一种Y波导集成光学器件芯片剪切试验工装及剪切方法与流程

本发明涉及一种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装及剪切方法，属于剪切试验工装技术领域。

背景技术：

y波导集成光学器件是光纤陀螺中的关键光电子器件，集分光/合光、起偏/检偏、调制多个功能于一体，采用y波导集成光学器件的闭环光纤陀螺是光纤陀螺的主流方案。我国经过近三十余年的研究和发展，光纤陀螺目前已经在海陆空天多个领域实现了工程化应用。在工程化应用过程中，y波导集成光学器件长寿命和可靠性就显得格外重要。

破坏性物理分析(dpa)是评价器件可靠性的有效手段之一。针对y波导集成光学器件的结构特征和工艺特点，芯片剪切力测试是重要的dpa必做项目，该项试验用于评价芯片与管壳以及芯片与光纤固定块之间的粘接质量。如果粘接强度不足，会导致器件在环境应力下出现耦合移位直至失效。一般y波导集成光学器件芯片和光纤固定块之间存在15度角度偏差，通常的芯片剪切测试仪的推刀是垂直向下，做剪切力时沿着光纤固定块的侧面做平推，这样由于剪切力的方向与粘接面不平行而是存在角度，导致测试得到的剪切力无论朝向着芯片方向还是背离芯片方向施加力都偏大，对器件实际粘接强度无法做出正确判断。

目前，国内外未见关于y波导集成光学器件芯片剪切的专利和文章。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：提供一种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装。采用本发明的办法，可以准确测量出芯片与光纤固定块之间的剪切力。

本发明的技术解决方案是：一种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装，包括：两个夹持块、基座、调节螺栓、推刀、测试头；

两个夹持块能够在基座上沿轴向运动；两个夹持块相对的上表面边缘分别设置有相同的下凹式台阶状沟槽，两个夹持块的下凹式台阶状沟槽相对设置用于夹持y波导集成光学器件；

调节螺栓设于基座一侧，能够调节两个夹持块的间距；推刀的剪切面为平面，能够向y波导集成光学器件施加推力。

还包括测试头，能够实时采集推刀施加在y波导集成光学器件上的力，并输出y波导集成光学器件芯片和光纤固定块能够承受的最大推力。

y波导集成光学器件，包括：金属管壳、芯片、光纤固定块、光纤以及电极引线；在金属管壳内部，光纤一端固定于光纤固定块上，另一端通过粘接胶固定于金属管壳上，并穿过金属管壳延伸至金属管壳外；芯片的两侧粘接有光纤固定块，其中一侧为一个，另一侧为两个，金属管壳为中空长方体，中空长方体的底面向内凸起形成底座，芯片粘接固定在底座上；光纤固定块位于金属管壳内，与金属管壳不接触；电极引线键合在金属管壳引线柱与芯片电极上。

金属管壳两侧或一侧设有向外突起的安装件，安装件被两个夹持块的下凹式台阶状沟槽相对设置形成的夹持部分夹住。

光纤固定块的形状为：横截面为直角梯形的长方体，直角梯形的斜边所对应的腰所在的面与芯片的侧面粘接。

光纤固定块的厚度大于芯片的厚度。

推刀为“l”型，包括水平部分和垂直部分，“l”型推刀的水平部分为圆柱体，一端为推刀的剪切面，另一端与“l”型推刀的垂直部分连接。垂直部分安装在测试头上，能够控制推刀的水平部分沿直线运动，并控制推刀的水平部分的歩进距离。

推刀进行剪切时，水平部分一端的剪切面对准光纤固定块的上表面即直角梯形面，沿光纤固定块的上表面的垂直方向，从远离光纤固定块的上表面位置向着光纤固定块的上表面运动，当接触到光纤固定块后继续运动，输出芯片与光纤固定块分离或达到推力上限值时，推刀施加在光纤固定块上的推力；

夹持块上设置的下凹式台阶状沟槽的深度与宽度与y波导集成光学器件的金属管壳的底部厚度匹配，使被剪切的y波导集成光学器件牢固固定于两个夹持块的下凹式台阶状沟槽间。

下凹式台阶状沟槽的中央设有矩形槽，用来放置y波导集成光学器件的引线或光纤固定块引出的光纤。

推刀为“l”型，水平部分一端的剪切面为圆形。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过夹持基座夹持块的两级下凹式台阶状沟槽设置，便于不同底板厚度的器件夹持的更加牢固，同时便于器件垂直放置时，调节器件露出夹持块的高度；

(2)本发明在夹持块下凹式台阶状沟槽的中央设有矩形槽，对于有引线或光纤的器件，当器件垂直放置时，便于通过此矩形槽放置器件引线或光纤；

(3)本发明l型推刀的设计，使推刀与接触光纤固定块的平面垂直，同时使施加于光纤固定块表面的力与芯片粘接面平行，因此，y波导芯片与光纤固定块之间剪切力的测试结果更加准确。本发明克服y波导集成光学器件dpa芯片剪切测试存在不准确问题，采用“l”型推刀和夹持基座解决了上述问题，该测试方案得到应用取得很好的测试效果。

(4)本发明“l”型推刀水平部分设计成不同直径尺寸的圆柱体，根据y波导集成光学器件光纤固定块的大小，选择适宜直径尺寸的推刀，使推刀的接触面与光纤固定块尺寸相匹配。

(5)本发明采用采用带有下凹式台阶状沟槽且中央设有矩形槽的夹持基座水平或垂直夹持器件，利用“l”型推刀确保推刀施加力的方向与粘接面平行，使y波导集成光学器件芯片剪切力测试结果更加准确。

附图说明

图1y波导集成光学器件内部结构图。

图2y波导集成光学器件芯片剪切试验工装夹持基座示意图。

图3“l”型推刀进行芯片与光纤固定块之间剪切力的示意图。

图4芯片剪切强度标准。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装，包括夹持基座和“l”型推刀两部分。夹持基座分为两个水平夹持块和基座，在两个水平夹持块相对的上表面边缘设有下凹式台阶状沟槽，用来夹持不同底板厚度的器件；在下凹式台阶状沟槽的中央设有矩形槽，当器件垂直放置时，用来放置器件引线或光纤；在两个夹持块下方的长方形基座上，设有螺纹配合的调节螺栓，通过调节螺栓可以调节夹持块的间距；同时基座用来和剪切力测试仪载台固定。“l”型推刀是在原有垂直推刀的基础上增加一段水平部分，水平部分呈圆柱体，这样保证了圆柱体与接触芯片的平面垂直。本发明采用带有下凹式台阶状沟槽且中央设有矩形槽的夹持基座水平或垂直夹持器件，利用“l”型推刀确保推刀施加力的方向与粘接面平行，使y波导集成光学器件芯片剪切力测试结果更加准确。

本发明的y波导集成光学器件结构主要包括：金属管壳、芯片、光纤固定块、光纤以及电极引线，内部结构如图1所示。在金属管壳内部，光纤一端固定于光纤固定块上，另一端通过粘接胶固定于金属管壳上，并穿过金属管壳延伸至金属管壳外；芯片的两侧粘接有光纤固定块，其中一侧为一个，另一侧为两个，金属管壳为中空长方体，中空长方体的底面向内凸起形成底座，芯片粘接固定在底座上；光纤固定块位于金属管壳内，与金属管壳不接触；电极引线键合在金属管壳引线柱与芯片电极上。

y波导集成光学器件将光束分/合、光的调制和光的起偏/检偏多项功能集为一体。其中，芯片起到核心作用，它是由制作在linbo3衬底上的y分支构成，在y分支波导的两臂上制作两个推挽结构的相位调制器，通过在y分支的基波导上进行金属涂覆或者通过质子交换产生单模偏振波导来获得偏振滤波。光纤为光传输的介质，光纤固定块负责将光纤与芯片耦合在一起。

本发明的一种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装，包括：两个夹持块、基座、调节螺栓、推刀、记录模块。

对于夹持基座的设计，考虑器件为长方形的金属管壳且两端带光纤的结构，因此夹持器件的工装设计为两个平行的金属夹持块，靠丝杠通过调节螺栓控制两个夹持块的间距来机械夹持器件，y波导集成光学器件芯片剪切试验工装夹持基座示意图如图2所示。夹持块能够在基座上沿轴向运动，两个夹持块相对的上表面边缘分别设置有相同的下凹式台阶状沟槽，沟槽的设置用于夹持y波导集成光学器件，而且沟槽的深度与宽度与y波导集成光学器件的金属管壳的底部厚度相匹配，使y波导集成光学器件牢固固定于两个夹持块的下凹式台阶状沟槽间。同时为了解决y波导集成光学器件垂直放置时电极引线和光纤的放置问题，下凹式台阶状沟槽的中央开设有矩形槽。

对于推刀的设计，优选考虑y波导集成光学器件芯片和光纤固定块之间存在15度角度偏差，保证剪切力测试结果的准确性，剪切力优选平行于剪切面，即从光纤固定块的上表面施加剪切力。光纤固定块的横截面优选为直角梯形的长方体，直角梯形的斜边所对应的腰所在的面与芯片的侧面粘接，且光纤固定块下方刚好是悬空的，芯片剪切测试仪的推刀只能施加水平方向的推力，因此，y波导集成光学器件芯片和光纤固定块之间的剪切力测试，优选采用l型推刀，而且器件需垂直放置，l型推刀进行芯片与光纤固定块之间剪切力的示意图如图3所示。

l型推刀包括水平部分和垂直部分，l型推刀的水平部分为圆柱体，一端为推刀的剪切面，另一端与l型推刀的垂直部分连接。垂直部分安装在测试头上，能够控制推刀的水平部分沿直线运动，并控制推刀的水平部分的歩进距离，以及实时采集推刀施加在y波导集成光学器件上的力。

对于推刀的材质，优选用高强度的不锈钢。l型推刀的设计，优选推刀水平部分的剪切面为圆形的平面，使推刀的剪切面与接触光纤固定块的平面平行，而且，l型推刀水平部分根据光纤固定块的尺寸设计成不同直径的圆柱体，优选光纤固定块上表面直角梯形面的高1.45mm～1.55mm，推刀水平部分的圆柱体直径则为1.45mm～1.55mm，这样，可以使推刀的剪切面的边缘与芯片粘接处紧密接触减少力矩而又对光纤固定块充分均匀施加推力。因此，根据y波导集成光学器件光纤固定块的大小，选择适宜直径尺寸的推刀，使推刀的剪切面与光纤固定块尺寸相匹配，y波导集成光学器件芯片与光纤固定块之间剪切力的测试结果才会更加准确。

y波导集成光学器件芯片剪切试验工装，利用带有下凹式台阶状沟槽的水平夹持块夹持不同底板厚度的器件；优选在下凹式台阶状沟槽的中央设有矩形槽，当器件垂直放置时，用来放置器件引线或光纤；利用l型推刀对光纤固定块表面垂直施加力，保证施加于光纤固定块表面的力与芯片粘接面平行。

利用两个水平夹持块，在两个夹持块相对的上表面边缘设有两级下凹式台阶状沟槽，根据被测y波导集成光学器件管壳底板厚度选择适当沟槽，并水平或垂直放置于沟槽中，通过调节基座的螺栓调节夹持块的间距，使被测y波导集成光学器件牢固固定于夹持块间。

在下凹式台阶状沟槽的中央设有一个矩形槽，当器件垂直放置被夹持时，矩形槽用来放置器件引线或光纤。

l型推刀是在原有垂直推刀的基础上增加一段水平部分，水平部分呈圆柱体，这样保证了圆柱体与接触光纤固定块的平面垂直，同时使施加于光纤固定块表面的力与芯片粘接面平行。

本发明的一种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装，优选配合一种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装的剪切方法，使得剪切精度和效果更佳，该种y波导集成光学器件芯片剪切试验工装的剪切方法，步骤如下：

(1)安装测试头，将需要的剪切力测试头从悬挂处拉出，将测试头与设备前方的安装槽对齐后，缓慢将测试头推向里侧，使测试头左侧的接口与设备接口对接紧密，然后将上方螺丝拧紧，测试头安装完毕。

(2)安装推刀，根据y波导光纤固定块以及管壳腔体体积的大小，选择适宜直径尺寸的推刀，并将推刀安装在测试头上。

(3)y波导集成光学器件放置，将y波导集成光学器件管壳垂直放置于夹持块间并通过调节螺栓使夹持块夹紧金属管壳。

(4)推刀位置设定，通过调节y波导集成光学器件与推刀位置，将推刀水平部分与光纤固定块水平对齐，并且推刀水平部分接触面尽量靠近芯片与光纤固定块的粘接面。

(5)依次设置(可以采用软件设置)量程、测试类型、测试速度、测试力阈值、最大测试力、着陆速度、剪切高度、超出行程、最大剪切距离等。这些参数设置比较关键的是测试力阈值和剪切高度。

(6)推力测试实施，当推刀位置和软件设置好后，实施推力测试。

推力测试即测试光纤固定块脱离情况以及光纤固定块在附着材料上的残留面积等。

推力测试后，优选的光纤固定块脱离情况的类别有四种：

①光纤固定块在附着材料上的残留大于附着区面积的50％；

②光纤固定块在附着材料上的残留小于附着区面积的50％，并大于附着区面积的10％；

③光纤固定块在附着材料上的残留面积小于附着区面积的10％；

④超量程，光纤固定块未切掉。

根据脱离情况确定失效判据，光纤固定块剪切强度标准如图4所示。失效判据：符合以下任一条判据均应视为失效。

a)达不到图4中1.0倍曲线所表示的光纤固定块强度要求；

b)使光纤固定块与芯片脱离时施加的力小于图4中标有1.0倍的曲线所表示的最小强度的1.25倍，同时光纤固定块在附着材料上的残留小于附着区面积的50％，并大于附着区面积的10％；

c)使光纤固定块与芯片脱离时施加的力小于图4中标有1.0倍曲线所表示的最小强度的2.0倍，同时光纤固定块在附着材料上的残留小于附着区面积的10％。

y波导集成光学器件光纤固定块与芯片剪切力测试，采用“l”型推刀和垂直推刀对比测试。“l”型推刀做剪切力时按照如图3的方法，剪切力的方向与粘接面平行；垂直推刀则沿着光纤固定块的侧面做平推，剪切力的方向与粘接面不平行，存在一定角度。

通过“l”型推刀和垂直推刀对y波导集成光学器件光纤固定块与芯片的剪切力进行对比测试，结果对比见表1。可见，采用“l”型推刀的剪切力均值比垂直推刀得到的剪切力均值小，能降低35％，而且采用

“l”型推刀的剪切力最小值根据脱离模式存在不合格情况，垂直推刀则得到的剪切力都合格。因此，采用“l”型推刀能真实测试剪切力，并且识别出不合格器件。

表1光纤固定块与芯片剪切力采用“l”型推刀与垂直推刀结果对比

如图1所示，y波导集成光学器件neibu结构图，主要包括：金属管壳、芯片、光纤固定块、光纤以及电极引线；在金属管壳neibu，光纤一端固定于光纤固定块上，另一端通过粘接胶固定于金属管壳上，并穿过金属管壳延伸至金属管壳外；芯片的两侧粘接有光纤固定块，其中一侧为一个，另一侧为两个，金属管壳为中空长方体，中空长方体的底面向内凸起形成底座，芯片粘接固定在底座上；光纤固定块位于金属管壳内，与金属管壳不接触；电极引线键合在金属管壳引线柱与芯片电极上。

如图2所示，本发明的夹持基座，根据y波导集成光学器件的底板厚度放置于相应高度台阶状沟槽内，通过基座底部的调节螺栓控制两个夹持块的间距，用于将器件牢固固定于夹持基座内。如果进行芯片与光纤固定块之间的剪切力测试，需要将器件管壳垂直放置并夹紧。

推刀进行剪切时的优选方案为：水平部分一端的剪切面对准光纤固定块的上表面即直角梯形面，沿光纤固定块的上表面的垂直方向，从远离光纤固定块的上表面位置向着光纤固定块的上表面运动，当接触到光纤固定块后继续运动，输出芯片与光纤固定块分离或达到推力上限值时，推刀施加在光纤固定块上的推力。

推刀优选为“l”型，水平部分一端的剪切面为圆形。

如图3所示，本发明的“l”型推刀，当进行芯片与光纤固定块之间剪切力测试时，将器件管壳垂直放置并通过调节螺栓使器件被加夹持块夹紧，此时芯片朝向推刀，优选推刀接触部分与光纤固定块表面近似呈90度，调节推刀的高度和水平位置，使推刀接触部分位于光纤固定块对齐，推刀在光纤固定块上均匀用力，得到准确的剪切力测试值。

如图4所示，芯片剪切强度优选标准为：若芯片粘接面积大于4.13mm²，应最小承受25n的力或其倍数；当芯片粘接面积大于或等于0.32mm²，但不大于4.13mm²时，芯片承受的最小应力(可通过图4确定)；当芯片粘接面积小于0.32mm²，应承受的最小力为(0.1倍)时的6n/mm²或(2倍)时的12n/mm²。通过芯片剪切强度优选标准的设定，实现了芯片承受应力的情况确定，从而实现剪切精度的提高。

本发明通过夹持基座夹持块的两级下凹式台阶状沟槽设置，便于不同底板厚度的器件夹持的更加牢固，同时便于器件垂直放置时，调节器件露出夹持块的高度；在夹持块下凹式台阶状沟槽的中央设有矩形槽，对于有引线或光纤的器件，当器件垂直放置时，便于通过此矩形槽放置器件引线或光纤；

“l”型推刀的设计，使推刀与接触光纤固定块的平面垂直，同时使施加于光纤固定块表面的力与芯片粘接面平行，因此，y波导芯片与光纤固定块之间剪切力的测试结果更加准确。“l”型推刀水平部分设计成不同直径尺寸的圆柱体，根据y波导集成光学器件光纤固定块的大小，选择适宜直径尺寸的推刀，使推刀的接触面与光纤固定块尺寸相匹配。

本发明采用带有下凹式台阶状沟槽且中央设有矩形槽的夹持基座水平或垂直夹持器件，利用l型推刀确保推刀施加力的方向与粘接面平行，使y波导集成光学器件芯片剪切力测试结果更加准确。