推进光电子集成芯片封装技术

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引言

过去十年，光电子集成芯片技术取得显著进展，应用范围已从传统的收发器扩展到光计算、生物医学传感、光互连和消费电子等多个领域。随着人工智能和机器学习硬件对光学解决方案需求的增长，高密度电光互连的多芯片模块需求日益增加。但该行业在电气和光学assembly及封装方面面临重大挑战，特别是在提高密度、带宽以及开发适用于大规模生产的经济高效assembly工艺方面[1]。

现状与挑战

目前，晶圆厂生产的光电子集成芯片的assembly技术主要集中在原型设计和小批量生产上。图1展示了使用直接连接光纤阵列单元(FAUs)对光电子集成芯片进行光耦合的传统方法。虽然这种方法适用于原型设计，但由于涉及大量分立元件和松散光纤，不适合大规模生产。

图1展示了传统的光纤阵列单元耦合，显示了当前光电子集成芯片assembly方法的复杂性和局限性。

行业面临关键的成本挑战：assembly成本占集成光电子器件总成本的约80%，而典型半导体器件仅占20%。这种差异凸显了简化、可扩展assembly方法的迫切需求，以促进光电子集成芯片从小众解决方案向主流应用转变。

先进封装解决方案

为应对这些挑战，该行业正在推进光电子集成芯片封装的"半导体化"，在适应光互连独特需求的同时，采用经验证的半导体行业工艺。芯片集成技术中心(CITC)和vario-optics正在开发一种可扩展的板级assembly概念，有效结合电气和光学元件。

图2展示了使用玻璃基板的先进封装概念，顶部为光学重分布层，底部为电气重分布层，实现了全面的芯片到芯片和芯片到外部通信。

该概念采用板级扇出设计，电气和光学chiplet均安装在板上。系统包含电气和光学重分布层(eRDLs和oRDLs)，用于全面连接。穿透玻璃导通孔(TGVs)使电气互连能够在板面之间穿越，同时采用倒装芯片焊接技术固定电子集成芯片和光电子集成芯片。

聚合物波导技术

该先进封装方法的关键创新是使用聚合物波导。这些结构可以使用紫外光刻技术在各种基板上大量制造，具有多个优势：

核心尺寸和模场直径的灵活性

与多种光电子集成芯片技术的兼容性

与传统方法相比制造成本较低

支持常用波长的单模操作

高功率损伤阈值

良好的环境稳定性

与回流焊工艺的兼容性

图3显示了不同平台的模场直径，突出了聚合物波导在匹配不同光学要求方面的多功能性。

耦合技术与优化

该行业开发了多种将光电子集成芯片连接到光学重分布层的方法。每种方法都具有独特的优势和挑战：

图4比较了边缘耦合、光栅耦合器和绝热耦合，显示各自的优势和局限性。

图5仿真结果展示了绝热耦合的效率，显示通过优化设计参数可实现低至0.08 dB的耦合损耗。

渐变场（绝热）耦合技术表现出特别优异的性能，在1550纳米波长下实现低至0.2 dB的耦合损耗。这种方法具有多个优势：

宽松的横向对准公差（±2微米）

宽广的工作波长范围

与各种光电子集成芯片技术的兼容性

通过近场相互作用的高效能量传递

未来展望

在单个封装中集成电子和光电子技术代表了光电子集成芯片assembly和封装成功半导体化的关键步骤。先进的板级工艺结合高效的耦合方法，在满足关键要求方面显示出巨大潜力：

光互连损耗低于1 dB

超过1微米的宽松对准公差

利用自动化无源对准的经济高效assembly方法

这些技术的持续发展对于推动光电子集成芯片在电信到消费电子等各种应用中的广泛应用具有重要意义。

参考文献

[1] N. Flöry, V. Strässle, 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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审核编辑 黄宇