Gerätezugriff auf Waferebene wird durch Gitterkoppler (VGCs) angeboten, wobei ein Ansatz VGCs als „nur Test“-Zwischenstrukturen während der gesamten Fertigung umfasst (entfernbare optische Testpunkte).6Ein anderer Ansatz verwendet eine Kombination aus beidem – die Oberflächenkopplung wird für das Testen auf Waferebene verwendet, selbst wenn das verpackte Gerät an der Kante gekoppelt wird.Es ist auch wichtig, die Charakterisierungsprozesse zu berücksichtigen, die sowohl auf Modulebene als auch als Gerätequalifizierungstest nach dem Prozess auftreten können.Die Inline-Charakterisierung und die endgültige Geräteprüfung können unterschiedliche Anforderungen haben.Diese Verfahren müssen auch alle anwendungsspezifischen Anforderungen wie Hermitizität und/oder Umweltanforderungen berücksichtigen, die zwischen Telcordia- und biomedizinischen Anwendungen sehr unterschiedlich sein können.Schließlich könnte es weitere Tests von Drittanbietern geben, die eingebunden werden müssen.In den meisten Fällen werden das Anordnungslayout und die damit verbundenen Prozessanforderungen in der PIC-Produktion von optischen Anforderungen vor elektrischen E/A-Anforderungen bestimmt.Das gesamte Spektrum an optischen, elektrischen, Befestigungs- und Layoutüberlegungen sollte so früh wie möglich erkundet werden, um spätere Konflikte zu minimieren.Leider beziehen sich diese Überlegungen jedoch immer noch hauptsächlich auf unmittelbare gerätespezifische Anforderungen, anstatt sich mit Aspekten wie automatisierter Assemblierung oder Skalierbarkeit zu befassen.Großserienprodukte neigen im Allgemeinen zu speziell zugeschnittenen Lösungen, die es Herstellern ermöglichen, die optimale Kombination aus Leistung, Größe und/oder Kosteneinsparungen zu erzielen.Die Erfahrung zeigt, dass sich ein „Optical First“-Ansatz als vorteilhafter erweisen kann.Eine Mischung aus praktischen Ideen für die Vorausrichtung optischer Sonden und für ein gewisses Maß an Parallelität für Tests auf Waferebene, die mit optischen/elektrischen Sondenansätzen kombiniert werden sollen, sind erforderlich.An einer verstärkten Automatisierung führt jedoch kein wirklicher Weg vorbei.ficonTEC hat für AIM Photonics7 ein neues Wafer-Level-Testersystem entwickelt.Dieser Tester wurde komplett mit robotergestützter Waferbeladung geliefert – eine von mehreren parallelen Aktivitäten, die für einen höheren Grad an Photonik-Integration entwickelt wurden.Mit automatisierten Testzyklen sowohl für Kantenkoppler als auch für vertikale Gitter wurde das System entwickelt, um alle optischen und elektrischen Testverfahren sowohl für Wafer-Level- als auch für vereinzelte Chips flexibel unterzubringen.Ein weiterer Weg zur Produktion kleiner und mittlerer Stückzahlen von verpackten PICs wird über eine Partnerschaft mit PIXAPP.8 Lösungen angeboten, die für vier verschiedene Anwendungsbereiche – Datenkommunikation und Telekommunikation, Fasersensorik und Biosensorik – entwickelt werden, von denen jeder seine eigenen Besonderheiten besitzt Herausforderungen in Bezug auf erwartete Zuverlässigkeit, Kostenauswirkungen und Verpackung.Die Beziehung wurde vom Tyndall National Institute in Cork, Irland, organisiert.9 PIXAPP bietet industriellen Anwendern einen zentralen Zugriff auf einen umfassenden Überblick über die PIC-Lieferkette und verbindet Design-Tools mit vollautomatischen Test-, Montage- und Verpackungssystemen.ficonTEC hofft, durch diese langfristige Arbeit mit einer Vielzahl von Partnern und ihren spezifischen Bedürfnissen ein besseres Verständnis der PIC-Montage- und Testanforderungen in verschiedenen Marktsegmenten zu erlangen.Abbildung 5. Hauptschwerpunkte der Pilotlinie für PIXAPP-Photonikverpackungen.Bildnachweis: PIXAPPficonTEC hat auch mit zahlreichen hochkarätigen globalen Technologieführern zusammengearbeitet und an Projekten mitgewirkt, die derzeit Wafer-Level-Prozesse in der Produktion verwenden.Dies hat zu erheblichen Erfahrungsgewinnen geführt.Die oben skizzierten Ideen und Beispiele spiegeln sich in den Synopsen einiger dieser Projekte wider:ficonTEC arbeitet mit den Entwicklungsteams eines Kunden zusammen, um deren Bedürfnisse vollständig zu verstehen, indem es entweder direkt mit dem Kunden zusammenarbeitet, um die erforderlichen Systeme zu entwickeln, oder diese innerhalb des Rahmens und der Fähigkeiten des verfügbaren Systems abstimmt.In einigen Fällen beaufsichtigen diese Partnerschaften bereits die Implementierung wesentlicher Prozess- und Systemänderungen, die für die Aufwärtsskalierung der Produktion erforderlich sind.Diese Implementierungen sehen jedoch nicht nur vor, dass mehrere Produktionslinien parallel mit denselben Aufgaben laufen.Eine zusätzliche Kontrollebene ist in Form eines gemeinsamen Revisionskontrollservers vorhanden.Damit können neben systemweiten Updates auch einzelne Prozessupdates automatisiert und aus der Ferne durchgeführt werden.Die Einführung dieser fortschrittlichen Automatisierungsverfahren wird bald für jedes Unternehmen unvermeidlich sein, das zu höheren Produktionszahlen übergeht und gleichzeitig hofft, die Produktionskosten gegen die Ausgereiftheit der Geräte auszugleichen.Während es eine Reihe von Hindernissen für die schnelle Montage und Prüfung von PICs geben kann, kann die Produktion photonischer Bauelemente durch verbesserte Automatisierung und Prozessentwicklung verbessert werden.Wie bei der Mikroelektronik werden die Standards entwickelt, die das übergreifende Ökosystem diktieren, und diese Standards werden letztendlich zu leistungsfähigeren Test- und Montagesystemen führen.Die Arbeit von ficonTEC in den Bereichen Test, Montage und Verpackung für photonische Geräte wächst weiter.Das Know-how stammt aus der Installation von mehr als 800 Systemen weltweit seit 2001. Diese Erfahrung hat auch gezeigt, dass Anfragen für neue Systeme auch heute noch fast ausschließlich sehr unterschiedliche Anforderungen beinhalten.Zentrales Thema bei der Entwicklung all dieser Systeme war die zeitgerechte Gestaltung des Produktionsprozesses unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Werkzeugpalette.Diese Informationen wurden aus Materialien der ficonTEC Service GmbH bezogen, überprüft und angepasst.Weitere Informationen zu dieser Quelle finden Sie unter ficonTEC Service GmbH.Bitte verwenden Sie eines der folgenden Formate, um diesen Artikel in Ihrem Essay, Ihrer Arbeit oder Ihrem Bericht zu zitieren:ficonTEC Service GmbH.(2020, 20. Oktober).PIC-Montage und -Test für hohe Stückzahlen.AZoM.Abgerufen am 17. September 2022 von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=19247.ficonTEC Service GmbH."PIC-Montage und -Test mit hohem Volumen".AZoM.17. September 2022.