一种光电模块气密性组装方法与流程

本发明属于光电器件制造技术领域，具体涉及一种光电模块气密性组装方法。

背景技术：

在现代信息网络中，光传输由于因其容量大、体积小、重量轻、传输距离远，稳定性好、功耗低、抗干扰能力强等优点，在信息传输、信号处理等领域占据着主导地位。作为光传输的核心，多路收发一体的光电模块在高速高宽带数据传输、信号处理、光纤通信、自动控制和计算机等许多方面具有非常广阔的应用前景。

目前研制出的光电收发模块产品均采用胶封工艺进行封装，但胶封工艺由于温度、水汽等环境因素的影响，并不能保证产品长期、稳定的气密性。所以，尚未研发出真正意义上的气密性产品。由于航天军工领域对产品可靠性，特别是气密性，有极高的要求，在可靠性等方面，现有的光电模块不能满足高端武器和宇航装备、重点武器型号的应用。因此，光电模块气密性组装工艺亟待探索。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种光电模块气密性组装方法，实现光纤与管座侧壁的气密性连接，可保证产品满足航天器件的气密性要求。

为达到上述目的，本发明所述一种光电模块气密性组装方法包括以下步骤：

步骤1、制备aln散热板、管座和金属转接头，将vcsel芯片粘接到aln散热片上，将aln散热片粘接到ltcc陶瓷基板上，将ltcc陶瓷基板粘接到管座中；

步骤2、将金属转接头焊接到金属化光纤的一端上，金属化光纤的另一端去金属化成为裸光纤；制作v型槽，将裸光纤放入v型槽中，并在v型槽上盖上固定板，将v型槽与金属转接头的距离调整至设计值，然后将光纤固定在v型槽中；

步骤3、将金属化光纤穿过管座侧壁的光纤接口；

步骤4、将v型槽和管座放在光学平台上；

步骤5、给vcsel激光器通电，vcsel激光器的光线耦合进金属化光纤，然后对金属化光纤导出的光进行实时功率测量；

步骤6、调整v型槽的位置，同时观察激光功率计的实时测量值，测量值与vcsel输出的光功率之比视为耦合效率，当耦合效率大于50％时，对位成功，进行步骤7，若始终不能对位成功，进行步骤1，重新开始组装；

步骤7、将v型槽固定在ltcc陶瓷基板上，将金属转接头和管座侧壁的光纤接口焊接；

步骤8、将光电模块的盖板焊接到管座上。

进一步的，将光源和接收器粘接到aln散热板，以及aln散热板粘接到模块基板上，均使用绝缘胶作为粘接剂，绝缘胶固化温度为150℃，耐温300℃；ltcc陶瓷基板粘接到管座上，使用导热胶作为粘接剂，导热胶固化温度为150℃，耐温为210℃；金属转接头焊接到金属化光纤上，所用焊料的熔点大于250℃，焊接温度为310℃，焊接时间20s；金属化光纤与v型槽的固定以及v型槽与ltcc陶瓷基板的固定，均采用为低温固化聚酰亚胺作为粘接剂，低温固化聚酰亚胺的固化温度为160℃，耐温为334℃；金属转接头和光纤接口焊接时，所用焊料为熔点小于170℃的焊料，焊接温度为200℃，焊接时间为20s。

进一步的，在步骤3之前，将与激光器或接收器耦合的v型槽与金属化光纤的端面进行研磨，使v型槽与金属化光纤的端面与水平面之间的夹角为45°～60°。

进一步的，与光源及探测器相对的v型槽与金属化光纤的端面研磨后，在金属化光纤的端面上镀一层反射膜。

进一步的，步骤1中，金属转接头为台阶轴，光纤接口上设置有若干与金属转接头相适配的台阶孔，当金属转接头伸入台阶孔时，金属转接头和台阶孔间隙配合。

进一步的，金属化光纤的涂覆层为金或镍。

进一步的，步骤6中，采用多轴微位移平台对v型槽的位置进行调整。

进一步的，步骤8中，通过激光缝焊或平行缝焊将光电模块的盖板与管座焊接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

1)使用焊接工艺实现光电模块的气密性组装，能长期、稳定的保证产品的气密性及可靠性。

2)以金属化光纤作为信号传输介质，便于光电模块的气密性组装。同时设计金属转接头

及管座接口，便于与光纤与管座的气密性连接。

3)设计了工艺温度梯度及组装顺序，保证各工序的工艺温度从高到低，不会相互干扰。保证光电模块的气密性组装。

附图说明

图1是气密性光电模块工艺流程图；

图2是气密性光电模块金属化光纤及金属转接头结构示意图；

图3是气密性光电模块管座及侧壁接口示意图；

图4是气密性光电模块光纤与管座气密性配合连接示意图；

图5气密性光电模块工艺流程图；

图6a是气密性光电模块光纤排丝定位示意图；

图6b为图6a的左视图；

图6c为图6a的俯视图；

图7是气密性光电模块金属化光纤及金属转接头结构示意图；

图8是图7的分解图；

图9是气密性光电模块管座及侧壁接口示意图；

附图中：1-金属化光纤，2-金属转接头，3-固定板，4-v型槽，5-管座，6-焊料环，7-ltcc陶瓷基板，8-可伐管，9-可伐焊接框，10-玻璃盖板，11-光纤接口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

以下分别介绍单路光电模块气密性组装的工艺方法和多路光电模块气密性组装的工艺方法。

一、参照图1，单路光电模块气密性组装方法，包括以下步骤：

步骤1、根据设计要求制备aln散热板、管座5和金属转接头2，将vcsel芯片粘接到aln散热片上，将aln粘接到已布线和表贴好元器件的ltcc陶瓷基板上，将ltcc陶瓷基板粘接到管座5中，通过键合实现模块电联通，将管座固定在光学平台上；

按照光纤纤径在一块玻璃上加工若干依次排列的v型槽4，将金属转接头焊接到金属化光纤1一端上，金属化光纤1的另一端去金属化成为裸光纤，将裸光纤一字排列v型槽中，每个v形槽中一根金属化光纤1，并在v型槽4上方盖一片玻璃的固定板3，根据设计要求通过夹具夹持调整v型槽与金属转接头的距离，通过粘接剂将光纤固定在v型槽中。

步骤2、将v型槽与光纤整体与激光器和接收器耦合的端面进行研磨，使端面与水平面之间的夹角为45°。在与光源或探测器相对的光纤端面镀反射膜，使光线经45°反射面耦合进光纤,提高模块的耦合效率。

步骤3、将光纤由内向外或自外向内穿过管座侧壁的光纤接口，管座5侧壁设置有可伐管8，管座5上设置有可伐焊接框9，v型,4水平方向的一端在管座内，金属转接头2上套按设计尺寸加工好的焊料环6，且台阶状的金属转接头2与管座5侧壁台阶状的光纤接口11紧密配合。

步骤4、将v型槽4固定在夹具上，夹具固定在多轴微位移平台上，位移平台和管座5均固定在防振光学平台上。

步骤5、vcsel激光器通电工作，vcsel激光器的光线耦合进光纤，光纤尾端通过夹具耦合进激光功率计，用激光功率计对光纤导出的光进行实时功率测量。

步骤6、通过多轴微位移平台对v型槽的位置进行x,y,z方向进行调整，同时观察激光功率计的实时测量值，测量值与vcsel输出的光功率之比可视为耦合效率，当耦合效率大于50％时，对位成功，进行步骤7；若耦合效率始终小于50％，视为废品，自步骤1开始选用新的原料重新组装。

步骤7、对位成功后，将v型槽固定在ltcc陶瓷基板上，通过焊接使金属转接头2和管座5侧壁的光纤接口11实现气密性连接。

步骤8、通过平行缝焊或激光焊将光电模块的盖板焊接到管座5上，实现光电模块的气密性封装。

二、参照图5，多路光电收发一体模块气密性组装方法包括以下步骤：

多路光电收发一体模块气密性组装的工艺方法如图5所示，

步骤1、根据设计要求制备aln散热板和管座5，将vcsel和pd芯片粘接到aln散热片上，将aln粘接到已布线和表贴好元器件的ltcc陶瓷基板上，将ltcc陶瓷基板粘接到管座中，通过键合实现模块电联通，将管座固定在光学平台上。

按照vcsel和pd芯片阵列的间距及金属化光纤1的纤径加工玻璃“v型槽”，将金属转接头焊接到金属化光纤1上，金属化光纤1另一端去金属化成为裸光纤，将裸光纤卡在v型槽中，并在v型槽上方盖一片玻璃的固定板3，根据设计要求调整v型槽到金属转接头的距离，通过粘接剂将光纤固定在v型槽4中。

步骤2、v型槽4与金属化光纤1整体进行端面研磨，使端面呈45°角。金属化光纤1的端面镀反射膜，使光线经45°反射面耦合进光纤。

步骤3、将光纤阵列由内向外穿过管座侧壁的光纤接口，v型槽一端在管座内，金属转接头2上套了按设计尺寸加工好的焊料环6，并且台阶状的金属转接头2与管座侧壁上固定的台阶状的光纤接口11紧密配合。

步骤4、通过夹具固定v型槽4，夹具固定在多轴微位移平台上，位移平台和管座均固定在防振光学平台上。

步骤5、vcsel通电工作，光线耦合进光纤，在与vcsel对应光纤阵列中，至少将光纤阵列最外侧的两根光纤通过夹具分别耦合进激光功率计，激光功率计对光纤导出的光进行实时功率测量。

步骤6、通过多轴微位移平台对v型槽4的位置进行调整，同时观察激光功率计的实时测量值，测量值与vcsel输出的光功率之比可视为耦合效率，当两根光纤的耦合效率均大于50％时，对位初步成功。若耦合效率始终小于50％，视为废品，自步骤1开始选用新的原料重新组装。

对于与pd对应的光纤，需要用激光器与之耦合，同时监测pd的反馈信号，并对位移平台进行微调。

当与vcsel对应的光纤耦合效率大于50％，且所有pd的反馈信号均正常时，对位最终成功。

步骤7、对位成功后，将v型槽固定在基板上，通过焊接使金属转接头和管座侧壁光纤接口实现气密性连接。

步骤8、通过平行缝焊或激光焊将光电模块的盖板焊接到管座上，实现光电模块的气密性封装。

上述单路或多路光电收发一体模块气密性组装的工艺步骤中：

以金属化光纤作为信号传输介质，便于光纤与管座的焊接以及光电模块的气密性封装。该光纤的金属涂覆层可以是镍、金等金属及其多层组合，且厚度大于等于20微米。光纤金属化工艺可以是蒸发、溅射、化学气相沉积、电镀、化学镀、分子束外延等方法。

金属转接头及管座侧壁光纤接口，二者在结构上一凹一凸，其中金属转接头为“凸”形结构，管座侧壁接口为“凹”形结构，便于与光纤与管座的配合及气密性连接。金属转接头与管座侧壁接口配合时，光纤尾纤自内向外或自外向内穿过管座侧壁接口，金属转接头在管座侧壁内侧与管座接口配合。所涉及的模块管座可以是金属管座、陶瓷管座、金属-陶瓷管座。所涉及的金属转接头可以是每根光纤对应一个转接头，也可以是多跟光纤对应一个整体的转接头。所涉及的管座侧壁接口可以是每根光纤分别对应一个接口，也可以是多跟光纤整体对应一个接口。

使用熔点大于250℃的焊料将金属化光纤与金属转接头进行气密性连接，如ausn20合金焊料，该焊料熔点为280℃，焊接温度310℃，时间20s。使用熔点不超过170℃的焊料将金属转接头与管座接口进行气密性连接，如铟合金焊料，熔点为170℃，焊接温度200℃，时间20s。在选择焊料时充分考虑焊料熔点及加工顺序，保证模块整体加工的工艺温度梯度是由高到低的。

涉及的多路光纤高精度排丝定位工艺，使用长方体形状的石英玻璃刻出“v形槽”，刻槽精度小于等于0.5微米，使用低温固化聚酰亚胺作为光纤固定粘接剂，该粘接剂固化温度为160℃，可耐334℃的高温，大于金属转接头和管座焊接时所使用的焊料的熔点，以保证先对位、后气密性封装的工艺顺序。与模块光源及探测器相对的光纤端口和v形槽作为一个整体进行研磨处理，光纤及v形槽整体角度为45°～60°，以保证模块光源与光纤的耦合效率。

涉及的多路光纤高精度对位固定工艺，使用多轴微位移平台配合工装夹具进行光纤与模块光源及探测器的对位，使用低温固化聚酰亚胺作为固定粘接剂将对位好的光纤及v形槽整体固定在陶瓷基板上，该粘接剂固化温度为160℃，可耐334℃高温，大于金属转接头和管座焊接时所使用的焊料的熔点，以保证先对位、后气密性封装的工艺顺序。

设计工艺温度梯度及组装顺序，保证光电模块的气密性组装。具体的工艺温度梯度及组装顺序为：

光源和接收器粘接到aln散热板，使用绝缘胶作为粘接剂，固化温度150℃，耐温300℃；

aln散热板粘接到模块基板上，使用绝缘胶作为粘接剂，固化温度150℃，耐温300℃；

模块基板粘接到管座上，使用导热胶作为粘接剂，固化温度150℃，耐温210℃；

金属转接头焊接到金属化光纤上，所用焊料可以是ausn20合金及其他熔点大于250℃的焊料，焊接温度310℃，焊接时间20s，焊接方式可以是再流焊、气体保护焊及其他焊接工艺；

光纤固定在v型槽中，使用低温固化聚酰亚胺作为粘接剂，固化温度160℃，耐温334℃；

v型槽固定在模块基板上，使用低温固化聚酰亚胺作为粘接剂，固化温度160℃，耐温334℃；

将金属转接头和管座侧壁光纤接口焊接在一起，实现气密性连接，所用焊料可以是铟合金及其他熔点小于170℃的焊料，焊接温度200℃，焊接时间20s，焊接方式可以是再流焊、气体保护焊及其他焊接工艺。

本发明通过使用金属化光纤作为传导光纤、对管座接口和金属转接头进行结构设计、使用焊接工艺而非胶封工艺、设计合理的工艺温度梯度及组装顺序，实现了光电模块气密性封装。本发明涉及的光电模块气密性组装的工艺方法，可保证产品满足航天器件的气密性、可靠性要求，满足耐湿、抗振动、耐机械冲击和热循环等苛刻的工作环境，生产的光电模块可广泛应用于战机数据总线，电子侦察系统，大吞吐量数据传输和系统互连等领域同时适应于星载、舰载、深海及高海拔等环境。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明思路的前提下，还可以设计若干光电模块气密性封装的工艺方法，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。