光電共封裝技術(shù)CPO的演變與優(yōu)勢

以下文章來源于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究，作者深芯盟產(chǎn)業(yè)研究部

一、光電共封CPO的演變與優(yōu)勢

光電封裝技術(shù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)銅纜到板上光學(xué)，再到2.5D和3D光電共封裝的不斷演進。這一發(fā)展歷程展示了封裝技術(shù)在集成度、互連路徑和帶寬設(shè)計上的持續(xù)突破。未來，光電共封技術(shù)將進一步朝著更高集成度、更短互連路徑和更高帶寬方向發(fā)展，為提升數(shù)據(jù)中心和高性能計算的能效與速度提供雙重動力。

圖源: Tian, W. et al., Micromachines, Progress in Research on Co-Packaged Optics, 2023.

圖1 光電封裝技術(shù)的演變歷程

圖源：SEMI VISION

圖2 電線帶寬與光子線帶寬

圖中顯示，光子線通過多波長復(fù)用技術(shù)和小型化設(shè)計，大幅提升帶寬密度，成為高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)選技術(shù)。電線提供 10 到 100 Gbps 的帶寬，對應(yīng)的能耗較高（~10 pJ/bit）。相比之下，光子線（如單模光纖）可實現(xiàn)10到20 Tbps的超高帶寬，而能量消耗則大幅降低至不到1 pJ/bit。

二、玻璃基板CPO的未來

玻璃基板以其低損耗、高封裝密度和光學(xué)透明性，成為CPO技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動力，國內(nèi)外企業(yè)正積極探索其在數(shù)據(jù)中心和人工智能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。下表是光電共封領(lǐng)域硅基板和玻璃基板的關(guān)鍵特性對比：

表1硅基板與玻璃基板在光電共封裝領(lǐng)域中的材料特性對比

玻璃作為載板在光電共封裝中具有低電學(xué)損耗和光學(xué)透明性等優(yōu)勢，但目前玻璃基板的加工技術(shù)尚存挑戰(zhàn)，如打孔、電鍍與清洗工藝仍需優(yōu)化，散熱性能亦有提升空間。然而，未來通過改進玻璃材料特性、開發(fā)高精度波導(dǎo)加工技術(shù)、創(chuàng)新玻璃-金屬復(fù)合方案以及優(yōu)化散熱設(shè)計和生產(chǎn)工藝，玻璃基板的潛力將得到充分釋放。這將為光電共封裝技術(shù)的高速、低功耗和高密度發(fā)展提供重要支撐，使玻璃基板成為未來封裝領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。

三、玻璃基板CPO集成芯片結(jié)構(gòu)圖

圖源：CHOU B C, SATO Y, SUKUMARAN V, et al. "Modeling, Design, and Fabrication of Ultrahigh Bandwidth 3D Glass Photonics (3DGP) in Glass Interposers" [C]//2013 IEEE 63rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC). USA: IEEE, 2013: 286-291. DOI: 10.1109/ECTC.2013.6575585.

圖3 玻璃基板3D集成光波導(dǎo)封裝示意圖

佐治亞理工Bruce C. Chou等人提出了一種基于玻璃載板的光電混合封裝方案，如圖所示，此方案通過在玻璃載板中集成光波導(dǎo)實現(xiàn)光信號與電信號的高效耦合，驅(qū)動器、光子集成芯片（PIC）和跨阻放大器（TIA）倒裝安裝在玻璃基板表面，光信號通過有機透鏡聚焦到玻璃基板背面的光波導(dǎo)中，再通過U型槽與單模光纖（SMF）對準(zhǔn)耦合。電信號則通過玻璃基板中的金屬通孔（TGV）引出，從而實現(xiàn)光電協(xié)同功能。

圖源：Lars Brusberg et al., "Glass Platform for Co-Packaged Optics," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 29, No. 3, May/June 2023.

圖4 集成光波導(dǎo)芯片的TGV封裝結(jié)構(gòu)圖與器件原型圖

康寧公司Lars Brusberg 等人介紹了一種基于玻璃基板的 TGV 封裝結(jié)構(gòu)，其設(shè)計集成了頂層單面腔體與光波導(dǎo)芯片，以實現(xiàn)高效的光電互連。位于頂層單面腔體的玻璃基板中嵌入重布線層（RDLs），用于在功能芯粒與光子芯片之間提供高速電氣通道。通過玻璃通孔（TGV）在基板內(nèi)實現(xiàn)電路連接。TGV和RDLs使上層集成電路（ICs）與印刷電路板（PCB）之間實現(xiàn)了電氣扇出。同時，通過腔體內(nèi)的RDL重布線層與電氣凸點將光子芯片PIC與離子交換玻璃IOX光波導(dǎo)的垂直距離最小化至1微米，確保低損耗連接。模型圖展示了結(jié)合導(dǎo)向針的低外形光纖連接器，其設(shè)計實現(xiàn)了高精度對準(zhǔn)和回流焊兼容性，為光電器件的低成本、高效率封裝提供了示范。

四、國內(nèi)外三家玻璃基板CPO落地項目分析

1. 英特爾的玻璃基板CPO芯片

英特爾不僅是首家成功開發(fā)并大規(guī)模生產(chǎn)硅光子連接產(chǎn)品的企業(yè)，更是以其卓越的產(chǎn)品可靠性，贏得了全球主要云服務(wù)提供商的信賴。目前，英特爾正在開發(fā)玻璃基板和光互連技術(shù)，以推動高性能計算和人工智能的未來發(fā)展。玻璃基板以高互連密度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和精確制造能力支持大規(guī)模芯片封裝。光互連技術(shù)通過光計算互連模塊實現(xiàn)低功耗（5 pJ/bit）、高帶寬（4 Tbps）的數(shù)據(jù)傳輸，有效突破傳統(tǒng)電氣I/O瓶頸，廣泛適用于數(shù)據(jù)中心和AI基礎(chǔ)設(shè)施等場景。英特爾計劃到2030年實現(xiàn)玻璃基板量產(chǎn)，并推進OCI模塊的商業(yè)化落地。

2. 深光谷科技的高速光通信器件項目

在CIOE 2024展會上，深光谷科技展示了其在CPO光電集成互連領(lǐng)域的一系列創(chuàng)新成果，包括CPO光電集成互連interposer TGV/TSV芯片、3D波導(dǎo)光子互連芯片、多芯光纖扇入扇出器件以及模式復(fù)用器件等空分復(fù)用技術(shù)。其中，基于玻璃通孔光電轉(zhuǎn)接（TGV Interposer）技術(shù)的CPO玻璃基interposer芯片成為全場亮點。這款芯片采用先進的混合封裝技術(shù)，實現(xiàn)了晶圓與芯片的高效集成，其優(yōu)異的性能已通過驗證，展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用潛力。

深光谷科技董事長杜路平博士在接受媒體采訪時指出，玻璃基interposer芯片的核心優(yōu)勢在于提供更寬的帶寬和更低的制造成本。通過采用2.5D封裝技術(shù)，該方案顯著減小了產(chǎn)品體積，同時大幅提升了容量密度，為數(shù)據(jù)中心提供了高密度、大容量的光引擎解決方案，精準(zhǔn)匹配未來算力行業(yè)對高性能存儲的迫切需求。

3. 上交大無錫光芯研究院（CHIPX）的玻璃基板CPO項目

上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院（CHIPX）依托在薄膜鈮酸鋰（LNOI）光子芯片及飛秒激光直寫3D光子芯片領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，積極推進基于玻璃基板的CPO技術(shù)研發(fā)。研究院開發(fā)的玻璃芯基板（GCS）結(jié)合TGV技術(shù)，具備高密度、大面積、低損耗的光電封裝優(yōu)勢。通過集成片上有源器件（TFT）與無源器件（IPD），CHIPX實現(xiàn)了光電融合計算、傳感和互連，在CPO技術(shù)中突破多通道光耦合、高帶寬電連接、封裝散熱和3D基板封裝等技術(shù)難題。其創(chuàng)新設(shè)計顯著提升數(shù)據(jù)傳輸效率和能效比，為AI和HPC提供強大支持，并在云計算、大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。CHIPX于2021年12月由上海交通大學(xué)、無錫市濱湖區(qū)政府及蠡園經(jīng)濟開發(fā)區(qū)共同成立。

國內(nèi)企業(yè)在玻璃基板光電共封技術(shù)上已取得突破，但與英特爾等國際領(lǐng)先企業(yè)相比，仍存在一定的技術(shù)差距。特別是在光計算互連模塊、低功耗數(shù)據(jù)傳輸及量產(chǎn)能力方面，國內(nèi)企業(yè)需要進一步攻克技術(shù)壁壘。

五、國內(nèi)企業(yè)玻璃基板光電封裝探索

深光谷科技通過創(chuàng)新性的TGV技術(shù)和2.5D封裝，推出了玻璃基interposer芯片及CPO光電集成互連產(chǎn)品，在CPO光電集成領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。其解決了高密度封裝與高性能需求的矛盾，特別是在數(shù)據(jù)中心和AI基礎(chǔ)設(shè)施市場展現(xiàn)了卓越的應(yīng)用潛力。然而，其在技術(shù)專利布局、全球化推廣以及規(guī)?；a(chǎn)能力上仍需進一步突破。

上交大無錫光芯研究院（CHIPX）依托上海交通大學(xué)的科研實力，在玻璃基板光電共封領(lǐng)域構(gòu)建了核心技術(shù)優(yōu)勢。通過開發(fā)玻璃芯基板（GCS）及結(jié)合TGV技術(shù)，其在高帶寬電連接、多通道光耦合等方面實現(xiàn)了技術(shù)突破。但當(dāng)前其技術(shù)轉(zhuǎn)化路徑尚未完全清晰，產(chǎn)業(yè)化推進速度較為緩慢，市場競爭力仍需提升。

目前，除深光谷科技和CHIPX外，國內(nèi)企業(yè)如光迅科技、華工科技、天孚通信和中際旭創(chuàng)也在玻璃基板光電封裝領(lǐng)域積極布局。光迅科技依托成熟的市場渠道與高校合作開展高密度封裝研究；華工科技聚焦智能制造優(yōu)化玻璃基板器件性能；天孚通信專注微型化與高可靠性光電互連模塊開發(fā)；中際旭創(chuàng)在高速光模塊中引入玻璃基板技術(shù)，不斷強化核心專利布局。國內(nèi)企業(yè)正通過多維創(chuàng)新推動光電共封技術(shù)發(fā)展。

結(jié)語

玻璃基板憑借其優(yōu)異的電學(xué)性能、低信號傳輸損耗特性以及大規(guī)模制造潛力，正助力光電共封裝芯片向更高帶寬、更低功耗和更高封裝密度方向發(fā)展，為光電集成領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破奠定基礎(chǔ)。盡管國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)積累和量產(chǎn)能力上與國際巨頭存在差距，但通過持續(xù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化布局，已展現(xiàn)出強勁的發(fā)展?jié)摿?。未來，隨著玻璃基板加工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力的不斷提升，國內(nèi)企業(yè)有望在玻璃基板光電共封領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，為高性能計算和人工智能提供更強支撐。