Интеграционное тестирование фотонных интегральных схем: современные решения для высокотехнологичного производства
Фотонные интегральные схемы (ФИС) давно перестали быть экзотикой, а стали главным компонентом электроники, применяясь в системах оптической коммуникации, сенсорике, LiDAR и вычислительных приложениях. Однако качество и надёжность таких устройств напрямую зависят от методологии тестирования на различных этапах разработки и производства.Правильный выбор оборудования для верификации характеристик фотонных микросхем важен для обеспечения конкурентоспособности продукции, сокращения времени выхода на рынок и оптимизации затрат на производство.
Этапы в тестировании фотонных интегральных схем
Тестирование ФИС представляет собой многоуровневый процесс, охватывающий несколько этапов:
Рисунок 1 – Изображение процесса тестирования ФИС.
- Уровень пластины – раннее обнаружение дефектных кристаллов до запуска в дорогостоящие процессы упаковки и итоговой обработки
- Уровень чипа – высокоточная подтверждение оптических и электрических параметров отдельных узлов системы
- Уровень готовых устройств – финальная проверка в рабочих условиях с интегрированными оптическими компонентами
Физика процесса: почему точность имеет значение
Многие в индустрии недооценивают значимость точности при тестировании фотонных устройств. Представьте себе волновод, ширина которого составляет 500 нанометров – это в 200 раз тоньше человеческого волоса! При таких размерах даже малейшее смещение при выравнивании оптического волокна относительно исследуемого чипа приводит к резкому падению передачи сигнала.
Смещение на 1 микрометр может привести к потерям в несколько децибел, что делает устройство непригодным для использования. Именно поэтому системы позиционирования в современном оборудовании работают с точностью в десятки и сотни нанометров, а повторяемость результатов измерений требует поддерживаться на уровне ±0,3 дБ или лучше.
Автоматические системы оптического контроля
Автоматические системы оптического контроля – это высокотехнологичное оборудование на базе машинного зрения, используемое для проверки печатных плат и других компонентов на наличие дефектов (отсутствие деталей, перекосы, пайка с браком). Использование камеры, освещения и ПО для сравнения продукции с эталоном, обеспечивает скорость и точность, чем ручной осмотр.
Преимущества:
- Минимальный размер детектируемого дефекта: 0,5 мкм – фиксируются загрязнения, царапины, сколы, переломы, изменения цвета и геометрические отклонения
- Автоматизированная работа: независимая загрузка и выгрузка образцов, выполнение многоракурсной съёмки и анализ на основе машинного зрения
- Поддержка различных форматов – совместимость с пластинами диаметром 2-12 дюймов, как распределённые, так и структурированные подложки
- Комплексная визуализация – интеграция методов светлопольной микроскопии, тёмнопольной и дифференциально-интерференционной контрастности
Рисунок 2 – Работа автоматической системы оптического контроля.
Автоматическая станция для тестирования чипов, разработанная производителем Emissence
Основные технические характеристики оборудованияСистема представляет собой полностью автоматизированное решение для тестирования микросхем, интегрирующее аппаратную платформу, специализированное программное обеспечение и прецизионную систему машинного зрения. Весь процесс тестирования (от загрузки образцов до выгрузки результатов) выполняется без какого-либо ручного вмешательства, что обеспечивает высокую скорость, исключает влияние человеческого фактора и гарантирует максимальную точность измерений.
Особенности
- Полный цикл без оператора: автоматизированы этапы (загрузка и разгрузка чипов, подведение пробников и подача питания, юстировка оптических компонентов).
- Генерация данных: система самостоятельно формирует и сохраняет полный массив тестовых данных.
- Превентивный контроль качества: точные результаты и встроенный анализ данных позволяют выявлять дефекты и потенциальные проблемы на ранней стадии производственного процесса.
- Экономическая эффективность: снижение доли ручного труда, минимизация ошибок и ранняя диагностика позволяют избежать дорогостоящих затрат на повторное тестирование и ремонт на финальных этапах.
Системы прецизионного тестирования интегральных схем
Системы прецизионного тестирования интегральных схем (ИС) – это комплекс аппаратного и программного обеспечения, предназначенный для проверки и измерения электрических параметров, функциональности и надежности полупроводниковых кристаллов (чипов) с исключительно высокой точностью и повторяемостью.Специализированные установки для испытания характеристик фотонных кристаллов на уровне пластины:
- Сверхвысокая электрическая чувствительность – измерение токов утечки на уровне пикоампер (pA) и паразитных ёмкостей на уровне фемтофарада (fF)
- Стабильность определения оптических параметров – повторяемость измерений вносимых потерь ≤0,3 дБ, что критично для систем на основе волноводов и решёток
- Автоматизированный контроль процесса – самообучающиеся алгоритмы автоматически выравнивают контактные площадки и управляют сложной геометрией оптической стыковки
- Расширенный температурный диапазон – возможность тестирования от −40°C до +150°C без конденсации, позволяющая воспроизвести условия эксплуатации
Рисунок 3 – Тестирование интегральных схем
Рисунок 4 – Фотография станции тестирования фотонных интегральных схем FA-GJ*, поставка в КНИТУ КАИ (Казань)
Станция тестирования фотонных интегральных схем FA-GJ*
Система станции тестирования фотонных интегральных схем состоит из оптического стола, системы визуализации, левой и правой платформ, элемента Пельтье и каналов ВЧ/DC сигнала.
Весь процесс тестирования от загрузки образцов до выгрузки результатов выполняется без какого-либо ручного вмешательства, что обеспечивает высокую скорость, исключает влияние человеческого фактора и гарантирует максимальную точность измерений.
Ключевые особенности
- Ось X, Y, Z оснащена алгоритмами автоматической компенсации плоскостности и вертикальности для обеспечения точности позиционирования ±1 мкм;
- 5-ступенчатая регулировка хода (базовая высота → буфер контакта → высота превышения и т.д.) для предотвращения царапания датчика о чип и обеспечения надежности контакта;
- Пластины диаметром 3/4/5/6/8/12 дюймов;
- Дополнительный модуль контроля температуры, высокоточная плата датчика и т.д. могут быть оснащены для удовлетворения особых потребностей в тестировании (например, для высокотемпературных/высокочастотных устройств).
Системы оптического стыковки: от ручного к полностью автоматизированному
Системы высокоточной стыковки, такие как станция OMTools, обеспечивают надежную интеграцию фотонных микросхем с внешними оптическими элементами, включая оптоволокно, линзы и VCSEL, благодаря механизмам позиционирования и визуального контроля.
Для интеграции фотонных микросхем с внешними оптическими элементами требуются системы высокоточной стыковки:
- Шестиосевой стол микропозиционирования с дискретностью до 0,5 мкм по линейным осям и до 27,8″ по угловым
- Встроенная высокоточная видеосистема (200 Мп, переменное увеличение 0,7–4,5x) для наблюдения в реальном времени
- Повторяемость оптического выравнивания ≤0,3 дБ
- Компактный настольный формат, идеальный для лабораторий и отладки новых конструкций
Рисунок 5 – Узел визуализации
Автоматизированные системы стыковки волокна:
- Поддержка одномодового волокна, волокна с сохранением поляризации и волоконных матриц;
- Гибридные решения: ручные, полуавтоматические и полностью автоматические конфигурации;
- Встроенные дозировка клея, УФ-отверждения и термической обработки;
- Повторяемость стыковки ≤0,3 дБ даже при высокопроизводительной обработке.
Рисунок 6 – Массив микролинз 1 мм
- Сверхточные платформы позиционирования для выравнивания на уровне наномеров
- Автоматический захват и размещение линз и устройств с поддержкой партионной обработки
- Поддержка работы в УФ и ИК диапазонах, совместимость с различными типами волокон и фотодиодов
- Применение в системах оптической коммуникации, LiDAR и прочих высокотехнологичных приложениях
Интегрированная фотонная система диагностики кристаллов
Наиболее прогрессивный класс оборудования – полностью автоматизированные системы для комплексного тестирования готовых фотонных кристаллов:
Рисунок 7 – Изображение автоматизированной системы диагностики кристаллов
- Субмикронная точность позиционирования – платформы контроля положения с дискретностью до 0,1 мкм
- Одновременное наблюдение с нескольких углов для гарантии точного выравнивания с помощью многомерной системы
- Искусственный интеллект в контроле – самообучающиеся алгоритмы автоматически центрируют щупы с RF-сигналом и оптические развязки
- Высочайшая повторяемость – 0,2 дБ при 50 повторениях, 0,3 дБ при 2000 повторениях
- Универсальность – поддержка OO, OE, EE и RF-тестирования
Станции стыковки волокна FornAI (OMTools): универсальные решения для промышленности
Наряду с ETSC, компания FornAI (выступающая под названием OMTools на международном рынке) предлагает высокоспециализированный спектр автоматизированных платформ стыковки для различных классов оптических устройств.Платформы для высокоскоростных оптических модулей
Современные оптические модули работают на скоростях, которые ещё несколько лет назад казались фантастикой. Для их производства требуются платформы исключительной точности. Платформа FA обеспечивает многоканальную стыковку волокна для модулей 400G и выше, сочетая высокую точность позиционирования с поддержкой 4-, 8-, 12- и 24-канальных конфигураций. Платформа LENS оптимизирована для стыковки систем микролинз и изолированных лазерных источников, обеспечивая максимальную стабильность выравнивания.
- Аналогичная точность, но оптимизирована для работы с микролинзами и изолированными лазерными источниками
- Производительность: 9-15 минут на изделие
- Идеальна для приложений, требующих максимальной стабильности выравнивания
Платформы для производства волноводов (PLC, AWG)
Для производства планарных волноводов (PLC, AWG) применяется PLC Automatic Coupling Platform – специализированное решение, обеспечивающее субмикронное выравнивание волокна, автоматизацию процессов и рекордную производительность. На чип-уровне интегральные фотонные схемы собираются с помощью чип-уровневых платформ, предлагающих компактный дизайн и поддержку различных типов крепления. Для исследовательских задач доступна ручная платформа стыковки волокна, оснащённая прецизионной механикой и встроенной видеосистемой.
Чип-уровневые платформы для производства интегральных фотонных схем на уровне чипов:
Чип-уровневые платформы предназначены для прецизионной сборки интегральных фотонных схем. Они оснащены двойной системой шестиосевых регулировочных столиков, обеспечивающей точность позиционирования в пределах ±2 мкм. Платформы поддерживают различные типы креплений для работы с разными классами устройств и отличаются компактными габаритами (1000×800×650 мм) при массе всего 50 кг. Цикл обработки одного изделия занимает от 8 до 12 минут.
Ручная платформа стыковки волокна
Для задач исследований и прототипирования компания FornAI предлагает ручную платформу стыковки волокна. Её основа это шестиосевой ручной стол с дифференциальным приводом высокой точности, позволяющий выполнять регулировки с дискретностью от 0,5 мкм по линейным осям. Платформа комплектуется встроенной видеосистемой (2 Мп, HDMI-выход) с переменным увеличением от 0.7× до 45× для визуального контроля. Она обеспечивает повторяемость стыковки на уровне не хуже 0,3 дБ и является идеальным инструментом для лабораторных исследований и отработки новых конструкторских решений.
Применение в производстве устройств III-V и TFLN
Данные методики и оборудование важны для работы с современными материалами, такими как арсенид галлия (III-V) для источников света и детекторов, ниобат лития на кремнии (TFLN) для модуляторов, а также нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) для силовых полупроводников. Каждый материал требует специфических условий тестирования и обработки, что обеспечивается модульной архитектурой решений.Интеграция оборудования: синергия ETSC и FornAI
Интересно отметить, что оборудование этих двух производителей хорошо дополняет друг друга:- ETSC концентрируется на автоматических системах оптического контроля, волноводных тестерах и системах для производства на уровне пластины
- FornAI специализируется на автоматизированной стыковке готовых компонентов и интеграции оптических элементов в финальные модули
Тесная координация между этапами (контроль качества → тестирование → стыковка → финальная проверка) обеспечивает максимальный выход готовой продукции и минимизацию брака.
Преимущества интегрированного подхода
- Синхронизация и совместимость: компоненты системы спроектированы для работы в единой экосистеме без потерь данных и методологических несогласованностей
- Оптимизация расходов – снижение затрат на разработку и внедрение благодаря отсутствию необходимости интеграции оборудования от разных производителей, у которых несовместимые интерфейсы и программное обеспечение
- Ускорение цикла R&D–сокращение времени от концепции до серийного производства за счёт надёжных и проверенных рабочих процессов
- Надёжность в производстве – проверенные на практике подходы, применённые у ведущих промышленных партнёров (HUAWEI, YoFC, Accelink и др.), снижают риск брака и переработок
- Масштабируемость – возможность постепенного перехода от ручных методов к полной автоматизации по мере роста объёмов производства, без необходимости замены основного оборудования
- Техническая поддержка – единая команда экспертов, понимающих весь цикл производства и способных оперативно решать возникающие проблемы
АО «ЛЛС» предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции и полную техническую поддержку. Получить дополнительную информацию вы можете, обратившись в нашу компанию.
Автор статьи: Ростовцев Никита, инженер по контрольно-измерительному оборудованию
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
