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(shù)據(jù)中心光模塊COB封裝技術(shù)優(yōu)劣勢和后續(xù)封裝發(fā)展趨勢。

  光模塊(圖1)是光通信系統(tǒng)中的重要部件，主要作用是實現(xiàn)光電信號的相互轉(zhuǎn)化，附帶通信信號的監(jiān)控管理等功能。在光纖網(wǎng)絡(luò)遍布的今天，光模塊的應(yīng)用場景也越來越多。例如我們在用手機打電話時，手機信號和基站之間是無線電通信，從基站到服務(wù)器之間通過光纖鏈路連接，就需要用到光模塊;光纖入戶的寬帶網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心內(nèi)大量交換機的相互連接也需要用到光模塊。

圖1 恒寶通光模塊實物圖

  光模塊市場需求情況

  據(jù)Lightcounting 預(yù)計，2022年全球光模塊市場將達(dá)到81.32億美元，預(yù)計2021~2026年的復(fù)合年增長率可能達(dá)到13.7%。其中數(shù)據(jù)中心應(yīng)用光模塊占比已經(jīng)超過電信市場光模塊，預(yù)計2022年占比達(dá)到55%以上。圖2為光模塊全球市場及資本開支情況分析。

圖2 光模塊全球市場及資本開支情況。(a)全球光模塊市場應(yīng)用領(lǐng)域情況;(b)中國云廠商資本開支情況 (圖片來源：五礦證券)

  數(shù)據(jù)中心整體資本支出仍在快速擴張。據(jù)Cignal AI長期預(yù)測，2021~2026年，計算和存儲云基礎(chǔ)設(shè)施支出的復(fù)合年增長率(CAGR)將達(dá)到12.6%。后疫情時代線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公共Internet為用戶提供的云服務(wù)，用戶可以通過Internet訪問云并享受各類服務(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(shù)據(jù)中心投資保持著強勁勢頭，使得數(shù)據(jù)中心光模塊市場景氣度持續(xù)提升。

  預(yù)計在“十四五”期間，我國大數(shù)據(jù)中心投資將以每年超過20%的速度增長，累計帶動各方面投資將超過3萬億元。隨著2022年2月“東數(shù)西算”工程的全面啟動，在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地將建設(shè)國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃了10個國家數(shù)據(jù)中心集群。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設(shè)將提供大量的光模塊需求，也加快了數(shù)據(jù)中心光模塊封裝技術(shù)迭代更新速度。

  與此同時，國內(nèi)光模塊廠家的市場占有率也在快速提升。據(jù) Lightcounting 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從2010年到2020年，國內(nèi)光模塊廠家全球份額從16.8%提升到43.9%，據(jù)預(yù)測國產(chǎn)廠家 2022~2024 年市場占有率將每年增加3%。圖3為光模塊在電信市場及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景。

圖3 光模塊在電信市場及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景。(a)5G電信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架(圖片來源：國聯(lián)證券);(b)數(shù)據(jù)中心脊葉服務(wù)器構(gòu)架

(圖片來源：http://www.infiberone.cn)

  數(shù)據(jù)中心光模塊COB封裝技術(shù)

  根據(jù)應(yīng)用場景和要求的不同，光模塊大致可以分為電信級和數(shù)據(jù)中心光模塊。前者應(yīng)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，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，難以進行經(jīng)常性維護。這些特點都決定了電信級光模塊對可靠性保障的高要求。

  反觀數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景，可能處于空調(diào)控溫控濕的機房內(nèi)，常駐維護人員可以隨時進行檢修，因此對可靠性要求相對較低。綜合應(yīng)用場景、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(shù)據(jù)中心光模塊多采用非氣密性COB封裝技術(shù)，如圖4。COB全稱是chip on board，即板上芯片封裝，將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠粘附在PCB上，然后進行引線鍵合實現(xiàn)其電氣連接，并用膠把芯片和鍵合引線包封。該封裝技術(shù)最早廣泛應(yīng)用于LED的封裝，后來被引入光模塊的封裝。

圖4 (a)BOX封裝光模塊實物圖；(b)COB封裝光模塊實物圖

  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FPC(軟排線)和高頻陶瓷，然后才通過金線與激光器連接。在多個連接點上阻抗連續(xù)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通過金線鍵合連接，大大減少了阻抗不連續(xù)點，更好地保障了高速信號從PCB到LD的連接，進而表現(xiàn)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(jié)省了高頻陶瓷盒、軟纜等部件，節(jié)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(diào)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，光器件就會占據(jù)很大的空間，大大壓縮電學(xué)器件的布置空間，給模塊設(shè)計帶來很大挑戰(zhàn)。而使用COB封裝，節(jié)約的空間能夠給電學(xué)提高更多冗余設(shè)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光模塊實物圖，小尺寸要求和大量元器件給封裝設(shè)計帶來挑戰(zhàn)

  從成本上看，COB封裝節(jié)省了高頻陶瓷盒和軟纜等部件，工藝步驟上節(jié)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(qū)動器、TIA等直接暴露在環(huán)境中，導(dǎo)致使用壽命受到不利影響。而在氣密性封裝中，LD被密封在充滿氮氣的盒子中，與外界環(huán)境隔絕，更好地保障LD的穩(wěn)定工作。

  近幾年，模塊廠商也借鑒兩種封裝技術(shù)，開發(fā)了一些有限氣密的技術(shù)來提升COB模塊中LD的壽命。例如將LD貼裝在半開口的金屬盒中，PCB可以通過開孔進入金屬盒中直接與LD連接，同時金屬盒可以通過膠水密封，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分開制作，單獨檢測。任一部分出現(xiàn)問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行性能測試。如果出現(xiàn)不良，排查是電芯片還是光芯片問題，更加困難，返修更換器件也更容易造成報廢，可能出現(xiàn)一顆光芯片損壞，導(dǎo)致整個模塊報廢的情況，在一定程度上增加了整個生產(chǎn)過程中的報廢率。因此，COB封裝工藝中，工藝穩(wěn)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(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芯片固定在PCB上，例如數(shù)據(jù)中心光模塊內(nèi)的時鐘恢復(fù)芯片、激光器驅(qū)動芯片、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足要求、芯片粘接是否牢固等，對于激光器、驅(qū)動器功耗較大、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上的焊盤通過導(dǎo)線實現(xiàn)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(dǎo)線連接是否接觸良好，有無虛接，常用引線拉力測試的方式來檢查。在高速光模塊中，往往線路復(fù)雜，需要大量的交叉打線，這時就需要注意是否有引線塌陷搭接等問題。對于高速信號引腳的連接，要注意引線的長度和數(shù)量，一般用減少引線長度、增加引線數(shù)量來提升信號的完整性。

圖7 COB封裝中wire bonding實物圖，通過金線將芯片焊盤與電路板焊盤連接

  耦合(圖8)是光模塊封裝中工時最長、最容易產(chǎn)生不良品的步驟。對多模光模塊來說，普遍采用面發(fā)射激光器vcsel，經(jīng)反射鏡耦合進入多模光纖中。光路簡單、容差大、工藝相對簡單。對單模光纖則復(fù)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，進一步加大了光路的復(fù)雜度。耦合需要用到的一個重要輔料是紫外固化膠，它主要用于粘接耦合透鏡。其特點是膠水經(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(zhǔn)直耦合透鏡使用。

圖8 COB耦合工藝。(a)雙透鏡耦合示意圖；(b)恒寶通自主開發(fā)自動化耦合設(shè)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。可靠性測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、振動測試、多次插拔測試等。

  數(shù)據(jù)中心光模塊封裝技術(shù)發(fā)展趨勢

  整體上看，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心已經(jīng)大量普及；400G速率光模塊在國外大規(guī)模數(shù)據(jù)中心也已商用多年，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心也開始逐步引入；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(tǒng)光模塊封裝面臨越來越多的困難，包括封裝復(fù)雜的提升、良率降低導(dǎo)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(yīng)用旨在通過高度集成化的硅光芯片，將原本分立的光學(xué)元器件，如調(diào)制器、探測器、MUX/DeMUX、透鏡、棱鏡等集成在一起，達(dá)到簡化工藝，降低成本目的。目前，硅光芯片已經(jīng)能夠?qū)⑻綔y器、高速調(diào)制器、波導(dǎo)、合分波器等器件集成在同一硅基襯底上，預(yù)期將來還能夠集成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)開始批量進入市場。市場研究機構(gòu)Yole預(yù)測，到2025年，硅光模塊將達(dá)到36.7億美元，成為光模塊市場的重要一部分。圖9展示了各類硅光器件。

圖9 各類硅光器件。(a)陣列波導(dǎo)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(fù)用器；(f)布拉格光柵 ^[1]

  共封裝光學(xué)技術(shù)(CPO)近年來也得到越來越多的關(guān)注，其在電氣連接損耗上相比傳統(tǒng)可插拔形式的光模塊有很大優(yōu)勢。CPO技術(shù)通過將光電芯片和交換芯片共同封裝在一起，大幅縮短高頻走線的長度，從而解決了更高速率下電信號衰減嚴(yán)重的問題，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很大優(yōu)勢。

  但CPO技術(shù)目前還有部分問題待進一步解決，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(shè)計、高度集成化光電芯片的可靠性等。CIR預(yù)測，2027年CPO市場收入有望達(dá)到54億美元。圖10為板上連接技術(shù)演進示意圖。

圖10 板上連接技術(shù)演進示意圖。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)。