摘" 要：隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，光導(dǎo)開關(guān)是一種新型的快速電子器件，在高功率脈沖、超快光電控制等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。作為一種復(fù)雜的光電混合器件，在高電壓高功率應(yīng)用場景下，需要同時滿足微波輸出、光學(xué)對位、耐高壓等要求。在一體化裝配過程中，碳化硅光導(dǎo)開關(guān)存在碳化硅晶片易碎、輸入激光易損耗等問題，因此，該文從光波導(dǎo)裝配設(shè)計、一體化裝配設(shè)計和一體化裝焊仿真3個方面進(jìn)行研究，通過柔性裝配實現(xiàn)耐高壓光導(dǎo)開關(guān)封裝。

關(guān)鍵詞：光導(dǎo)開關(guān)；光波導(dǎo)；一體化裝配；裝焊仿真；超快光電控制

中圖分類號：TN36" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0076-04

Abstract： With the development of microelectronic technology， photoconductive semiconductor switches is a new type of fast electronic device， which is widely used in high power pulse， ultra-fast photoelectric control and other fields. As a complex optoelectronic hybrid device， it needs to meet the requirements of microwave output， optical alignment and high voltage resistance in high-voltage and high-power applications. In the process of integrated assembly， there are some problems in silicon carbide photoconductive semiconductor switches， such as fragile silicon carbide wafer and easy loss of input laser. In this paper， the packaging of high voltage photoconductive switch is realized by flexible assembly from three aspects： optical waveguide assembly design， integrated assembly design and integrated assembly and welding simulation.

Keywords： photoconductive semiconductor switches; optical waveguide; integrated assembly; assembly and welding simulation; ultrafast photoelectric control

光導(dǎo)開關(guān)（Photoconductive Semiconductor Switches， PCSS）是一種光控電開關(guān)，與傳統(tǒng)的開關(guān)相比，具有可容功率大、體積小、耐擊穿電壓高、導(dǎo)通電阻小、響應(yīng)速度快及重復(fù)頻率高等優(yōu)點，在產(chǎn)生高功率脈沖、超快光電控制和太赫茲領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用[1-6]。雖然光導(dǎo)開關(guān)具有很大的優(yōu)勢，但在實際高工作電壓條件下，存在耐壓能力低于理論值、漏電流過大等問題，因此需要對光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行封裝研究[7-8]。

碳化硅光導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)一般由2個電極和碳化硅（SiC）晶片組成，作為光電混合的復(fù)雜器件，在實際應(yīng)用中，為滿足微波性能輸出、激光低損耗、高耐壓等需求，需加入射頻結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時選用光波導(dǎo)對SiC晶片封裝[9]，確保側(cè)面低損耗激光饋入，通過結(jié)構(gòu)裝配與封裝實現(xiàn)耐高壓。

一體化裝配技術(shù)是在殼體有限的空間條件下，將分散孤立的結(jié)構(gòu)件要素和功能模塊要素按照空間位姿關(guān)系緊密融合起來，整合成為一個有機的整體，具有高可靠性和質(zhì)量一致性。本文采用異面正對、雙側(cè)面入射模型的光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行研究，光導(dǎo)開關(guān)在一體化裝配技術(shù)的過程中，存在很多工藝難點，比如：SiC晶片由于脆性大在應(yīng)力作用下易碎，結(jié)構(gòu)件之間的公差適配度無法保證激光低損耗輸入，不同材料熱膨脹系數(shù)的匹配性等。針對以上封裝工藝問題，本文建立碳化硅光導(dǎo)開關(guān)封裝模型，通過光波導(dǎo)裝配設(shè)計、一體化裝配設(shè)計和一體化裝焊仿真3個方面進(jìn)行研究，提出一種耐高壓的光導(dǎo)開關(guān)柔性裝配方案，可應(yīng)用于高功率脈沖領(lǐng)域。

1" 實驗

1.1" 光導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合電學(xué)及工程特性，本文采用異面正對、雙側(cè)面入射模型進(jìn)行產(chǎn)品化。異面正對結(jié)構(gòu)采用雙光源激勵在封裝類型中具有良好的激發(fā)特性，結(jié)構(gòu)采用頂板輸入、底部輸出，分布式結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)陣面安裝，原理圖如圖1所示。

1.2" 模型建立與參數(shù)設(shè)置

結(jié)合器件原理圖設(shè)計封裝模型，如圖2所示。材料參數(shù)見表1，封裝外殼采用銅基材料，實現(xiàn)良好散熱及接地，使用氮化鋁陶瓷實現(xiàn)高壓隔離，同時氮化鋁在絕緣材料中熱導(dǎo)率也是最佳的。為實現(xiàn)低應(yīng)力垂直方向上的電連接，采用毛紐扣進(jìn)行軟連接，裝配則采用一體化焊接，并對光學(xué)對準(zhǔn)部分采用預(yù)先裝配，提高對準(zhǔn)精度。

2" 分析與討論

2.1" 光波導(dǎo)裝配設(shè)計

通過激光激發(fā)的SiC晶片，其激光有效功率決定了SiC微波激發(fā)強度，在SiC裝配結(jié)構(gòu)中激光需要經(jīng)過光波導(dǎo)饋入SiC側(cè)面，光波導(dǎo)的裝配精度影響激光的輸入。其中，光波導(dǎo)的裝配主要難點為小面積高精度結(jié)構(gòu)裝配，并實現(xiàn)光功率低損耗。選用SiO2作為光波導(dǎo)，SiO2的材料特性及裝配狀態(tài)決定了激光有效功率，光波導(dǎo)裝配示意圖如圖3所示，設(shè)計專用工裝以提高裝配精度，并通過光學(xué)膠降低SiC與光波導(dǎo)之間的連接損耗。

為實現(xiàn)小面積高精度結(jié)構(gòu)裝配，采用自制高精度晶片對位工裝實現(xiàn)SiO2-SiC-SiO2晶片連接，如圖4所示。工裝水平方向通過螺桿可調(diào)，垂直方向按要求加工到尺寸，對位工裝設(shè)置有限位壓頭，彈簧產(chǎn)生三方向的壓力將晶片固定在工裝中，實現(xiàn)晶片伴隨工裝運動。

對位工裝設(shè)置有可調(diào)節(jié)距離的螺桿，用于實現(xiàn)10 mm（SiC）和8 mm（SiO2）同軸裝配和位置微調(diào)，將裝配后的樣品置于激光電子顯微鏡下，SiC和SiO2之間精準(zhǔn)對位。組裝多個樣品對SiC和SiO2晶片之間高度和水平距離進(jìn)行測試，實驗結(jié)果如圖5所示，高度位置上距離差應(yīng)為0.05 mm，10組數(shù)據(jù)的公差均在0.000 8 mm內(nèi)，水平位置上距離差應(yīng)為1 mm，實測最大值為1.040 mm、最小值為0.998 mm，公差均小于0.05 mm，滿足設(shè)計要求。

2.2" 一體化裝配設(shè)計

可自動一體化裝配能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)件間無阻礙安裝，而且具有低的公差累計，在光導(dǎo)開關(guān)的裝配過程中，若不有效控制公差，會造成產(chǎn)品最終誤差偏大于設(shè)計，公差累計在本產(chǎn)品中主要體現(xiàn)為激光輸入效率衰減以及垂直誤差超差。

一體化裝配過程中表面及接觸設(shè)計如圖6所示，殼體及下電極采用金屬具有良好的導(dǎo)電性，同時需滿足微波傳輸特性，采用連續(xù)面、過渡角等方式實現(xiàn)135°漸變臺階。陶瓷具有極高的抗電擊穿性，能實現(xiàn)絕緣隔離，但材料呈現(xiàn)脆性，目前復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)采用粗開模、精密加工相結(jié)合的方式，且過渡角需帶圓弧，否則加工時易開裂，使用中存在開裂種子點，影響可靠性。因此，將陶瓷件陰角過渡做圓弧R0.2，過渡面無傳輸要求，故采用C角加R0.2圓弧過渡，以降低開裂風(fēng)險，采取金屬偏離d0.2實現(xiàn)低成本加工。

一體化裝配設(shè)計選擇對外殼體（接地）、下電極（輸出）以及陶瓷（絕緣隔離）的一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)通過設(shè)計實現(xiàn)垂直對插進(jìn)行裝配，實現(xiàn)單一軸向Z軸的裝配。

組件裝配后存在累計誤差，合計有7處公差點，結(jié)合實際加工精度，單公差可控制在±0.02 mm，累計最大誤差為±0.14 mm。為精準(zhǔn)裝配、降低誤差，采用毛紐扣形成軟連接，實現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)的可靠連接。毛紐扣為彈性件，在不同壓縮量有不同的應(yīng)力，這里采用仿真分析確認(rèn)在應(yīng)力下可以連接且應(yīng)力不過載。結(jié)合封裝結(jié)構(gòu)采用2 mm厚度毛紐扣，壓縮范圍為0.12～0.36 mm，根據(jù)計算獲得壓力范圍為18～54 N，將最大壓力代入模型得到圖7，可知SiC所受應(yīng)力小于其極限應(yīng)力。

一體化裝配工裝包括底座、底饋頂板和頂板彈簧等，通過彈力配合將金屬殼、隔離陶瓷以及底饋電極擠壓在一起，封裝后完成裝配，可提高裝配良率及精度。結(jié)構(gòu)如需要實現(xiàn)水密特征，接觸面在裝配前涂覆銀膠，裝配后加溫240～260 ℃固化銀膠，且以此工裝為載體完成后續(xù)工藝裝配，得到最終光導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)品。

2.3" 一體化裝焊仿真

在一體化裝焊中，為實現(xiàn)器件的密封性，需要通過焊料進(jìn)行大面積焊接，工裝采用上下擠壓的方式使三者成一體，則應(yīng)力分布反應(yīng)在焊料的分布上，最終影響焊接質(zhì)量。因此，預(yù)先應(yīng)力仿真以減少應(yīng)力集中和變形，提高焊接的質(zhì)量，并通過仿真評估焊接的殘余應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)件變形、開裂及失穩(wěn)等問題。

為研究焊接后的應(yīng)力應(yīng)變對光導(dǎo)開關(guān)的影響，對模型進(jìn)行簡化及網(wǎng)格化，通過結(jié)構(gòu)靜力模塊分析一體化焊接時，模型處于受力狀態(tài)。介于焊接狀態(tài)下，模型接觸采用光滑接觸，結(jié)合工裝工作原理，將殼體與工裝接觸面定為固定態(tài)，底部受力，即下電極下表面施加受力，方向向上，大小為5 N。如圖8所示，在焊接處采樣應(yīng)力分布14點得到在0.723 74～7.08×10-2 MPa之間，均值為0.338 9 MPa，方差為0.034，且應(yīng)變Max值0.001 68 mm/mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計條件。

在一體化裝配的結(jié)構(gòu)中，陶瓷結(jié)構(gòu)件在施加一定的應(yīng)力之后易碎，因此通過建模評價陶瓷結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)實驗中的可靠性，采集65 ℃和-40 ℃時殼體各位置應(yīng)力，確保應(yīng)力在材料極限應(yīng)力范圍內(nèi)，如圖9所示。對模型進(jìn)行合理簡化提高計算速率，保留關(guān)鍵部分：SiC-上下電極，SiC電極，殼體，下電極和隔離陶瓷。施加65 ℃和-40 ℃全局溫度，獲得熱應(yīng)力分布，采樣陶瓷各位置得到，最大值分別在212 MPa（65 ℃）和174 MPa（-40 ℃），小于極限應(yīng)力。因此，光導(dǎo)開關(guān)一體化裝配結(jié)構(gòu)在正常工作的溫度范圍內(nèi)，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

3" 結(jié)論

通過光波導(dǎo)裝配設(shè)計、一體化裝配設(shè)計和一體化裝焊仿真3個方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計和模型仿真研究，本文提出一種耐高壓的光導(dǎo)開關(guān)柔性裝配方案。通過設(shè)計高精度晶片對位工裝提高SiC與光波導(dǎo)的裝配精度，并設(shè)置有可調(diào)節(jié)距離的螺桿，便于實際操作中的微調(diào)；在光導(dǎo)開關(guān)裝配過程中采用毛紐扣形成軟連接，實現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)的可靠連接；并通過建模證明此一體化裝配結(jié)構(gòu)在工作溫度循環(huán)中，具備良好的穩(wěn)定性和可靠性。因此，此類光導(dǎo)開關(guān)光電集成的一體化柔性裝配技術(shù)為復(fù)雜的光電混合器件提供了簡便的方法，在高功率脈沖、超快光電控制等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

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