光模块的部件能用树脂制造吗？玻璃、陶瓷带来的壁垒

📌 三行读懂本文

• 光模块内部的光学部件（FAU外壳、光引擎外壳、微透镜阵列保持部件等），目前仍以石英玻璃和陶瓷为主流
• 玻璃、陶瓷在重量和生产率方面不如树脂，但在线膨胀系数小和回流焊耐热性方面比树脂更有优势
• Iupizeta EP正在开发可突破这一壁垒的超高耐热牌号，今后有可能替代玻璃和陶瓷

什么是光模块？内部光学部件使用玻璃、陶瓷的原因

光模块（光收发器）是将电信号与光信号相互转换的部件。它搭载于数据中心和通信基站的交换机、路由器中，支撑着大容量通信。

其内部组装有多种光学部件。具有代表性的有：将多根光纤高精度排列并固定的“FAU外壳（光纤阵列单元外壳）”，容纳进行电信号与光信号转换的光引擎的“光引擎外壳”，固定排列有大量微小透镜的“微透镜阵列”的“微透镜阵列保持部件”，以及保持光纤端部的精密圆筒部件“插芯”等。

这些部件目前仍大量使用石英玻璃和陶瓷。原因之一是线膨胀系数（表示材料随温度变化膨胀、收缩程度的指标）小。光纤的对位需要数μm级的精度，因此一直以来都选用即使温度变化尺寸也几乎不变的材料。此外，在光连接器的插芯方面，自1987年氧化锆（ZrO₂）陶瓷取代氧化铝实现实用化以来，高强度、高韧性的氧化锆已成为主流。

玻璃、陶瓷制品面临的2个课题

重

光学玻璃和陶瓷是比重大于树脂的材料。

陶瓷比石英玻璃更重，与树脂的比重差比玻璃更大。在组装大量部件的光模块中，这一比重差会直接体现为模块整体的重量。

生产率难以提高

成型、加工所需的温度也有很大差异。玻璃模压成型需要加热到600~700℃左右，陶瓷的烧结通常也是远超1000℃的高温工序。相比之下，树脂的注塑成型温度约为200~300℃，要低得多，模具磨损少，适合连续生产。

高温工序会缩短模具寿命，加工设备也往往十分庞大。可在低温下成型的树脂，在这一点上具有适合量产的特性。

树脂化有望解决的问题

这些课题有可能通过改用树脂来解决。

• 轻量化：仅根据比重差进行简单估算，理论上树脂化可实现约1/2~1/5的轻量化（实际部件重量会因形状、壁厚而变化，此数值仅是基于材料比重差的参考）
• 提高生产率：树脂的注塑成型可在远低于玻璃模压和陶瓷烧结的温度下进行，因此模具磨损少，适合连续生产
• 提高设计自由度：使用高折射率树脂，可以用更平缓的曲率、更薄的形状实现相同的光学性能。这也是在微透镜阵列树脂化方案中介绍过的、光学树脂共通的优点

树脂化的壁垒：线膨胀系数与回流焊耐热性

另一方面，树脂化也存在必须如实面对的课题。

线膨胀系数

石英玻璃的线膨胀系数极小，陶瓷比它高一个数量级，树脂又比陶瓷再高一个数量级。在要求光纤定位精度的部件中，线膨胀系数大是树脂在尺寸稳定性方面相对不利的因素。

回流焊耐热性

光模块要表面贴装到印刷电路板上，因此在制造工序中要经过被称为“回流焊”的焊接工序。无铅焊料的回流焊工序，一般认为可达250℃以上的高温（IPC/JEDEC标准J-STD-020，是对表面贴装器件的吸湿与回流焊耐受性进行分级的标准）。

Iupizeta EP通常牌号（EP-4500~EP-9000）的玻璃化转变温度（Tg，树脂从硬态开始变软的温度参考值）为140~145℃。该温度大幅低于回流焊工序的温度，因此通常牌号在基板安装时存在软化、变形的风险。在考虑树脂化时，这是需要如实了解的制约。

Iupizeta EP这一选择

Iupizeta EP是通过分子设计兼顾高折射率与低双折射的光学树脂。另一方面，光模块的安装需要经过将器件焊接到基板上的“回流焊”工序，而无铅回流焊可达250℃以上的高温。因此，通常牌号（EP-4500~EP-9000，Tg=140~145℃）根据用途、形状和条件的不同，在回流焊工序中有软化、变形的风险，对于需要耐受回流焊的部件，可能成为制约。

为此，MGC（三菱瓦斯化学）正在研究在保持原有光学特性的同时，面向回流焊工序的超高耐热开发材料。例如，我们正在开发具有以下物性的树脂。

开发材料A：折射率nd=1.61，Tg=264℃

开发材料B：折射率nd=1.63，Tg=280℃

两者在光通信中广泛使用的1310nm波段和1550nm波段均表现出良好的内部透过率，有助于实现光学部件所要求的低损耗化。此外，其双折射远低于热塑性聚酰亚胺和聚醚酰亚胺（PEI），吸水引起的尺寸变化也远小于热塑性聚酰亚胺和PEI，因此在温湿度变动下光学对准稳定性成为课题的用途中，也具备便于研究采用的特点。

关于线膨胀系数（CTE），虽然低于通常的聚碳酸酯树脂，但与石英玻璃和陶瓷相比仍然较大。因此，着眼于应用到FAU外壳、光引擎外壳等对定位精度和温度稳定性要求尤为严格的部件，我们也在同步研究进一步降低CTE。

此外，预计该材料对365nm附近的光也具有一定的透过性，因此我们也在研究其应用于采用UV固化的固定工艺（UV固化型粘合剂等）的可能性。如果能在光学对准后用UV短时间固定，有望在工序设计自由度和量产性方面带来优势（实际是否适用，需结合粘合剂、膜厚、形状、照射条件等进行评价）。

对于迄今由石英玻璃和陶瓷承担的FAU外壳、光引擎外壳、微透镜阵列保持部件等，我们在发挥轻量化、提高量产性这些树脂化优点的同时，也可提供符合包括回流焊耐热在内的要求规格的材料方案。关于是否适用及具体条件，欢迎随时咨询。

总结｜考虑从玻璃、陶瓷切换为树脂时

光模块内部的FAU外壳和光引擎外壳目前以石英玻璃和陶瓷为主流，但在重量和生产率方面，有望通过树脂化来解决。线膨胀系数和回流焊耐热性这两道壁垒仍然存在，但随着超高耐热材料的开发推进，也看到了突破这些壁垒的可能。

光学部件的材料选用若有疑问，请通过Iupizeta EP官方网站（https://iupizeta.mgc.co.jp/cn/）确认各牌号的物性信息和开发进展。

本文中部分图片与文字使用了生成式AI辅助制作。