隨機振動加載條件下焊點形態參數對板級光互連模塊對準偏移影響分析

隨機振動加載條件下焊點形態參數對板級光互連模塊對準偏移影響分析

黃春躍1，吳松1，梁穎2，李天明3，郭廣闊1，熊國際1，唐文亮1

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院，桂林 541004； 2.成都航空職業技術學院 電子工程系，成都 610021； 3.桂林航天工業學院 汽車與動力工程系，桂林 541004)

摘要：建立了光互連模塊有限元分析模型并進行隨機振動加載有限元分析，獲取了垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)與耦合元件間的對準偏移；采用水平正交表設計了不同焊點結構參數組合并建立有限元模型，獲取了對準偏移數據并進行方差分析。結果表明：在隨機振動加載后，光互連模塊VCSEL與耦合元件間會產生水平、垂直、軸向的偏移；陶瓷基板焊點高度、VCSEL焊點高度對對準偏移具有高度顯著性影響；因素顯著性排序由大到小依次為：陶瓷基板焊點高度、VCSEL焊點高度、陶瓷基板焊點體積和VCSEL焊點體積； 單因子分析表明VCSEL與耦合元件對準偏移值隨陶瓷基板焊點高度增加而增大，隨VCSEL焊點高度增加而增大。

關鍵詞：光互連模塊； 對準偏移； 耦合效率； 隨機振動加載； 有限元分析

中圖分類號:TN256

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.031

Abstract:A finite element model of optical interconnect module was established. The alignment offset between a VCSEL and coupled elements was obtained with the finite element analysis under random vibration loading. Different solder shape parameter combinations were designed with the horizontal orthogonal tables and used to establish a finite element model. The variance analysis was performed based on the alignment offset data of corresponding solder shape parameters. The results showed that random vibration loading causes horizontal, vertical and axial offsets between VCSEL and coupled elements; both the heights of ceramic substrate solder joint and VCSEL solder joint have a significant effect on the alignment offsets; the four factors are sorted in significance order descending form as follows: the height of ceramic substrate solder joint, the height of VCSEL solder joint, the volume of ceramic substrate solder joint and the volume of VCSEL solder joint; single factor analysis reveals the alignment offset increases with increase in the ceramic substrate solder joint height or the VCSEL solder joint height.

Effects of solder shape parameters on optical interconnection module alignment offset under random vibration loading

HUANGChun-yue1,WUSong1,LIANGYing2,LITian-ming3,GUOGuang-kuo1,XIONGGuo-ji1,TANGWen-liang1(1. College of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2. Dept. Of Electronic Engineering, Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College, Chengdu 610021, China;3. Dept. of Automatic and Power Engineering, Guilin Institute of Aerospace Technology, Guilin 541004, China)

Key words:optical interconnection module; alignment offset; coupling efficiency; random vibration loading; finite element analysis

電子裝備集成度和工作頻率的迅速提高，對系統內印制電路板之間、PCB板到背板之間以及芯片之間的互連帶寬和密度提出了更高的要求。傳統的電互連在信號頻率提高以及數據流量劇增時，帶寬、互連密度、時鐘扭歪、能耗、抗干擾方面均受到限制。而光互連采用光作為信息載體來實現處理單元之間的信息交換，擁有速度高、光波獨立傳播無干擾、互連數目大、互連密度高、功耗低等優點，能有效解決電互連所遇到的瓶頸[1-2]。將光引入到電路板中，用“光互連”代替“電互連”發展高速光電印制電路板(Electronic-Optical Printed Circuit Board, EOPCB)光互連技術，對發展寬帶寬、高速、大容量的電子信息裝備系統具有重要的現實意義和應用價值。

在板級波導光互連中，耦合效率是業界最關心的主要問題之一。影響耦合效率的主要因素是對準精度，主要受光互連層和光收發器件之間的對準偏移等物理耦合及微光鏡精度影響[3]。針對光互連模塊的對準損耗，Niewglowski等[4-5]研究了VCSEL與耦合元件、光電接收器與耦合元件分別在1dB和3dB耦合損耗下的偏移容忍度；TAO等[6-7]研究了耦合元件與波導在45°鏡面反射處波導的軸向與縱向偏移對于耦合效率的影響以及光電印制電路板在涂覆工藝中光波導芯層截面變形后對光傳輸耦合效率的影響。Evans等[8]研究了兩種光電互連產品在組裝過程中的對準精度容忍度。

上述學者對板級光互連模塊中光傳輸耦合效率的研究僅限于模塊處于靜態條件下展開的，沒有考慮振動沖擊、溫度等外界動態因素的影響。針對板級電路在振動條件下的工作情況，大部分研究集中在分析板級電路在隨機振動情況下有鉛和無鉛焊點的壽命[9-10]，很少有學者關注到板級光互連模塊在處于振動、沖擊等惡劣環境中時，由于印制電路板等組件的翹曲對光互連模塊關鍵位置產生對準偏移。由于偏移會對光互連模塊的耦合效率產生嚴重影響，因此對振動沖擊、溫度等外界動態因素影響光互連模塊的對準偏移展開相應研究是十分必要的。由此本文基于焊點形態參數，通過建立光互連模塊有限元分析模型并進行隨機振動加載條件下的位移分析，獲取振動條件下由于VCSEL焊點及陶瓷基板焊點的焊點高度和焊點體積等焊點形態參數對VCSEL與耦合元件間的對準偏移的影響。

1隨機振動加載條件下對準偏移有限元分析

1.1光互連模塊三維有限元模型

選取光互連模塊整體結構的1/2建立三維有限元分析模型見圖1。圖1中PCB整體長寬尺寸為70mm×70mm，PCB由上中下三層結構所組成，其最上層和最下層均為FR4層，中間為銅箔層，上、下FR4層的厚度均為0.2mm，銅箔層的厚度為0.125mm，銅箔層內埋置有12根截面為0.05mm×0.05mm的光波導，波導間距為0.25mm。陶瓷基板的長寬厚尺寸為13mm×13mm×0.635mm。陶瓷基板與PCB之間通過96個直徑為0.76mm的Sn63Pb37焊球連接，焊點間距為1mm。VCSEL與陶瓷基板間為24個無鉛SnAgCu焊球，焊球的高度為0.1mm，半徑為0.06mm，體積為0.8×10-3mm3。

光互連模塊中VCSEL焊點和陶瓷基板焊點的材料分別為共晶釬料Sn63Pb37與SAC305，陶瓷基板材料是Al2O3含量為96%的氧化鋁陶瓷。有限元分析中所用的材料的特性參數見表1。

圖1　光互連模塊有限元分析模型 Fig.1 The FEA model of optical interconnect module

材料名稱彈性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)FR422.50.122680Cu110.00.349000陶瓷359.00.311035波導3.20.321200耦合元件69.00.182320Sn63Pb3735.30.358420SAC30542.50.407390

圖2　隨機振動加速度功率譜密度曲線 Fig.2 Random vibration PSD curve

隨機激勵的形式為加速度功率譜密度 (Power Spectral Density,PSD)，本文采用的PSD加速度功率譜條件來源于美國軍用標準MIL-STD NAVMAT P-9492，PSD加速度功率譜曲線見圖2，當隨機振動頻率在20～80Hz時，曲線上升斜率為+3dB/oct，對應的加速度功率譜密度幅值范圍為0.01～0.04g2/Hz， 80Hz時為0.04g2/Hz；當隨機振動頻率在80～350Hz 時，對應的加速度功率譜密度幅值為0.04g2/Hz，當隨機振動頻率在350～2000Hz時，曲線以-3dB/oct的斜率下降，對應的加速度功率譜密度幅值范圍為0.04～0.01g2/Hz。

1.2隨機振動加載條件下對準偏移有限元分析結果

經歷隨機振動加載后，由于光互連模塊中各部件的振型不一致，各部件在振動時產生翹曲，引起各路光通道中的VCSEL與耦合元件產生了見圖3云圖中所示的位移，從云圖中看出處于耦合元件下端兩側45°鏡面處的部位位移最大，處于VCSEL中間部位與耦合元件相鄰處的部位位移最小。由于耦合元件與VCSEL各部位的位移不一致，從而導致圖3右端所示的各路光通道中VCSEL下端面的發光中心點A和耦合元件光接收中心點B產生水平偏移(沿x方向)、垂直偏移(沿y方向)以及軸向偏移(沿z方向)。由于VCSEL與耦合元件的軸向位移容差較大，對光耦合效率的影響較小，所以本文僅考慮VCSEL與耦合元件水平面的對準偏移s，偏移值s為VCSEL與耦合元件在水平偏移方向與垂直偏移方向合成的結果。即：

(1)

式中:xa與xb分別為發光中心點A和光耦合中心點B在水平方向的坐標值，ya與yb為分別為發光中心點A和光耦合中心點B在垂直方向的坐標值。 在有限元分析后可以獲取xa與xb分別為2.6×10-6mm和2.575×10-6mm。ya與yb分別為4.479×10-4mm和4.465×10-4mm。按公式(1)計算得到合成以后該光互連模型的VCSEL與耦合元件的對準偏移值s=1.4×10-6mm。

圖3　VCSEL與耦合元件的對準偏移 Fig.3 The alignment offsets of VCSEL and couple element

圖4　VCSEL與耦合元件水平方向位移云圖 Fig.4 The X direction displacement of VCSEL and couple elements

圖5 VCSEL與耦合元件垂直方向位移云圖 Fig.5 The Y direction displacement of VCSEL and couple elements

圖4和圖5分別為VCSEL與耦合元件在水平和垂直方向的位移云圖。從圖4可看出VCSEL與耦合元件在左上角與右上角的水平方向的位移值較大，從兩側到中間逐漸減小，且12路光通道的水平位移值從中間到兩端的變化趨勢呈對稱分布。從圖5中可以看出耦合元件下端各光通道的45°反射鏡處的垂直位移值最大，垂直位移值從下到上逐漸減小，在VCSEL與耦合元件上端的光耦合處的達到最小，且12路光通道的垂直位移值從中間到兩端呈對稱分布。

2隨機振動加載條件下對準偏移的方差分析

2.1焊點形態參數組合正交設計

根據板級光互連結構實際應用參數，選取隨機振動條件下影響VCSEL和耦合元件對準偏移的四個關鍵因素為：VCSEL焊點高度(H1)、VCSEL焊點體積(V1)、陶瓷基板焊點高度(H2)和陶瓷基板體積(V2)作為變量。四個因素均選取四個水平，根據正交實驗設計的原理，采用L16(45)正交表，安排見表2的4因素4水平正交試驗，將所安排的16組焊點形態參數組合數據首先通過Surface Evolver 建立相應的VCSEL焊點和陶瓷基板焊點的形態預測模型并預測出所對應的16組焊點形態，再根據所得16組焊點形態參數相應的在ANSYS有限元分析軟件中建立出16個光互連模塊三維有限元分析模型，隨后進行隨機振動加載，通過仿真計算出所安排的16組焊點形態參數下對應的光互連模塊中VCSEL與耦合元件的對準偏移值，所得結果見表3最后一列。

表2　焊點形態參數因素水平表

表3　焊點形態參數正交矩陣及對準偏移有限元分析結果

2.2不同焊點形態參數下對準偏移數據方差分析

根據表3中VCSEL與耦合元件對準偏移的結果數據，可計算出各因素的偏差平方和、自由度、方差估計值和方差比(F值)見表4。由表4可知， 在考察的四個焊點結構參數中， VCSEL焊點高度(H1)與陶瓷基板焊點高度(H2)的F值均大于F0.01(即29.5)，所以這兩個因素高度顯著。陶瓷基板焊點體積(V2)的F值大于F0.05(即9.28)而小于F0.01(即29.5)，所以這個因素影響顯著。剩下的VCSEL焊點體積F值小于相應的臨界值F0.05(即9.28)，所以該因素影響不顯著。

根據表4中各因素所對應F值的大小，得出因素顯著性的排序為：陶瓷基板焊點高度>VCSEL焊點高度>陶瓷基板焊點體積>VCSEL焊點體積。所以四個因素中，VCSEL焊點與陶瓷基板焊點高度對對準偏移的影響最大，在光互連模塊設計與制作過程中需嚴格控制VCSEL焊點與陶瓷基板焊點高度。

2.3高度顯著因子單因子變量分析

通過方差分析可知VCSEL焊點高度與陶瓷基板焊點高度對光互連模塊對準偏移影響最顯著，因此有必要進一步分析這兩個焊點形態參數的變化對對準偏移的影響規律。

固定其他焊點形態參數不變，將陶瓷基板焊點高度值分別取為0.45mm、0.5mm、0.6mm以及0.7mm，建立四種不同陶瓷基板焊點高度的光互連模塊有限元模型并進行隨機振動加載分析，不同陶瓷焊點高度下的對準偏移值見表5。從表5可知，在所選取的陶瓷基板焊點高度內，隨著陶瓷基板焊點高度增加，VCSEL與耦合元件之間的對準偏移值逐漸增大。

表4　對準偏移數據方差分析結果

表5　不同陶瓷焊點高度下的對準偏移值

固定其他焊點形態參數不變，將VCSEL焊點高度值分別取為0.09mm、0.10mm、0.11mm以及0.12mm，建立四種不同VCSEL焊點高度的光互連模塊有限元模型并進行隨機振動加載分析，各VCSEL焊點高度下的對準偏移值見表6。從表6可知，在所選取的VCSEL焊點高度內，隨著VCSEL焊點高度的增加，VCSEL與耦合元件之間的對準偏移值逐漸增大。

表6　不同VCSEL焊點高度下的對準偏移值

3結論

通過對板級光互連模塊進行隨機振動條件下的對準對準偏移分析，可以得到以下結論：

(1)有限元分析表明，在隨機振動條件下，板級光互連模塊中VCSEL與耦合元件間的會產生對準偏移。

(2)對板級光互連模塊隨機振動條件下VCSEL與耦合元件對準偏移的數據進行方差分析表明： 置信度為95%的情況下陶瓷基板焊點與VCSEL焊點的焊點高度對VCSEL與耦合元件的對準偏移有高度顯著性影響，陶瓷基板焊點體積對對準偏移有顯著性影響，VCSEL焊點體積對對準偏移無顯著影響；四個因素的顯著性排序由大到小依次為：陶瓷基板焊點高度、VCSEL焊點高度，陶瓷基板焊點體積，最后是VCSEL焊點體積。

(3)對影響VCSEL與耦合元件對準偏移最顯著的因子做單因子分析表明：在所選取的陶瓷基板焊點高度和VCSEL焊點高度范圍內，隨著陶瓷基板焊點高度或VCSEL焊點高度的增加，VCSEL與耦合元件的對準偏移越來越大。所以在實際設計與制作工藝中，需盡量控制陶瓷基板焊點和VCSEL焊點的高度，以提高光互連信號傳輸的穩定性。

參考文獻

[1]張謹. 基于EOPCB光互連板的光耦合研究[D].武漢, 華中科技大學. 2008.

[2]Bamiedakis N, Hashim A, Beals J, et al. Low-cost PCB-integrated 10-Gb/s optical transceiver built with a novel integration method[J]. IEEE Transaction on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2013, 3(4): 592-600.

[3]嚴蓉, 吳豐順, 劉輝,等. 波導光互連的研究進展[J].電子工藝技術,2010, 6(31):311-319.

YAN Rong, WU Feng-shun, LIU Hui, et al. Research progress of waveguide optical interconnection[J]. Electronic Process Technology,2010, 6(31): 311-319.

[4]Nieweglowski K, Wolter K J. Novel optical transmitter and receiver for parallel optical interconnects on PCB-Level[C]//2008 IEEE 2ndElectronics System Integration Technology Conference. Greenwich, UK,2008:607-612.

[5]Nieweglowski K, Rieske R,Wolter K J. Demonstration of board-level optical link with ceramic optoelectronic multi-chip module[C]//Electronic Components and Technology Conference, 2009: 1879-1886.

[6]Tao qing, Luo feng-guang, Cao lei, et al. Relative power loss of misalignment based on electro-optical printed circuit board[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 2011, 122(18):1603-1606.

[7]Tao qing, Luo feng-guang, Zhang jin-xing, et al. Analysis of fabrication tolerance based on uneven thickness of Su8-photo-resist[J]. Journal of Optical Technology, 2013, 80(5): 329-331.

[8]Evans D D, Bok Z. Micron level placement accuracy case studies for optoelectronic products[C]//Electronic Components and Technology Conference,2009:1937-1941.

[9]楊雪霞, 肖革勝, 樹學峰. 板級跌落沖擊載荷下無鉛焊點形狀對BGA封裝可靠性的影響[J].振動與沖擊,2013,32(1):104-107.

YANG Xue-xia, XIAO Ge-sheng, SHU Xue-feng. 3D numerical simulation of slamming load character for water entry of an elastic structure[J].Journal of Vibration and Shock,2013,32(1):104-107.

[10]劉芳, 孟光. 隨機振動載荷下電路板組件三維有限元模擬[J]. 振動與沖擊,2012, 31(20):61-64.

LIU Fang, MENG Guang. Three-dimension finite element simulation for a PCB assembly under random vibration loading[J]. Journal of Vibration and Shock,2012, 31(20):61-64.