La fotonica del silicio si avvicina alle esigenze della produzione di massa

La fotonica del silicio è la tecnologia emergente che utilizza processi e componenti standard della tecnologia CMOS come mezzo per inviare, ricevere e distribuire informazione di tipo ottico tra CPU e altri componenti elettronici con velocità di trasmissione nell’ordine dei Tbit/s, basso consumo e generazione di calore.

PI miCos, sussidiaria del Gruppo PI (Physik Instrumente), è specializzata nella progettazione e creazione di sistemi e componenti per la fotonica, il nano-posizionamento e la tecnologia laser, e offre inoltre servizi completi di system integration nel campo dell’ottica e del motion control.
PI miCos sarà tra gli espositori di A&T – Affidabilità & Tecnologie, la manifestazione internazionale dedicata alle tecnologie innovative (Torino, 22/23 Aprile 2015), dove presenterà nuove soluzioni nel campo della produzione ed ispezione di chip fotonici.

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Soluzioni automatizzate per produrre componenti elettronici, integrati con fibre ottiche

Tra i neologismi oggi più di moda vi sono sicuramente cloud computing e internet veloce: l’attenzione è migrata dalle telecomunicazioni al “data-communication”, ovvero verso processi in cui la connessione ottica non è utilizzata su lunghe distanze ma per la comunicazione interna ad un chip, tra chip distinti o tra i chip e la board che li ospita.

In questo scenario, congiuntamente all’alto rendimento e alla possibilità di integrazione con altri componenti elettronici, l’economicità rappresenta un requisito fondamentale. La produzione dei wafer è infatti oggi altamente automatizzata e ha raggiunto prezzi ragionevolmente bassi; tuttavia applicare componenti ottici su un substrato di silicio e regolarne la connettività ottica (necessaria a portare l’informazione da e verso il chip) restano operazioni tutt’altro che semplici. Normalmente, le guide ottiche su wafer di silicio hanno infatti una larghezza da 200 a 400 nm, molto più piccole quindi delle classiche fibre ottiche mono-modali in vetro che hanno un core di circa 9 μm.

Produzione ed ispezione di chip fotonici

Figura 1: Soluzione automatizzata per produzione ed ispezione di chip fotonici: il sistema integra l’hardware e il software per l’automazione dell’assemblaggio e dell’allineamento tra cui tecnologie robot per il pick-and-place, strumenti per il posizionamento di precisione e analisi di immagine (Immagine: PI)

Aprire la strada verso produzioni di massa ottimizzate nei costi significa automatizzare le operazioni di posizionamento affiancandovi sistemi di visione artificiale e misura diretta. La gestione di un tale sistema è una vera sfida e richiede massima precisione nelle operazioni di manipolazione, posizionamento e aggiustamento ed una velocità di produzione tale da poter servire il mercato di massa.

PI miCos ha raccolto questa sfida sviluppando dalle tecnologie presenti in casa una macchina di assemblaggio e allineamento di componenti fotonici. Il risultato è un sistema chiavi in mano (Fig. 1) adattabile facilmente alle varie richieste applicative e in grado di assemblare su un chip di silicio un package ceramico con componenti ottici posizionati con accuratezza sub-micrometrica.

Nano-posizionamento, Analisi di Immagine e Robotica

Quattro blocchi distinti (Fig. 2) implementano questo complesso banco di allineamento e assemblaggio: micro e nano-posizionamento, visione artificiale, robotica per il pick-and-place e software dedicato con interfaccia grafica utente. Il robot, guidato dal sistema di visione, preleva i componenti e li posa nell’holder intermedio. I componenti fotonici sono poi sistemati con accuratezza micrometrica sul substrato di silicio utilizzando un sistema di elaborazione immagini ad alta risoluzione nello spettro del visibile e dell’infrarosso ad onda corta (SWIR).

Banco di allineamento e assemblaggio

Figura 2: Sistema SpaceFAB per l’aggiustamento fine (I), software dedicato e interfaccia utente (II), sistema industriale di imaging (III) e robotica standard per il pick-and-place dei componenti (IV) (immagine: PI)

Ottenuta la cosiddetta “prima luce”, ovvero la condizione in cui la continuità del segnale ottico può essere misurata e monitorata, la ricerca sub-micrometrica del picco di intensità avviene ad opera di una combinazione di posizionatori lineari e robot per la micro-fabbricazione che operano su sei gradi di libertà: gli SpaceFAB di PI miCos a cinematica parallela.

La cinematica parallela

Uno SpaceFAB realizza movimenti veloci e ad alta precisione in anello chiuso grazie a slitte micrometriche (dotate di righe ottiche) in configurazione XY che muovono in maniera congiunta un’unica piattaforma tramite gambe di lunghezza costante e un’opportuna configurazione dei giunti meccanici (Fig. 3).

Agendo direttamente sulla stessa piattaforma, si evita il cumulo di errori di guida tipico dei sistemi a cinematica seriale “impilati”, migliorando perciò notevolmente l‘accuratezza. Grazie alla minore massa in movimento, anche le prestazioni dinamiche migliorano e sono costanti sui vari assi.  Non vi sono infine cavi in movimento e il sistema risulta molto più compatto.

Cinematica parallela

Figura 3: Cinematica parallela: gli attuatori agiscono su un’unica piattaforma (immagine: PI)

Il controllore dello SpaceFAB consente di definire un fulcro di rotazione arbitrario nello spazio e di mantenerlo indipendentemente dal movimento, caratteristica irrinunciabile per ottenere un aggiustamento preciso dei componenti fotonici.

Completato l’allineamento fine, segue un ciclo automatico di fissaggio con resine epossidiche e solidificazione termica o UV. Questa soluzione dedicata di pre-produzione ha una durata di processo di solo alcuni minuti, ben al di sotto dei 40 normalmente necessari in modalità manuale.

Con il loro sistema chiavi in mano, gli specialisti del nano e micro-posizionamento hanno dato un contribuito importante ad avvicinare la fotonica del silicio alle esigenze della produzione di massa. Sarà interessante seguire cosa il futuro ha in serbo.

Il Gruppo PI (Physik Instrumente)

Ben conosciuta per l’alta qualità dei suoi prodotti, PI (Physik Instrumente) è da sempre una delle aziende di riferimento nel mercato globale dei sistemi di nano-posizionamento e può vantare un’esperienza di ormai 40 anni nello sviluppo e nella fabbricazione di prodotti standard ed OEM, su tecnologie convenzionali e piezoelettriche. Quattro siti produttivi in Germania e dieci uffici all’estero dedicati alla vendita e all’assistenza fanno del Gruppo PI una consolidata realtà internazionale che, grazie al contributo di oltre 700 dipendenti qualificati, è ad oggi in grado di soddisfare qualsiasi richiesta relativa al posizionamento di precisione.

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