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引言

過去十年，光電子集成芯片技術取得顯著進展，應用范圍已從傳統的收發器擴展到光計算、生物醫學傳感、光互連和消費電子等多個領域。隨著人工智能和機器學習硬件對光學解決方案需求的增長，高密度電光互連的多芯片模塊需求日益增加。但該行業在電氣和光學assembly及封裝方面面臨重大挑戰，特別是在提高密度、帶寬以及開發適用于大規模生產的經濟高效assembly工藝方面[1]。

現狀與挑戰

目前，晶圓廠生產的光電子集成芯片的assembly技術主要集中在原型設計和小批量生產上。圖1展示了使用直接連接光纖陣列單元(FAUs)對光電子集成芯片進行光耦合的傳統方法。雖然這種方法適用于原型設計，但由于涉及大量分立元件和松散光纖，不適合大規模生產。

圖1展示了傳統的光纖陣列單元耦合，顯示了當前光電子集成芯片assembly方法的復雜性和局限性。

行業面臨關鍵的成本挑戰：assembly成本占集成光電子器件總成本的約80%，而典型半導體器件僅占20%。這種差異凸顯了簡化、可擴展assembly方法的迫切需求，以促進光電子集成芯片從小眾解決方案向主流應用轉變。

先進封裝解決方案

為應對這些挑戰，該行業正在推進光電子集成芯片封裝的"半導體化"，在適應光互連獨特需求的同時，采用經驗證的半導體行業工藝。芯片集成技術中心(CITC)和vario-optics正在開發一種可擴展的板級assembly概念，有效結合電氣和光學元件。

圖2展示了使用玻璃基板的先進封裝概念，頂部為光學重分布層，底部為電氣重分布層，實現了全面的芯片到芯片和芯片到外部通信。

該概念采用板級扇出設計，電氣和光學chiplet均安裝在板上。系統包含電氣和光學重分布層(eRDLs和oRDLs)，用于全面連接。穿透玻璃導通孔(TGVs)使電氣互連能夠在板面之間穿越，同時采用倒裝芯片焊接技術固定電子集成芯片和光電子集成芯片。

聚合物波導技術

該先進封裝方法的關鍵創新是使用聚合物波導。這些結構可以使用紫外光刻技術在各種基板上大量制造，具有多個優勢：

核心尺寸和模場直徑的靈活性

與多種光電子集成芯片技術的兼容性

與傳統方法相比制造成本較低

支持常用波長的單模操作

高功率損傷閾值

良好的環境穩定性

與回流焊工藝的兼容性

圖3顯示了不同平臺的模場直徑，突出了聚合物波導在匹配不同光學要求方面的多功能性。

耦合技術與優化

該行業開發了多種將光電子集成芯片連接到光學重分布層的方法。每種方法都具有獨特的優勢和挑戰：

圖4比較了邊緣耦合、光柵耦合器和絕熱耦合，顯示各自的優勢和局限性。

圖5仿真結果展示了絕熱耦合的效率，顯示通過優化設計參數可實現低至0.08 dB的耦合損耗。

漸變場（絕熱）耦合技術表現出特別優異的性能，在1550納米波長下實現低至0.2 dB的耦合損耗。這種方法具有多個優勢：

寬松的橫向對準公差（±2微米）

寬廣的工作波長范圍

與各種光電子集成芯片技術的兼容性

通過近場相互作用的高效能量傳遞

未來展望

在單個封裝中集成電子和光電子技術代表了光電子集成芯片assembly和封裝成功半導體化的關鍵步驟。先進的板級工藝結合高效的耦合方法，在滿足關鍵要求方面顯示出巨大潛力：

光互連損耗低于1 dB

超過1微米的寬松對準公差

利用自動化無源對準的經濟高效assembly方法

這些技術的持續發展對于推動光電子集成芯片在電信到消費電子等各種應用中的廣泛應用具有重要意義。

參考文獻

[1] N. Fl?ry, V. Str?ssle, 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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審核編輯 黃宇