新數據中心時(shí)代光電制造領(lǐng)域面臨的挑戰

  針對光電制造的高容量和高混合特性需要靈活，高速且高精度的自動(dòng)化技術(shù)，以實(shí)現對超大規模數據中心的關(guān)鍵光電組件的及時(shí)供應和快速創(chuàng )新。

  ICCSZ訊 互聯(lián)網(wǎng)流量一直在以指數速度增長(cháng)，且互聯(lián)網(wǎng)流量產(chǎn)生的數據非常龐大，數據中心對于通過(guò)云計算支持數據通信，存儲和處理至關(guān)重要。光電裝置在現代數據中心中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，這為數據中心對光電大批量制造(HVM)構成了重大挑戰。

  趨勢：

  如圖1所示，思科最近的一項研究表明，全球IP和全球數據中心流量都在以25%左右的復合年增長(cháng)率增長(cháng)。新興應用的激增，如互聯(lián)網(wǎng)，視頻流，3D感應，智能汽車(chē)和VR / AR，已經(jīng)產(chǎn)生巨大的帶寬和新的數據中心的需求。到2020年，預測顯示50%的數據中心將具有超大規模水平，未來(lái)三年每年將建立約40個(gè)超大規模數據中心。

圖1 市場(chǎng)推動(dòng)光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展

  光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展對于帶寬增長(cháng)起到至關(guān)重要的作用，以往電信需求驅動(dòng)帶寬增長(cháng)，而現在更多的是數據中心業(yè)務(wù)推動(dòng)帶寬實(shí)現非凡增長(cháng)。圖2分別顯示了電信和數據通信的光模塊的全球銷(xiāo)售收入。關(guān)鍵轉折點(diǎn)出現在2017 -2019年，數通領(lǐng)域的光模塊銷(xiāo)售收入超過(guò)電信領(lǐng)域的光模塊收入。此外，該研究預測數據通信未來(lái)的增長(cháng)率還將顯著(zhù)提高。

圖2 數據中心驅動(dòng)的數通光模塊的全球銷(xiāo)售收入超過(guò)了電信光模塊全球銷(xiāo)售收入。

  隨著(zhù)數據中心需求成為新的增長(cháng)引擎，光電產(chǎn)業(yè)感受到了與傳統電信模型截然不同的新數據中心業(yè)務(wù)模式的挑戰。以下圖中總結了以電信為中心和以數據中心為中心的業(yè)務(wù)模型之間的主要差異。影響光電制造的最關(guān)鍵因素是大批量，低預測可見(jiàn)度，快速創(chuàng )新，產(chǎn)品快速響應和低成本。

表1 光電產(chǎn)業(yè)兩種終端客戶(hù)商業(yè)模式的比較

  由于電信廣泛部署的特性，以往光電產(chǎn)業(yè)受到電信的影響極大。由于惡劣的操作環(huán)境(例如-40?C至85?C，RH高達85%)以及系統部署和維護的高成本，每次電信升級周期都很長(cháng)并且需要經(jīng)過(guò)謹慎周密的規劃。從運營(yíng)商到設備商和上游器件供應商的年度預測可見(jiàn)性相當不錯。在這個(gè)漫長(cháng)的部署和使用周期中，更容易接受精密而昂貴的光器件。器件供應商有更多時(shí)間來(lái)規劃和響應客戶(hù)需求，并不像我們最近從數據中心業(yè)務(wù)上看到的短期就需要產(chǎn)品快速更新且大批量的快速響應。

  數據中心業(yè)務(wù)在受控環(huán)境中運行其大部分網(wǎng)絡(luò )，例如溫度和濕度可控的建筑物(例如0?C至55?C，RH 40%至60%)。大部分資本支出(Capex)都用于土地，建筑物和布線(xiàn)。大部分運營(yíng)費用(Opex)用于能源消耗和環(huán)境控制。雖然光電器件支出在資本支出和運營(yíng)費用占比相對較小，但是它們對云服務(wù)提供商向客戶(hù)提供帶寬業(yè)務(wù)的營(yíng)業(yè)收入發(fā)揮了重要作用。在類(lèi)似辦公室的受控環(huán)境中，升級成本變低。較低的更新成本以及光電器件在資本支出和運營(yíng)費用總成本低占比，二者結合使得數據中心提供商可以為現有數據中心的升級周期縮短至3 -5年。對于每次升級，他們都希望采用當下能提供最大帶寬、最先進(jìn)的光電技術(shù)，以最大限度地提高同一建筑物內的收入。

  數據中心提供商很難準確預測特定數據中心項目的啟動(dòng)時(shí)間，因為新的數據中心建設項目在選址和土地購買(mǎi)需要得到地方政府的支持和批準，這大大降低了光電器件供應商對市場(chǎng)的可見(jiàn)度預測。另一方面，一旦項目獲得批準，數據中心提供商自然希望盡快構建完成迅速增加收入來(lái)源。經(jīng)過(guò)2 -3年的系統建設之后，新的數據中心將隨時(shí)準備安裝最先進(jìn)的光電設備，以便可以在運行的第一天就可以創(chuàng )造最大的收入潛力。

  最后，針對數據中心應用的產(chǎn)品快速更新?lián)Q代為大批量與高混合集成的光電制造帶來(lái)雙重挑戰。如圖3所示，在過(guò)去幾年中，光模塊已經(jīng)從10G升級到40G?，F在，100G正在超越40G成為新批量部署的領(lǐng)先技術(shù)。與此同時(shí)，200G / 400G解決方案處于樣品設計和小批量生產(chǎn)階段。在相同的光電器件生產(chǎn)制造平臺上，所有這些不同的技術(shù)和產(chǎn)品將在一段時(shí)間內共存。

圖3 光電制造的快速創(chuàng )新驅動(dòng)大批量、高混合集成的不同速率產(chǎn)品共存表

  行業(yè)機遇與解決方案

  所有這些基于云的新數據中心業(yè)務(wù)模式所帶來(lái)的挑戰都伴隨著(zhù)機遇。光電產(chǎn)業(yè)如何來(lái)應對這些挑戰?其關(guān)鍵在于自動(dòng)化技術(shù)。

  如圖4所示，在市場(chǎng)處于低預測可見(jiàn)性的情況下，光電器件供應商確實(shí)需要采用一種可以實(shí)現大批量、高質(zhì)量、低成本制造與數據中心及時(shí)模式實(shí)現快速啟動(dòng)生產(chǎn)和關(guān)閉能力的彈性產(chǎn)能。自動(dòng)化技術(shù)可快速提升產(chǎn)量，而無(wú)需擔心大批量手動(dòng)生產(chǎn)所需的大量培訓。自動(dòng)化技術(shù)還可以減少對人工的依賴(lài)，從而降低可變成本，特別是在需求淡季。與此同時(shí)，器件商可以在開(kāi)發(fā)和制造階段使用相同的自動(dòng)化平臺和生產(chǎn)工藝，因此自動(dòng)化技術(shù)可將新產(chǎn)品導入(NPI)的風(fēng)險減至最低。此外，高精密自動(dòng)化技術(shù)能夠解決手工無(wú)法實(shí)現的復雜工藝制作，生產(chǎn)領(lǐng)先的產(chǎn)品。

圖4 展示了數據中心業(yè)務(wù)的挑戰及光電制造領(lǐng)域可能做出的反應

  目前，光電制造領(lǐng)域所面臨的最大挑戰是如何處理大批量與高度混合的產(chǎn)品生產(chǎn)。產(chǎn)品高混合通常源于NPI，或源于不同產(chǎn)品之間的轉換，這種轉換使大批量生產(chǎn)變得尤為困難，因為企業(yè)無(wú)法在保持配置不斷變化的情況下增加產(chǎn)量。要解決這個(gè)問(wèn)題需要靈活、高速的自動(dòng)化技術(shù)，如何使自動(dòng)化設備同時(shí)具有靈活性和高速度歷來(lái)都是一個(gè)難題。接下來(lái)的案例研究將表明，通過(guò)在自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)進(jìn)行創(chuàng )新能夠在實(shí)現高速度的同時(shí)保持靈活性。

  案例研究 - 靈活的高速貼片自動(dòng)化平臺

  為了闡明我們對自動(dòng)化解決方案的理解，以下是處理關(guān)鍵制造流程之一(即貼片)的案例研究。圖5是光電制造的各種部件的常規步驟視圖。各種此類(lèi)部件來(lái)自不同類(lèi)型/疊代的產(chǎn)品，以支持大范圍的數據中心通信網(wǎng)絡(luò )。有幾個(gè)主要流程步驟與不同成品相關(guān)：

  1、對于管盒產(chǎn)品(例如模塊、高功率激光器)，通常首先要完成基板/基臺芯片(CoC/CoS)粘結，然后將CoC/CoS粘合到用于透鏡/反射鏡附件的共同基板上，然后封裝。最新趨勢是，需要通過(guò)共晶或環(huán)氧粘結貼到共同基板上的芯片或晶片(如激光器、電容和熱敏電阻)越來(lái)越多。

  2、對于PCB層的產(chǎn)品(如有源光纜(AOC)和板載光學(xué)器件(OBO))，芯片是直接貼在PCB板上。多種芯片(如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列、光電二極管(PD)陣列、激光驅動(dòng)器和互阻抗放大器(TIA))需要貼在PCB上。通常最終的透鏡附著(zhù)通過(guò)主動(dòng)校準完成，但是，現在這一流程越來(lái)越多地由可提供高速度、高精度(3 μm)的貼片設備通過(guò)被動(dòng)晶片粘貼來(lái)完成。

  3、對于TO-can型產(chǎn)品，激光器芯片和其他晶片是在90°翻轉后貼在TO基底或立柱上。為了支持即將推出的5G無(wú)線(xiàn)部署，波分多路復用(WDM)激光器和電吸附調制激光器(EML)采用低成本TO-can封裝。在有眾多芯片需要粘結的情況下，這些WDM/EML-TO比僅需要處理1–2個(gè)晶片的TO-can封裝要復雜得多。

  4、對于硅光子，從CoC形成到中介層芯片和芯片到晶圓(CoW)過(guò)渡過(guò)程中的流程越來(lái)越多。還有很多流程尚未確定，但未來(lái)將越來(lái)越多地取決于晶圓層集成。

圖5 有關(guān)如何為實(shí)現最佳效率而組織自動(dòng)貼片工具和流程的示例。

  圖6是如何實(shí)現高效率的自動(dòng)貼片設備和工藝示例。該圖表中有三列 - 左邊是“一體化”類(lèi)型的用于研發(fā)和低到中等體積的芯片粘合劑。中間是與圖5中示例一致的過(guò)程。右側是用于HVM的“特殊”類(lèi)型的靈活高速貼片機的示例。通過(guò)以下我們列出的3個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，您可以理解此方法如何有助于光電產(chǎn)業(yè)應對前面所討論的光電制造挑戰：

  1、通過(guò)消除已在開(kāi)發(fā)階段設置的控制或流程變更，硬件和軟件層的通用平臺可以大大降低NPI風(fēng)險。在研發(fā)/NPI階段，一體化貼片設備可用于開(kāi)發(fā)多種類(lèi)型的產(chǎn)品。自動(dòng)化機器可以在一臺設備中處理各種類(lèi)型的貼片和生產(chǎn)流程。其速度也快到足以為設計和制造過(guò)程制作小/中水平的批量生產(chǎn)。一旦需求出現并需要大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)線(xiàn)就可以組織成特定的流程組合。

  2、大批量、高混合光電制造需要可以通過(guò)用于一個(gè)或多個(gè)流程組的一個(gè)機器覆蓋多晶片、流程、產(chǎn)品的靈活、高容量機器。通過(guò)引入新的超速共晶模塊和部署多級并行處理(例如將材料處理與芯片鍵合步驟分離)，在零時(shí)間浪費的情況下即時(shí)集成更換工具，優(yōu)化了速度和吞吐量。

  需要針對下一代產(chǎn)品設計的HVM設備，實(shí)現并行的快速創(chuàng )新。例如，3μm貼片精度是從當前使用大于5μm貼片精度的主流光電流程中得到提高。除了實(shí)現新產(chǎn)品之外，貼片的高精度還可以通過(guò)盡可能在流程早期減小裝配誤差來(lái)增加當前產(chǎn)品制造的流程效益。

圖6 用于高容量和高混合光學(xué)制造的平臺方法的示例。

  總結，一個(gè)不犧牲靈活性、精度和可靠性，且可連續24/7生產(chǎn)的高速自動(dòng)化平臺對于大批量、多品種光電子制造是至關(guān)重要的。一個(gè)研發(fā)和量產(chǎn)之間的通用平臺，以及永不過(guò)時(shí)的精度，對快速創(chuàng )新和降低NPI風(fēng)險、以及量產(chǎn)中良率改善和成本降低都是同樣至關(guān)重要。

  Yi Qian是MRSISystems產(chǎn)品管理副總裁（該公司位于馬薩諸塞州北比勒利）

  電子郵件：yi.qian@mrsisystems.com ; www.mrsisystems.com。