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Making Gigabyte Networks a Reality. Automated Active Alignment.

Die Entwicklung und Herstellung photonisch integrierter Schaltkreise (PIC) bzw. von Silizium-Photonik (SiP) Bauteilen, erinnert in vielerlei Hinsicht an die frühen Jahre der Halbleiterindustrie. Es fehlt vor allem an Systemintegratoren, die Anlagen für die Serienherstellung von PICs entwickeln. Während die Front-End-Fertigung integrierter Photonik von der vorhandenen Mikroelektronik-Infrastruktur profitieren kann, ist für die Back-End Prozesse eine eigene Industrie gerade erst am Entstehen. Insbesondere für die Qualitätssicherung auf Waferebene und die Aufbau- und Verbindungstechnik inklusive der Ankopplung optischer Fasern an den photonischen Chip, sind neue Verfahren erforderlich. Diese müssen nicht nur wirtschaftlich sein, sondern mit hoher Produktivität eine Serienherstellung ermöglichen.

Active Alignment als Enabling Technology

Der entscheidende Zeit- und Kostenfaktor in der Herstellung von PICs besteht in der Notwendigkeit einer wiederholten Ausrichtung von signalführenden Glasfasern zu den einzelnen Chips. Von Waferprobing über Chiptest bis zur Endverpackung muss diese anspruchsvolle Positionieraufgabe unzählige Male wiederholt werden. Die von PI entwickelte Technologie der aktiven Ausrichtung (FMPA = Fast Multichannel-Photonic Alignment) bildet den Schlüssel für eine erhebliche Beschleunigung dieses Prozesses: ultraschnelle, genaue und aktive Ankopplung, bei der die Ausrichtung der optischen Komponenten für eine perfekte Kopplungseffizienz optimiert wird.

Das FMPA-System kombiniert einen hybriden aktiven Ausrichtungsmechanismus mit bis zu sechs groben und drei feinen Bewegungsfreiheitsgraden mit schnellen Algorithmen, die in die Firmware der Controller integriert sind. Diese Algorithmen umfassen Funktionen wie die Suche nach dem ersten Licht, Flächenscan und vor allem eine parallele Gradientensuche, die eine schnelle, gleichzeitige Kopplung zwischen photonischen Elementen, Ein- und Ausgängen, Elementen und Kanälen ermöglichen, selbst wenn diese sich gegenseitig beeinflussen.

Die Möglichkeiten von FPMA nutzen

Schon früh wurde diese Technologie von FormFactor Inc. in seine Cascade-Wafer-Prober integriert. Ganze SiP-Wafer können so in Stunden anstatt wie bislang in Wochen oder Monaten getestet werden. Mittlerweile sind die FormFactor Waferprober bei mehr als zwei Dutzend Herstellern von PICs bzw. SiP-Komponenten erfolgreich im Einsatz. Das neueste Produkt, der Cascade CM300xi-SiPh bietet erstmal auch die Möglichkeit von Horizontal Die-Level Edge Coupling sowie Wafer-Level Edge Coupling.

Vor Kurzem hat der niederländische Systemintegrator TEGEMA B.V. eine Montage- und Verpackungsplattform für PICs präsentiert, die ebenfalls auf der FPMA-Technologie von PI basiert. Die Zykluszeiten für einen Prozessdurchlauf liegen bei unter 30 Sekunden und sind damit erstmals in einer für die Serienproduktion geeigneten Größenordnung. Mit einer Stellfläche von knapp 1 m2 benötigt das System wenig Platz – was insbesondere für den Einsatz in teuren Reinräumen von Wichtigkeit ist. Eine Besonderheit ist die modulare Bauweise, die es ermöglicht, das System an wachsende Stückzahlen anzupassen und einen höheren Automatisierungsgrad zu erzielen.

Breites Anwendungspotenzial noch nicht ausgeschöpft

Weitere Anwendungsbeispiele für PI´s FMPA Technologie sind die Montage von optischen Kabeln für Verbraucheranwendungen mit großen Kabellängen. Ein aufstrebendes Feld, das von Displays mit hoher Pixelanzahl und hoher Bildrate und neuen Bussystemen mit hoher Bandbreite wie Thunderbolt 3 und USB-4 angetrieben wird.

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