Kategorie: Deutschland

Automatisierte Produktion komplexer Transceiver-Module

Martin Rogge, Produktmanager Finetech (li.), Dick Pommer, Vice President of Operations Ultra Communications (re.)

Der US-amerikanische Fiberoptik-Spezialist Ultra Communications entwickelt und produziert optische Transceiver-Module für herausfordernde Einsatzumgebungen. Das benötigte Produktionsequipment liefert die Berliner Firma Finetech.

Große Datenmengen werden heutzutage vorwiegend per Lichtwellenleiter, meist aus Glasfasern bestehend, transportiert. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Kupferleiterbahnen sind verlustarme Signalübertragung auch auf Langstrecke, drastisch reduzierte Energiekosten sowie die Unempfindlichkeit gegenüber elektro-magnetischen Störsignalen. An den Enden der Glasfaserverbindung sitzen Transceiver-Module mit getrennten Sende- und Empfangseinheiten. Optische Transceiver empfangen die optischen Signale von der Glasfaser und wandeln sie in O/E-Wandlern in elektrische Signale. Als Empfangsdetektoren benutzen optische Transceiver lichtempfindliche Komponenten wie z.B. superschnelle Fotodioden. Senderseitig werden die elektrischen Signale in E/O-Wandlern in optische Signale gewandelt und auf die optische Übertragungsstrecke geschickt.

Weltweit ist der Bedarf an moderner optischer Dateninfrastruktur enorm. Entsprechend kräftig investieren derzeit viele Unternehmen aus der Optoelektronik in Produktionsequipment für immer leistungsfähigere Transceiver-Einheiten. Zu ihnen zählt auch der kalifornische Fiberoptik-Hersteller Ultra Communications, der mit seinen Produkten aber noch einen Schritt weiter geht.

Das Unternehmen fertigt besonders robuste Transceiver für den Einsatz in rauer Umgebung. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo unter erschwerten Bedingungen große Datenmengen schnell und verlustfrei übertragen werden müssen - z.B. in der Luft- und Raumfahrt, in modernen Automobilen, Schiffen sowie im Bereich des Hochleistungsrechnens. Die Transceiver widerstehen dabei extremen Temperaturen ebenso wie dem Einfluss mechanischer Schocks, Vibrationen, Kondensation, chemischer Substanzen oder enormer Strahlenbelastung. Für die Entwicklung und Fertigung eines besonders robusten Transceiver-Moduls kooperiert Ultra Communications seit einiger Zeit mit Finetech, die als Hersteller hochgenauer Bondsysteme vielfältige Erfahrung beim Aufbau komplexer Optoelektronik haben.

 

Sequenzielle Flip-Chip-Montage

Der X80–Q Fury ist ein Full Duplex 40G Hochleistungstransceiver für die parallele optische Datenübertragung. Entwickelt und aufgebaut wurde die Musterserie auf einem manuellen Montagesystem. Das Modul vereint auf engstem Raum den Transceiver-IC, ein GaAs VCSEL-Array, ein GaAs PIN Fotodioden-Array, ein Lens-Array sowie ein Lichtleiter-Board.

In einem anspruchsvollen sequenziellen Flip-Chip-Montageprozess werden die Komponenten einzeln bzw. im Verbund hochgenau und definiert zueinander ausgerichtet, platziert und dauerhaft verbunden. Da sich in aufeinander aufbauenden Montageschritten selbst kleine Abweichungen schnell aufsummieren, muss dabei jede Teilplatzierung so genau wie möglich erfolgen. Die geforderte Post-Bond-Genauigkeit einzelner Teilprozesse wie z.B. der PIN/VCSEL Bondung liegt dabei unter 1 Mikrometer.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Transceivern, die zumeist nur geklebt sind, werden einige Komponenten des X80–Q Fury für besonders stabile Verbindungen stattdessen aufgelötet oder per Thermokompression auf das Substrat gebondet. In einem zusätzlichen Veredelungsschritt werden alle Komponenten mit Epoxidharz unterfüllt und das gesamte Transceiver-Modul hermetisch versiegelt und geläppt. Der manuelle Aufbau weniger Transceiver-Einheiten dauert bereits einige Tage. Grund dafür sind aufwändige Qualifizierungstests. Nach jedem Montage-Teilschritt wird das Ergebnis der Ausrichtung und Verbindung validiert, um die geforderte Leistung und Ausfallsicherheit des Endprodukts zu garantieren.

 

Automatisierung ermöglicht Serienfertigung

Eine besondere Herausforderung lag darin, die komplexe Anwendung in die automatisierte Serienfertigung zu überführen. Aufgrund der erfolgreichen Zusammenarbeit in der Entwicklungsphase war es für Ultra Communications ein logischer Schritt, hier den Weg gemeinsam mit Finetech weiterzugehen. Die Automatisierung der Montage ermöglicht reproduzierbare Prozesse bei gleichzeitig gesenkten Fertigungskosten und schuf die Voraussetzung für eine echte Stückzahlenproduktion. Als großer Vorteil erwies sich, dass die im manuellen Prototyping zertifizierten technologischen Teilprofile, etwa Parameter für die benötigte Löttemperatur, Aufsetzkraft oder Zeit, einfach in Finetechs automatische Systeme überführt werden können. Zur Automatisierung des Montageprozesses wurden somit lediglich die Profile um automatisierte Handling-Schritte für Komponenten und Baugruppen sowie um die selbsttätige Komponenten-Ausrichtung mithilfe der Bilderkennung erweitert. Inzwischen werden die Transceiver in Nutzen zu 100 Stück schrittweise aufgebaut. Tests und Qualifizierungen sind direkt am Automaten durchführbar und als Zwischenprozess in die Montage-Sequenz integriert. Zusätzlich werden alle Teilprozesse automatisch protokolliert und fließen in-situ in eine Produktionsdatenbank ein.

 

Finetech für Produktion und Entwicklung

Die automatischen FINEPLACER® Systeme bieten eine Ausricht-Genauigkeit bis zu ± 0.5 μm im Flip-Chip-Prozess (face down). Dank modularer Systemarchitektur lassen sich vielfältige Aufbau- und Verbindungstechnologien wie z. B. eutektisches Löten, Thermokompression, Kleben mit UV-Curing oder Ultraschallbonden flexibel in das System integrieren. Unterstützend stehen leistungsfähige Dosierverfahren zur Verfügung.


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