如何在光子学中利用电子生态系统

本文介绍了如何在光子学中利用电子生态系统。

这一目标要求光子学制造利用现有的电子制造工艺和生态系统。光子学必须采用无晶圆厂模型、可以在焊接步骤中幸存下来的芯片以及电子封装和组装方法。  

无晶圆厂模型的优势

增加光子学的制造量是一个巨大的挑战。一些光子芯片开发商在其制造设施中制造芯片。这种方法具有巨大的优势，使组件制造商能够完全控制其生产过程。

图 1：垂直集成光收发器开发商的简化价值链图。开发人员处理 PIC 的设计、制造和打包。   但是，这种方法在扩大规模时有其权衡。如果垂直整合的芯片开发商想要扩大规模，他们必须在更多的设备和人员上进行巨额资本支出 （CAPEX）。他们必须开发新的制造工艺，并培养和培训人员。晶圆厂不仅建造成本高昂，运营成本高昂。除非它们能够保持几乎完全利用，否则运营费用 （OPEX） 也会耗尽设施所有者的财务。   尤其是在光收发器市场没有消费电子产品那么大的情况下，很难不怀疑这种初始投资是否具有成本效益。例如，LightCounting 研究数据估计，2023 年售出 1.73 亿台光纤以太网收发器，而国际数据公司估计 2023 年售出 11.7 亿部智能手机。后者的数字是整个光收发器市场的 7 倍。   电子制造业在 70 年代和 80 年代的繁荣时期也遇到了类似的问题，由于需要大量的资本支出，较小的芯片初创公司在进入市场方面面临着几乎无法逾越的障碍。此外，大型电子制造代工厂的产能过剩，耗尽了他们的运营成本。大型代工厂将多余的产能出售给较小的芯片开发商，这些开发商变得无晶圆厂。在这种情况下，每个人都赢了。代工厂为多家公司提供服务，可以以全产能运行其设施，而无晶圆厂公司可以将制造外包并减少支出。   这种无晶圆厂模式，由公司设计和销售芯片，但外包制造，也应该是光子学的方式。光子学开发人员的规模化问题被外包出去，并且（从无晶圆厂公司的角度来看）变得像下采购订单一样简单，而不是经历一个更昂贵、更耗时的过程。此外，无晶圆厂模型允许光子学开发商将其研发资源集中在终端市场。如果光子学进入百万级体积，这是最简单的前进方式。  

采用电子式封装

虽然封装、组装和测试只是电子系统成本的一小部分，但光子集成电路 （PIC） 的情况正好相反。埃因霍温技术大学 （TU/e） 的研究人员估计，对于大多数磷化铟 （InP） 光子器件，封装、组装和测试成本可能达到模块总成本的 80% 左右。  

图 2 .基于 InP PIC 的模块的工艺成本明细占总制造成本的百分比。源：Latkowski 等人，2019 年   为了变得更加可及和负担得起，光子学制造链必须变得更加自动化和标准化。缺乏自动化会使制造速度变慢，并阻碍可用于过程控制、优化和标准化的数据收集。   实现这些自动化和标准化目标的最佳方法之一是学习已经众所周知和标准化的电子产品封装、组装和测试方法。毕竟，建造一条特殊的生产线比修改现有的生产流程要昂贵得多。   有几种方法可以使光子学封装、组装和测试更实惠、更容易获得。以下是一些示例：  

被动对准： 将光纤连接到 PIC 是光学设备最复杂的封装和组装问题之一。最佳对准通常是通过主动对准过程实现的，其中来自 PIC 的反馈用于更好地对准光纤。被动对齐过程不使用此类反馈。它们无法实现最佳对齐，但价格要便宜得多。

BGA 式封装： 球栅阵列封装在电子制造商中越来越受欢迎。它将芯片连接置于芯片封装下方，从而可以更有效地利用电路板中的空间，实现更小的封装尺寸和更好的焊接效果。

图 3：球栅阵列 （BGA） 型封装的顶视图、底视图和侧视图。  

倒装芯片键合：在最终制造步骤中，焊料凸块沉积在芯片上的工艺。芯片翻转并与电路板对齐，以便于焊接。

图 4：倒装芯片键合工艺的简化步骤。

对于在过去 5 年或 10 年中开始实施这些技术的光子学开发人员来说，这些可能是新技术。然而，电子行业在 20 或 30 年前就接受了这些技术。使这些技术得到更广泛的应用，将对光子学的放大能力产生巨大影响，并使其能够像电子产品一样可用。  

制造可承受焊接的光子芯片

焊接仍然是光子学组装和封装的另一个棘手步骤。光子器件开发人员通常定制订购 PIC，然后对电子设备进行引线和芯片键合。但是，PIC 中的某些元件无法承受焊接温度，因此难以焊接到电子电路板中。开发人员通常必须通过非标准工艺将芯片粘合到电路板上，这需要额外的可靠性验证。   这又回到了流程标准化的问题。当前的 PIC 通常使用与电子产品不同的材料和工艺，例如光纤连接和用于芯片互连的金属，这些材料和工艺无法通过标准焊接工艺。   采用 BGA 式封装和倒装芯片键合技术将使 PIC 更容易在这种焊接过程中生存。包括 EFFECT Photonics 在内的全球范围内都在进行研究和开发，以使光纤耦合和其他 PIC 方面与这些电子封装方法兼容。   可以处理焊接到电路板的 PIC 将使该行业能够构建光学子组件，这些组件可以在公开市场上更容易获得，并且可以用于火车、汽车或飞机。   END   转载内容仅代表作者观点 不代表中国科学院半导体所立场