本文介紹了如何在光子學(xué)中利用電子生態(tài)系統(tǒng)。

這一目標(biāo)要求光子學(xué)制造利用現(xiàn)有的電子制造工藝和生態(tài)系統(tǒng)。光子學(xué)必須采用無(wú)晶圓廠模型、可以在焊接步驟中幸存下來(lái)的芯片以及電子封裝和組裝方法。

無(wú)晶圓廠模型的優(yōu)勢(shì)

增加光子學(xué)的制造量是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。一些光子芯片開(kāi)發(fā)商在其制造設(shè)施中制造芯片。這種方法具有巨大的優(yōu)勢(shì)，使組件制造商能夠完全控制其生產(chǎn)過(guò)程。

圖 1：垂直集成光收發(fā)器開(kāi)發(fā)商的簡(jiǎn)化價(jià)值鏈圖。開(kāi)發(fā)人員處理 PIC 的設(shè)計(jì)、制造和打包。 但是，這種方法在擴(kuò)大規(guī)模時(shí)有其權(quán)衡。如果垂直整合的芯片開(kāi)發(fā)商想要擴(kuò)大規(guī)模，他們必須在更多的設(shè)備和人員上進(jìn)行巨額資本支出 （CAPEX）。他們必須開(kāi)發(fā)新的制造工藝，并培養(yǎng)和培訓(xùn)人員。晶圓廠不僅建造成本高昂，運(yùn)營(yíng)成本高昂。除非它們能夠保持幾乎完全利用，否則運(yùn)營(yíng)費(fèi)用 （OPEX） 也會(huì)耗盡設(shè)施所有者的財(cái)務(wù)。 尤其是在光收發(fā)器市場(chǎng)沒(méi)有消費(fèi)電子產(chǎn)品那么大的情況下，很難不懷疑這種初始投資是否具有成本效益。例如，LightCounting 研究數(shù)據(jù)估計(jì)，2023 年售出 1.73 億臺(tái)光纖以太網(wǎng)收發(fā)器，而國(guó)際數(shù)據(jù)公司估計(jì) 2023 年售出 11.7 億部智能手機(jī)。后者的數(shù)字是整個(gè)光收發(fā)器市場(chǎng)的 7 倍。 電子制造業(yè)在 70 年代和 80 年代的繁榮時(shí)期也遇到了類(lèi)似的問(wèn)題，由于需要大量的資本支出，較小的芯片初創(chuàng)公司在進(jìn)入市場(chǎng)方面面臨著幾乎無(wú)法逾越的障礙。此外，大型電子制造代工廠的產(chǎn)能過(guò)剩，耗盡了他們的運(yùn)營(yíng)成本。大型代工廠將多余的產(chǎn)能出售給較小的芯片開(kāi)發(fā)商，這些開(kāi)發(fā)商變得無(wú)晶圓廠。在這種情況下，每個(gè)人都贏了。代工廠為多家公司提供服務(wù)，可以以全產(chǎn)能運(yùn)行其設(shè)施，而無(wú)晶圓廠公司可以將制造外包并減少支出。 這種無(wú)晶圓廠模式，由公司設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售芯片，但外包制造，也應(yīng)該是光子學(xué)的方式。光子學(xué)開(kāi)發(fā)人員的規(guī)模化問(wèn)題被外包出去，并且（從無(wú)晶圓廠公司的角度來(lái)看）變得像下采購(gòu)訂單一樣簡(jiǎn)單，而不是經(jīng)歷一個(gè)更昂貴、更耗時(shí)的過(guò)程。此外，無(wú)晶圓廠模型允許光子學(xué)開(kāi)發(fā)商將其研發(fā)資源集中在終端市場(chǎng)。如果光子學(xué)進(jìn)入百萬(wàn)級(jí)體積，這是最簡(jiǎn)單的前進(jìn)方式。

采用電子式封裝

雖然封裝、組裝和測(cè)試只是電子系統(tǒng)成本的一小部分，但光子集成電路 （PIC） 的情況正好相反。埃因霍溫技術(shù)大學(xué) （TU/e） 的研究人員估計(jì)，對(duì)于大多數(shù)磷化銦 （InP） 光子器件，封裝、組裝和測(cè)試成本可能達(dá)到模塊總成本的 80% 左右。

圖 2 .基于 InP PIC 的模塊的工藝成本明細(xì)占總制造成本的百分比。源：Latkowski 等人，2019 年 為了變得更加可及和負(fù)擔(dān)得起，光子學(xué)制造鏈必須變得更加自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。缺乏自動(dòng)化會(huì)使制造速度變慢，并阻礙可用于過(guò)程控制、優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)收集。 實(shí)現(xiàn)這些自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)的最佳方法之一是學(xué)習(xí)已經(jīng)眾所周知和標(biāo)準(zhǔn)化的電子產(chǎn)品封裝、組裝和測(cè)試方法。畢竟，建造一條特殊的生產(chǎn)線比修改現(xiàn)有的生產(chǎn)流程要昂貴得多。 有幾種方法可以使光子學(xué)封裝、組裝和測(cè)試更實(shí)惠、更容易獲得。以下是一些示例：

被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)：將光纖連接到 PIC 是光學(xué)設(shè)備最復(fù)雜的封裝和組裝問(wèn)題之一。最佳對(duì)準(zhǔn)通常是通過(guò)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，其中來(lái)自 PIC 的反饋用于更好地對(duì)準(zhǔn)光纖。被動(dòng)對(duì)齊過(guò)程不使用此類(lèi)反饋。它們無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳對(duì)齊，但價(jià)格要便宜得多。

BGA 式封裝：球柵陣列封裝在電子制造商中越來(lái)越受歡迎。它將芯片連接置于芯片封裝下方，從而可以更有效地利用電路板中的空間，實(shí)現(xiàn)更小的封裝尺寸和更好的焊接效果。

圖 3：球柵陣列 （BGA） 型封裝的頂視圖、底視圖和側(cè)視圖。

倒裝芯片鍵合：在最終制造步驟中，焊料凸塊沉積在芯片上的工藝。芯片翻轉(zhuǎn)并與電路板對(duì)齊，以便于焊接。

圖 4：倒裝芯片鍵合工藝的簡(jiǎn)化步驟。

對(duì)于在過(guò)去 5 年或 10 年中開(kāi)始實(shí)施這些技術(shù)的光子學(xué)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這些可能是新技術(shù)。然而，電子行業(yè)在 20 或 30 年前就接受了這些技術(shù)。使這些技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，將對(duì)光子學(xué)的放大能力產(chǎn)生巨大影響，并使其能夠像電子產(chǎn)品一樣可用。

制造可承受焊接的光子芯片

焊接仍然是光子學(xué)組裝和封裝的另一個(gè)棘手步驟。光子器件開(kāi)發(fā)人員通常定制訂購(gòu) PIC，然后對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行引線和芯片鍵合。但是，PIC 中的某些元件無(wú)法承受焊接溫度，因此難以焊接到電子電路板中。開(kāi)發(fā)人員通常必須通過(guò)非標(biāo)準(zhǔn)工藝將芯片粘合到電路板上，這需要額外的可靠性驗(yàn)證。 這又回到了流程標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。當(dāng)前的 PIC 通常使用與電子產(chǎn)品不同的材料和工藝，例如光纖連接和用于芯片互連的金屬，這些材料和工藝無(wú)法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝。 采用 BGA 式封裝和倒裝芯片鍵合技術(shù)將使 PIC 更容易在這種焊接過(guò)程中生存。包括 EFFECT Photonics 在內(nèi)的全球范圍內(nèi)都在進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，以使光纖耦合和其他 PIC 方面與這些電子封裝方法兼容。 可以處理焊接到電路板的 PIC 將使該行業(yè)能夠構(gòu)建光學(xué)子組件，這些組件可以在公開(kāi)市場(chǎng)上更容易獲得，并且可以用于火車(chē)、汽車(chē)或飛機(jī)。 END 轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn) 不代表中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所立場(chǎng)