推進(jìn)光電子集成芯片封裝技術(shù)

原創(chuàng) 逍遙科技 逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言

過(guò)去十年，光電子集成芯片技術(shù)取得顯著進(jìn)展，應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的收發(fā)器擴(kuò)展到光計(jì)算、生物醫(yī)學(xué)傳感、光互連和消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)硬件對(duì)光學(xué)解決方案需求的增長(zhǎng)，高密度電光互連的多芯片模塊需求日益增加。但該行業(yè)在電氣和光學(xué)assembly及封裝方面面臨重大挑戰(zhàn)，特別是在提高密度、帶寬以及開(kāi)發(fā)適用于大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)高效assembly工藝方面[1]。

現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

目前，晶圓廠生產(chǎn)的光電子集成芯片的assembly技術(shù)主要集中在原型設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)上。圖1展示了使用直接連接光纖陣列單元(FAUs)對(duì)光電子集成芯片進(jìn)行光耦合的傳統(tǒng)方法。雖然這種方法適用于原型設(shè)計(jì)，但由于涉及大量分立元件和松散光纖，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

圖1展示了傳統(tǒng)的光纖陣列單元耦合，顯示了當(dāng)前光電子集成芯片assembly方法的復(fù)雜性和局限性。

行業(yè)面臨關(guān)鍵的成本挑戰(zhàn)：assembly成本占集成光電子器件總成本的約80%，而典型半導(dǎo)體器件僅占20%。這種差異凸顯了簡(jiǎn)化、可擴(kuò)展assembly方法的迫切需求，以促進(jìn)光電子集成芯片從小眾解決方案向主流應(yīng)用轉(zhuǎn)變。

先進(jìn)封裝解決方案

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，該行業(yè)正在推進(jìn)光電子集成芯片封裝的"半導(dǎo)體化"，在適應(yīng)光互連獨(dú)特需求的同時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)證的半導(dǎo)體行業(yè)工藝。芯片集成技術(shù)中心(CITC)和vario-optics正在開(kāi)發(fā)一種可擴(kuò)展的板級(jí)assembly概念，有效結(jié)合電氣和光學(xué)元件。

圖2展示了使用玻璃基板的先進(jìn)封裝概念，頂部為光學(xué)重分布層，底部為電氣重分布層，實(shí)現(xiàn)了全面的芯片到芯片和芯片到外部通信。

該概念采用板級(jí)扇出設(shè)計(jì)，電氣和光學(xué)chiplet均安裝在板上。系統(tǒng)包含電氣和光學(xué)重分布層(eRDLs和oRDLs)，用于全面連接。穿透玻璃導(dǎo)通孔(TGVs)使電氣互連能夠在板面之間穿越，同時(shí)采用倒裝芯片焊接技術(shù)固定電子集成芯片和光電子集成芯片。

聚合物波導(dǎo)技術(shù)

該先進(jìn)封裝方法的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用聚合物波導(dǎo)。這些結(jié)構(gòu)可以使用紫外光刻技術(shù)在各種基板上大量制造，具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)：

核心尺寸和模場(chǎng)直徑的靈活性

與多種光電子集成芯片技術(shù)的兼容性

與傳統(tǒng)方法相比制造成本較低

支持常用波長(zhǎng)的單模操作

高功率損傷閾值

良好的環(huán)境穩(wěn)定性

與回流焊工藝的兼容性

圖3顯示了不同平臺(tái)的模場(chǎng)直徑，突出了聚合物波導(dǎo)在匹配不同光學(xué)要求方面的多功能性。

耦合技術(shù)與優(yōu)化

該行業(yè)開(kāi)發(fā)了多種將光電子集成芯片連接到光學(xué)重分布層的方法。每種方法都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)：

圖4比較了邊緣耦合、光柵耦合器和絕熱耦合，顯示各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。

圖5仿真結(jié)果展示了絕熱耦合的效率，顯示通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)低至0.08 dB的耦合損耗。

漸變場(chǎng)（絕熱）耦合技術(shù)表現(xiàn)出特別優(yōu)異的性能，在1550納米波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)低至0.2 dB的耦合損耗。這種方法具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)：

寬松的橫向?qū)?zhǔn)公差（±2微米）

寬廣的工作波長(zhǎng)范圍

與各種光電子集成芯片技術(shù)的兼容性

通過(guò)近場(chǎng)相互作用的高效能量傳遞

未來(lái)展望

在單個(gè)封裝中集成電子和光電子技術(shù)代表了光電子集成芯片assembly和封裝成功半導(dǎo)體化的關(guān)鍵步驟。先進(jìn)的板級(jí)工藝結(jié)合高效的耦合方法，在滿足關(guān)鍵要求方面顯示出巨大潛力：

光互連損耗低于1 dB

超過(guò)1微米的寬松對(duì)準(zhǔn)公差

利用自動(dòng)化無(wú)源對(duì)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)高效assembly方法

這些技術(shù)的持續(xù)發(fā)展對(duì)于推動(dòng)光電子集成芯片在電信到消費(fèi)電子等各種應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] N. Fl?ry, V. Str?ssle, S. Dorrestein, and T. de Oliveira, "Advancing the semiconductorisation of photonic chip packaging," PIC Magazine, vol. 4, pp. 32-39, 2024.

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審核編輯 黃宇