Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Automatisiertes Packaging als Komplettlösung : Ausgabe 20/2014, 06.11.2014

Silizumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn

Computergestützte Dienste, wie etwa Cloud-Computing, verlangen hohe Übertragungsgeschwindigkeiten.Hier hilft die Siliziumphotonik: Sie erlaubt Datenraten in der Grössenordnung von TBit/s. Allerdings ist es nicht trivial, die Komponenten automatisiert auf den Siliziumhalbleitern zu platzieren und die nötigen optischen Verbindungen herzustellen, um Daten in die Chips hinein- und wieder aus diesen herauszubringen.

Die Siliziumphotonik nutzt Standard-Sili-ziumhalbleiter als Medium zum Senden und Empfangen optischer Informationen zwischen Computern und elektronischen Komponenten. Dazu integrieren die Hersteller neben den elektrischen auch optische Komponenten ins Siliziumsubstrat. Die so gefertigten Mikrochips können bei einer sehr geringen Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung Daten über optische Wellenleiter mit Terabit-pro-Sekunden-Geschwindigkeit senden.

Viele verschiedene Bauelemente für die Herstellung solcher Halbleiterchips können bereits in kommerziellen Anlagen gefertigt werden. Die Produktion auf Wafer-Ebene ist inzwischen hochgradig automatisiert und relativ kostengünstig. Doch verlässt man die Wafer-Ebene und geht in Richtung einer Technologie mit gepackten Komplettsystemen, schnellen die Kosten nach oben.

Hohe Produktionsgeschwindigkeit und Präzision gefordert

Die Integration der Lichtquellen auf Wafer-Ebene und der Anschluss der optischen Ein- und Ausgänge gestalten sich schwierig. So haben die Lichtwellenleiter auf Silizium-Wafern typischerweise Kerndurchmesser von lediglich 150 bis 200 nm. Sie sind somit sehr viel filigraner als optische Einmoden-Glasfasern, deren Kerndurchmesser durchschnittlich bei etwa 9 µm liegt, also etwa 50-mal dicker ist. Eine solche Automatisierungsaufgabe zu bewältigen, ist damit eine beachtliche Herausforderung: So ist höchste Präzision bei der Handhabung, Positionierung und Justierung ebenso erforderlich wie eine hohe Produktionsgeschwindigkeit, um Massenmärkte bedienen zu können.

Bonding der ICs in einem Package

Das Unternehmen PI miCos hat sich dieser Aufgabenstellung angenommen und ein automatisches Photonikmontage- und Justiersystem entwickelt, das sich inzwischen im Vorserieneinsatz bewährt hat. Die Spezialisten für Mikro- und Nanopositionierung konnten dafür zahlreiche unternehmensinterne Synergieeffekte nutzen. So entstand eine schlüsselfertige Automatisierungslösung, die sich gut an unterschiedliche Anwendungsanforderungen anpassen lässt. Dabei werden die aus dem ganzen Wafer herausgetrennten Silizium-Schaltkreise in einem Package gebondet, um die elektrischen und optischen Verbindungen herzustellen. An dieses Bauteil werden dann weitere Elemente, wie beispielsweise ein Faser-Array, mit einer Genauigkeit im Sub-µm-Bereich angeschlossen.

Nanopositionierung, Bildverarbeitung und Robotik

Für die technische Realisierung dieser komplexen Automatisierungsaufgabe waren zu- nächst vier Bereiche abzudecken: die Mikro- und Nanopositionierung, die industrielle Bildverarbeitung, die Robotertechnik für das Aufnehmen und Positionieren der Bauteile (Pick and Place) sowie eine anwendungsspezifische Software- und Benutzerschnittstelle.

Der prinzipieller Aufbau und die Funk-tionsweise des Systems sind dabei einfach zu verstehen: Der Roboter, der von Bildverarbeitungssystemen geführt wird, nimmt die Komponenten auf und legt sie auf Zwischenhaltern ab. Anschliessend werden die Photonikkomponenten ebenfalls mithilfe eines industriellen Bildverarbeitungssystems, basierend auf Kameras im sichtbaren und im kurzwelligen Infrarotbereich, auf dem SI-Substrat präzise positioniert. Die Aufgabe übernimmt eine Kombination aus Linearpositionierern und Mikrofabrikationsrobotern, die mit sechs Freiheitsgraden arbeiten, den sogenannten SpaceFABs.

Parallelkinematik für hohe Präzision

Das parallelkinematische SpaceFAB-Prinzip basiert auf drei Kreuztischen, die über drei Beine mit konstanter Länge und eine geeignete Gelenkkonfiguration gemeinsam eine Plattform positionieren. Auf diese Weise lassen sich schnelle und hochpräzise Verfahrwege realisieren. Im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken bei parallelkinematischen Systemen alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform. Es können sich also nicht wie bei «gestapelten» Systemen Führungsfehler summieren; die Genauigkeit ist dadurch deutlich höher. Es gibt jedoch noch weitere Vorteile: beispielsweise geringere bewegte Masse und damit eine höhere und für alle Bewegungsachsen gleiche Dynamik, keine mitgeschleppten Kabel, die Reibungsverluste erzeugen, und einen deutlich kompakteren Aufbau.

Die Kreuztische, die das Unternehmen speziell für Anwendungen in der Lichtwellenleiterausrichtung entwickelt hat, lassen sich im geschlossenen Regelkreis mit rotativen Encodern oder präzisen Glasmessstäben ausrüsten. Das Hexapod-System ist für den Anwender einfach zu kommandieren. Der Controller erlaubt die Festlegung eines beliebigen Punkts im Raum als Rotationszentrum. Dieser frei definierbare Pivot-Punkt bleibt unabhängig von der Bewegung erhalten. Diese Eigenschaft kommt besonders bei der optischen Justage zum Tragen.

Beschleunigung des Fertigungs- prozesses auf wenige Minuten

Die Photonikkomponenten lassen sich auf diese Weise sehr präzise positionieren. Damit wird das sogenannte «First light» erreicht. Dieser Begriff meint, dass man die Durchgängigkeit des optischen Signals messen und überwachen kann. Das ist die Voraussetzung dafür, Maxima mit hoher Genauigkeit im Sub-Mikrometerbereich zu suchen und zu erkennen. An die erfolgreiche Feinjustierung schliesst dann ein automatischer Bonding-Zyklus an, wahlweise mit Epoxidharz mit UV- oder thermischer Aushärtung.

Durch diese für die Siliziumphotonik massgeschneiderte Vorserien-Automatisierungslösung reduziert sich der gesamte Fertigungsprozess auf wenige Minuten, was gegenüber den normalerweise heute üblichen vierzig Minuten oder mehr bei manueller Fertigung sehr günstig ist. Die Spezialisten für Nano- und Mikropositionierung treiben mit ihrem schlüsselfertigen Montage- und Justiersystem die Siliziumphotonik voran.

Infoservice


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Das System integriert mehrere Hardwarekomponenten und Software für die Automatisierung von Montage und Ausrichtung der Photonik


Schematischer Aufbau: Positionierungssystem für die Feinausrichtung (I), Software und Benutzeroberfläche (II), industrielle Bildverarbeitung (III) und konventionelle Robotik fürs Pick and Place der Kompo-nenten (IV)

Autoren

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter «Markt und Produkte» bei Physik Instrumente, und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee