凡事有好有壞，光模塊封裝技術(shù)也不例外

  ICC訊 知名光模塊制造商深圳市恒寶通光電子股份有限公司副總經(jīng)理葉宇博士分享了他對于數據中心光模塊COB封裝技術(shù)優(yōu)劣勢和后續封裝發(fā)展趨勢。

  光模塊(圖1)是光通信系統中的重要部件，主要作用是實(shí)現光電信號的相互轉化，附帶通信信號的監控管理等功能。在光纖網(wǎng)絡(luò )遍布的今天，光模塊的應用場(chǎng)景也越來(lái)越多。例如我們在用手機打電話(huà)時(shí)，手機信號和基站之間是無(wú)線(xiàn)電通信，從基站到服務(wù)器之間通過(guò)光纖鏈路連接，就需要用到光模塊;光纖入戶(hù)的寬帶網(wǎng)絡(luò )和數據中心內大量交換機的相互連接也需要用到光模塊。

圖1 恒寶通光模塊實(shí)物圖

  光模塊市場(chǎng)需求情況

  據Lightcounting 預計，2022年全球光模塊市場(chǎng)將達到81.32億美元，預計2021~2026年的復合年增長(cháng)率可能達到13.7%。其中數據中心應用光模塊占比已經(jīng)超過(guò)電信市場(chǎng)光模塊，預計2022年占比達到55%以上。圖2為光模塊全球市場(chǎng)及資本開(kāi)支情況分析。

圖2 光模塊全球市場(chǎng)及資本開(kāi)支情況。(a)全球光模塊市場(chǎng)應用領(lǐng)域情況;(b)中國云廠(chǎng)商資本開(kāi)支情況 (圖片來(lái)源：五礦證券)

  數據中心整體資本支出仍在快速擴張。據Cignal AI長(cháng)期預測，2021~2026年，計算和存儲云基礎設施支出的復合年增長(cháng)率(CAGR)將達到12.6%。后疫情時(shí)代線(xiàn)上生活工作方式的變化、公有云(公有云是指第三方提供商通過(guò)公共Internet為用戶(hù)提供的云服務(wù)，用戶(hù)可以通過(guò)Internet訪(fǎng)問(wèn)云并享受各類(lèi)服務(wù)，包括并不限于計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )等。)巨頭的全球擴張以及AI在各行業(yè)的快速落地發(fā)展下，數據中心投資保持著(zhù)強勁勢頭，使得數據中心光模塊市場(chǎng)景氣度持續提升。

  預計在“十四五”期間，我國大數據中心投資將以每年超過(guò)20%的速度增長(cháng)，累計帶動(dòng)各方面投資將超過(guò)3萬(wàn)億元。隨著(zhù)2022年2月“東數西算”工程的全面啟動(dòng)，在京津冀、長(cháng)三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地將建設國家算力樞紐節點(diǎn)，并規劃了10個(gè)國家數據中心集群。超大規模數據中心的建設將提供大量的光模塊需求，也加快了數據中心光模塊封裝技術(shù)迭代更新速度。

  與此同時(shí)，國內光模塊廠(chǎng)家的市場(chǎng)占有率也在快速提升。據 Lightcounting 數據統計，從2010年到2020年，國內光模塊廠(chǎng)家全球份額從16.8%提升到43.9%，據預測國產(chǎn)廠(chǎng)家 2022~2024 年市場(chǎng)占有率將每年增加3%。圖3為光模塊在電信市場(chǎng)及數據中心應用場(chǎng)景。

圖3 光模塊在電信市場(chǎng)及數據中心應用場(chǎng)景。(a)5G電信網(wǎng)絡(luò )構架(圖片來(lái)源：國聯(lián)證券);(b)數據中心脊葉服務(wù)器構架

(圖片來(lái)源：http://www.infiberone.cn)

  數據中心光模塊COB封裝技術(shù)

  根據應用場(chǎng)景和要求的不同，光模塊大致可以分為電信級和數據中心光模塊。前者應用的環(huán)境條件惡劣，更換維護困難;后者相對環(huán)境溫和，維護便利。例如在室外基站上使用的電信級光模塊，在日照強烈的時(shí)候可能面臨80 ℃的高溫工作環(huán)境，而在北方的冬夜環(huán)境溫度可能低至零下40 ℃。同時(shí)，為了保障信號覆蓋，這些基站可能處于山林等交通不便的地方，難以進(jìn)行經(jīng)常性維護。這些特點(diǎn)都決定了電信級光模塊對可靠性保障的高要求。

  反觀(guān)數據中心應用場(chǎng)景，可能處于空調控溫控濕的機房?jì)?，常駐維護人員可以隨時(shí)進(jìn)行檢修，因此對可靠性要求相對較低。綜合應用場(chǎng)景、要求、成本等多方面的考慮，演化出了不同的光模塊封裝技術(shù)。目前，電信級光模塊多采用氣密性的To-can或BOX(盒式)封裝技術(shù);數據中心光模塊多采用非氣密性COB封裝技術(shù)，如圖4。COB全稱(chēng)是chip on board，即板上芯片封裝，將裸芯片用導電或非導電膠粘附在PCB上，然后進(jìn)行引線(xiàn)鍵合實(shí)現其電氣連接，并用膠把芯片和鍵合引線(xiàn)包封。該封裝技術(shù)最早廣泛應用于LED的封裝，后來(lái)被引入光模塊的封裝。

圖4 (a)BOX封裝光模塊實(shí)物圖；(b)COB封裝光模塊實(shí)物圖

  COB封裝的技術(shù)優(yōu)勢

  (1)更好的高速信號連接性能

  采用氣密性封裝的電信級光模塊，激光器與PCB的連接需要通過(guò)FPC(軟排線(xiàn))和高頻陶瓷，然后才通過(guò)金線(xiàn)與激光器連接。在多個(gè)連接點(diǎn)上阻抗連續性難以保障，信號完整性損失在所難免。而在COB封裝中，激光器能夠直接與PCB通過(guò)金線(xiàn)鍵合連接，大大減少了阻抗不連續點(diǎn)，更好地保障了高速信號從PCB到LD的連接，進(jìn)而表現為更大的眼圖模板余量和更高的靈敏度性能。

  (2)能夠減小體積和成本

  COB封裝由于節省了高頻陶瓷盒、軟纜等部件，節約了空間。其優(yōu)勢在光模塊不斷追求更加小型化封裝的今天更為明顯。以采用EML激光器的400G QSFP-DD光模塊為例(圖5)，需要DML偏置、EA偏置、EA調制、DSP等大量電芯片，光學(xué)部分需要EML、隔離器、透鏡等元器件。如果采用氣密性封裝，光器件就會(huì )占據很大的空間，大大壓縮電學(xué)器件的布置空間，給模塊設計帶來(lái)很大挑戰。而使用COB封裝，節約的空間能夠給電學(xué)提高更多冗余設計，比如增加更多濾波電容、更大的高頻信號隔離布局，從而提升模塊性能。

圖5 400G光模塊實(shí)物圖，小尺寸要求和大量元器件給封裝設計帶來(lái)挑戰

  從成本上看，COB封裝節省了高頻陶瓷盒和軟纜等部件，工藝步驟上節省了充氮焊接密封、BOX檢漏、FPC焊接、光器件單獨檢測等，能夠減少物料成本和生產(chǎn)成本。

  COB封裝的劣勢

  (1)敏感器件壽命降低

  在COB封裝中，光學(xué)器件和部分電芯片，如驅動(dòng)器、TIA等直接暴露在環(huán)境中，導致使用壽命受到不利影響。而在氣密性封裝中，LD被密封在充滿(mǎn)氮氣的盒子中，與外界環(huán)境隔絕，更好地保障LD的穩定工作。

  近幾年，模塊廠(chǎng)商也借鑒兩種封裝技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一些有限氣密的技術(shù)來(lái)提升COB模塊中LD的壽命。例如將LD貼裝在半開(kāi)口的金屬盒中，PCB可以通過(guò)開(kāi)孔進(jìn)入金屬盒中直接與LD連接，同時(shí)金屬盒可以通過(guò)膠水密封，提供一定程度的密封性。

  (2)不利于不良品返修

  在BOX封裝中，光器件能夠完全與PCB分開(kāi)制作，單獨檢測。任一部分出現問(wèn)題都可以單獨更換維修。

  在COB模塊中，由于光器件直接與PCB板連接，需要整體制作完成后才能進(jìn)行性能測試。如果出現不良，排查是電芯片還是光芯片問(wèn)題，更加困難，返修更換器件也更容易造成報廢，可能出現一顆光芯片損壞，導致整個(gè)模塊報廢的情況，在一定程度上增加了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的報廢率。因此，COB封裝工藝中，工藝穩定性和良品率就顯得尤為重要。

  COB封裝關(guān)鍵技術(shù)步驟

  COB封裝光模塊的主要工藝步驟包括貼片(die bonding)、打線(xiàn)(wire bonding)、光學(xué)耦合、測試(圖6)。

圖6 光模塊COB封裝工藝流程

  Die bonding，即用膠水貼裝的方式將各類(lèi)芯片固定在PCB上，例如數據中心光模塊內的時(shí)鐘恢復芯片、激光器驅動(dòng)芯片、跨阻放大器芯片、激光器芯片、探測器芯片等，常用銀膠直接貼裝在PCB上。貼裝中要注意位置精度是否滿(mǎn)足要求、芯片粘接是否牢固等，對于激光器、驅動(dòng)器功耗較大、發(fā)熱量高的芯片，還需要關(guān)注貼片后接觸散熱性能情況。

  wire bonding是指將芯片的引腳與PCB上的焊盤(pán)通過(guò)導線(xiàn)實(shí)現電氣連接，通常使用金絲鍵合技術(shù)(圖7)。該步驟要關(guān)注導線(xiàn)連接是否接觸良好，有無(wú)虛接，常用引線(xiàn)拉力測試的方式來(lái)檢查。在高速光模塊中，往往線(xiàn)路復雜，需要大量的交叉打線(xiàn)，這時(shí)就需要注意是否有引線(xiàn)塌陷搭接等問(wèn)題。對于高速信號引腳的連接，要注意引線(xiàn)的長(cháng)度和數量，一般用減少引線(xiàn)長(cháng)度、增加引線(xiàn)數量來(lái)提升信號的完整性。

圖7 COB封裝中wire bonding實(shí)物圖，通過(guò)金線(xiàn)將芯片焊盤(pán)與電路板焊盤(pán)連接

  耦合(圖8)是光模塊封裝中工時(shí)最長(cháng)、最容易產(chǎn)生不良品的步驟。對多模光模塊來(lái)說(shuō)，普遍采用面發(fā)射激光器vcsel，經(jīng)反射鏡耦合進(jìn)入多模光纖中。光路簡(jiǎn)單、容差大、工藝相對簡(jiǎn)單。對單模光纖則復雜的多，由于單模光纖纖芯直徑比多模光纖小，只有9 μm，需要透鏡進(jìn)行聚焦耦合。在需要多路耦合的模塊中，如LR4，還需要加入和分波元件，進(jìn)一步加大了光路的復雜度。耦合需要用到的一個(gè)重要輔料是紫外固化膠，它主要用于粘接耦合透鏡。其特點(diǎn)是膠水經(jīng)紫外光照射后快速固化，收縮率低，適合對粘接固定精度有很高要求的準直耦合透鏡使用。

圖8 COB耦合工藝。(a)雙透鏡耦合示意圖；(b)恒寶通自主開(kāi)發(fā)自動(dòng)化耦合設備示意圖

  測試是光模塊生產(chǎn)的最后步驟，主要分為性能測試和可靠性測試。常見(jiàn)的性能測試項包括眼圖余量、消光比、發(fā)射功率、接收靈敏度等?？煽啃詼y試項通常包括高低溫帶電老化測試、高低溫循環(huán)沖擊測試、振動(dòng)測試、多次插拔測試等。

  數據中心光模塊封裝技術(shù)發(fā)展趨勢

  整體上看，數據中心光模塊的需求趨勢是更加小型化的封裝、更高的傳輸速率和更低成本。目前，100G速率光模塊在數據中心已經(jīng)大量普及；400G速率光模塊在國外大規模數據中心也已商用多年，國內數據中心也開(kāi)始逐步引入；800G速率光模塊正處于商用的早期階段。面對更高速率的需求，傳統光模塊封裝面臨越來(lái)越多的困難，包括封裝復雜的提升、良率降低導致成本加大、器件帶寬受限等。在這一背景下，硅光模塊、共封裝光學(xué)(CPO)等新技術(shù)的商用化受到更多期待。

  硅光在光模塊中的應用旨在通過(guò)高度集成化的硅光芯片，將原本分立的光學(xué)元器件，如調制器、探測器、MUX/DeMUX、透鏡、棱鏡等集成在一起，達到簡(jiǎn)化工藝，降低成本目的。目前，硅光芯片已經(jīng)能夠將探測器、高速調制器、波導、合分波器等器件集成在同一硅基襯底上，預期將來(lái)還能夠集成CDR、TIA等更多電芯片，大大提升光模塊的集成度。

  2022年，400G速率的硅光模塊已經(jīng)開(kāi)始批量進(jìn)入市場(chǎng)。市場(chǎng)研究機構Yole預測，到2025年，硅光模塊將達到36.7億美元，成為光模塊市場(chǎng)的重要一部分。圖9展示了各類(lèi)硅光器件。

圖9 各類(lèi)硅光器件。(a)陣列波導光柵；(b)平板凹面光柵；(c)環(huán)形諧振器；(d)多模干涉器；(e)交叉復用器；(f)布拉格光柵 ^[1]

  共封裝光學(xué)技術(shù)(CPO)近年來(lái)也得到越來(lái)越多的關(guān)注，其在電氣連接損耗上相比傳統可插拔形式的光模塊有很大優(yōu)勢。CPO技術(shù)通過(guò)將光電芯片和交換芯片共同封裝在一起，大幅縮短高頻走線(xiàn)的長(cháng)度，從而解決了更高速率下電信號衰減嚴重的問(wèn)題，也使得其在帶寬、尺寸、重量和功耗等方面相較可插拔形式有著(zhù)很大優(yōu)勢。

  但CPO技術(shù)目前還有部分問(wèn)題待進(jìn)一步解決，包括高密度光電PCB板工藝、高精度的光電芯片封裝工藝和散熱設計、高度集成化光電芯片的可靠性等。CIR預測，2027年CPO市場(chǎng)收入有望達到54億美元。圖10為板上連接技術(shù)演進(jìn)示意圖。

圖10 板上連接技術(shù)演進(jìn)示意圖。從上至下：銅纜連接，可插拔光器件、板載光學(xué)器件、2.5D CPO封裝、2.5D芯片級CPO封裝、3D CPO封裝[2]

  參考文獻：

  [1] Tokuda, T., Ohta, J., Tashiro, H., & Terasawa, Y. (2018). Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Retinal Prosthesis. In J. Webster (Ed.), Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Retinal Prosthesis John Wiley & Sons, Inc..

  [2] Minkenberg, C., Krishnaswamy, R., Zilkie, A. and Nelson, D. (2021), Co-packaged datacenter optics: Opportunities and challenges. IET Optoelectron, 15: 77-91.

  作者簡(jiǎn)介

  葉宇，深圳市恒寶通光電子股份有限公司副總經(jīng)理，博士，主要研究方向為光電子器件及封裝技術(shù)。