塑膠光纖開始大量應用在車用光通訊系統，但是車用裝置必須在嚴峻的高、低溫環境下工作及保存，並對抗車內各種雜訊源，也必須能在低電力條件下工作。因此車用光通訊必須進行改良，例如降低封裝整體的熱阻抗、確保光路穩定性、使用高熱傳導性添加物以改善散熱性，並利用光學元件表面粘著技術，使接點產生的熱能夠高效率地被引導至導線架。此外，利用二階段錐形反射鏡，能使發射效率提升，耗電可望低於100毫瓦。
塑膠光纖開始大量應用在車用光通訊系統，但是車用裝置必須在嚴峻的高、低溫環境下工作及保存，並對抗車內各種雜訊源，也必須能在低電力條件下工作。因此車用光通訊必須進行改良，例如降低封裝整體的熱阻抗、確保光路穩定性、使用高熱傳導性添加物以改善散熱性，並利用光學元件表面粘著技術，使接點產生的熱能夠高效率地被引導至導線架。此外，利用二階段錐形反射鏡，能使發射效率提升，耗電可望低於100毫瓦。
隨著車用資訊技術的進步，以高速傳輸、抗雜訊干擾、輕巧為主要訴求的塑膠光纖(Plastic Optical Fiber, POF)已經開始被當作資訊傳輸媒體，應用在以歐洲為主的車用光通訊系統領域。
如眾周知，車用裝置要求必須能在高溫、低溫等嚴酷條件下執行，停放時的保存性能則必須與使用時相同，甚至超越高、低溫時的性能。由於車內具有各種雜訊源，再加上傳輸速度高速化，使得接收端雜訊急遽增加，因此車用光通訊模組本身的抗雜訊對策成為重要課題。此外，車用設備使用電池當作電源，比一般消費性設備面對更嚴重的低電力化，也是業者面臨的挑戰之一。有鑑於此，本文以新世代光通訊模組封裝為例，深入探討耐環境特性技術的發展動向。
改良光通訊模組結構對抗高溫
傳統光通訊模組封裝通常是將收、發光元件裝設在導線架上，再包覆透明樹脂，一體成形。由於透明樹脂的熱傳導率較低，熱膨脹係數卻很大，高溫使用狀態時半導體元件的接點溫度經常超過容許值，導致元件產生劣化、損壞等現象；大溫度範圍使用時，半導體元件與固定導線承受過大熱應力，也容易造成元件特性劣化、固定導線斷裂等問題。
有效對策是在設有開口的導線架背面，藉由次黏著基台(Submount)將LED、光偵測器(PD)等半導體光學元件作表面粘著，光路以外的部位則使用添加高熱傳導性填充物非透明樹脂密封，利用對流與放射提高散熱性，進而降低封裝整體的熱阻抗。利用低彈性矽質樹脂粘接塑膠鏡片，則可確保光路穩定性。圖1是光通訊模組實際外觀；圖2(a)是發射器斷面結構，圖2(b)是接收器斷面結構。
次黏著基台除了可以當作光學元件與導線架之間產生的熱應力緩衝材之外，它與發射端設於矽次黏著基台與導線架開口部錐形反射鏡(Taper Mirror)組合後，還可以收斂LED的放射光，改善朝向塑膠光纖的集光效率。矽次黏著基台與導線架的錐形反射鏡，則依照彼此的矽異方性，利用蝕刻 (Etching)與精密沖壓(Press)技術加工製成。
接收端透過玻璃次黏著基台連接光學元件與導線架，玻璃次黏著基台與收光元件之間填充透明底部填充劑(Underfill)，藉此防止非透明樹脂流入。表1是新型光通訊模組的主要規格一覽。
高熱傳導性添加物改善散熱
光通訊模組最大動作時的周圍溫度是以天花板內或汽車引擎蓋內部105℃高溫環境作設定，一般高溫動作的光學元件與半導體元件的容許接點(Junction) 溫度為125℃，為使光學元件穩定動作，因此施加電力P，如圖3所示，接點與空氣之間必要的熱阻抗要求低於(125～105)/P℃/W以下。
此處假設光學元件的消耗電力為100毫瓦，測試界限(Margin)為10%，接點與空氣之間的設計阻抗為180℃/W，為達成設計阻抗，因此利用添加高熱傳導性添加物Trans Mould樹脂，改善散熱性，再利用光學元件表面粘著技術，使接點產生的熱能夠高效率地被引導至導線架。
封裝均熱性獲得提升
散熱設計除了考慮利用輻射散熱之外，對流係數則依照各封裝表面溫度進行設定，計算時則採用有限元素法(FEM)進行模擬分析。設計上主要模擬分析條件分別如下：
‧周圍溫度：105℃
‧樹脂表面放射率：0.9
‧導線架表面放射率：0.3
至於熱阻抗值，則利用元件設置於驅動晶片與LED兩者之間的接收端熱阻抗值，這意味著使用光電積體電路(OEIC)時，增幅晶片與光偵測器一體化的接收端熱阻抗值乃是非常嚴苛的條件。
表2是新型光通訊模組在105℃的周圍溫度時的熱阻抗計算值與實測結果，由表2可知實測值與利用模擬分析的計算值兩者相差低於10%，這意味著新型光通訊模組的散熱設計完全符合預期目標。
圖4是傳統與新型光通訊模組的封裝溫度分布比較結果，由圖可知傳統光通訊模組的高、低溫分布非常大，它的散熱效率並不理想，相較之下，新型光通訊模組的封裝均熱性獲得提升，因此散熱效率大幅改善。
降低熱膨脹係數避免導線斷裂
由於固定導線(Bonding Wire)的直徑只有25微米，利用透明樹脂封裝的光學元件在大溫度範圍使用時，極易因熱歪斜導致第一固定頸部(Bonding Neck)斷裂，添加填充物的樹脂與元件以及固定導線的熱膨脹係數較低，只有傳統光學元件常用透明模造樹脂的1/5，因此溫度急遽變化時，對固定導線造成的傷害相對降低。
此處為了分析新型光通訊模組的封裝效果，與第一固定頸部的熱歪斜動作機制，因此針對有限元素法的區隔(Partition)作特別設計，將線徑25微米金(Au)固定導線立體模式化(Solid Model)，依此製成有限元素法模式提高計算精度。
圖5是利用應力分析進行導線部位的熱歪斜分布比較結果，由圖可知第一固定頸部會發生金的再結晶化，延伸長度超過一般部位一半便斷裂，圖中白色圓形部位的第一固定頸部明顯變大，由於它對再結晶化的延伸變得非常脆弱，加上熱應力在導線其他部位也增大，其結果造成斷裂集中在第一固定頸部。
上述金固定導線的容許延伸率為2%，斷裂集中在第一固定頸部顯然是第一固定頸部的容許延伸率匹配不當，亦即斷裂歪斜是因為再結晶化只有 1%所造成。圖5上方傳統透明樹脂構成的結構它的歪斜超過2%；圖5下方新型結構的歪斜則低於1%目標值。
二階段錐形反射鏡降低耗電
為達成光通訊模組低消耗電力訴求，因此必須降低電流驅動元件LED的消耗電流。新型光通訊模組的LED放射光強度部位屬於「Lambert Type」，利用鏡片集光時，大放射角的光線反而變成結合損失。
如圖6所示，有效對策是利用LED的表面粘著構造，利用設置在次黏著基台與導線架二階段結構錐形反射鏡，將傳統光學無法收斂的大放射角光線集光，使發射效率比傳統封裝改善3dB左右，如果再搭配新開發的驅動晶片，消耗電力可望達成100毫瓦以下的預期目標。
玻璃表面粘著提升耐雜訊能力
車用光通訊元件對外來雜訊的遮蔽非常重要，上述新型光通訊模組是將已經積體電路化的二極體單元與增幅單元，利用玻璃表面粘著技術(Glass Surface Mount)封裝在GND電位的導線架上，光學元件的收光面與反射面設有GND電位，二極體單元與增幅單元，再以GND電位挾持包覆，如此便可獲得遮蔽 (Shield)效果。
圖7是50Mbit/s、-24dB調變光訊號輸入收光部時的輸出波形，圖7(a)是傳統結構站立、下降時雜訊造成的抖動 (Jitter)，它與圖7(b)新型光通訊模組比較時，相當於1.5dB光訊號強度，由此可知遮蔽效果確實可以改善光通訊模組的抗噪性，使最小受光量提高1.5dB。
表3是新型光通訊模組可靠性測試項目，根據測試結果顯示輸出波形、消耗電力、外觀都沒有發生任何異狀。
以高速傳輸、抗雜訊干擾、輕巧為主要訴求的塑膠光纖，已開始被應用在汽車光通訊系統等領域。由於車用光通訊裝置不僅必須面臨高溫、低溫等嚴酷環境考驗，加上車內具有各種雜訊源，傳輸速度高速化的結果，使得接收端的雜訊急遽增加，因此車用光通訊模組本身的雜訊對策成為重要課題。最後是有關車用設備的電力來源，由於電池容量的限制，低電力化也是業者面臨的挑戰之一。
上述新世代光通訊模組利用高熱傳導性樹脂與全新封裝技術，以及散熱模擬分析技術改善模組的耐環境特性；二階段錐形反射鏡結構與新型驅動晶片，則可以有效提高集光效率降低消耗電力。
(詳細圖表請見新通訊元件雜誌67期9月號)