CPO模块电光同步贴装新方案——京瓷高精度无源对准技术解析

随着AI、云计算爆发式增长，数据中心面临带宽密度不足与功耗激增双重挑战。传统电互连和板级光模块难以满足需求，而共封装光学（CPO）技术将光电器件紧贴CPU/GPU封装，缩短电传输距离，实现能效提升40%+与带宽密度翻倍。本文介绍京瓷提出的一种无源对准方法，该方法利用CNC补偿技术，实现了CPO（共封装光学）模块的电光同步贴装。该方法能够将光电转换器精确地贴装到聚合物波导上，并提供了足以支持32 Gb/s NRZ（非归零码）传输的耦合效率。

CPO模块结构设计

图1：CPO模块结构（a）与光耦合截面示意图（b）

京瓷CPO模块的主要设计包括：

双芯片设计：2个5×5mm硅光（SiPh）芯片，集成4通道收发器，采用硅光技术实现光电转换；

基板尺寸：33.6×21.0mm²，嵌入聚合物波导+曲面反射镜；

光路路径：SiPh芯片 → 垂直光钉 → 45°曲面镜 → 波导 → 多模光纤；

创新光路设计：采用聚合物垂直光钉（Optical Pins）将光信号引出芯片平面。

贴片容差：±5μm的生死线

光耦合损耗必须≤0.6 dB才能满足32 Gb/s NRZ传输。通过微位移实验（图2）测得X/Y轴偏移容忍度仅±5μm，超过±5μm损耗剧增。此外，采用曲面镜设计使X/Y轴容差对称化，避免焦点突变。

图2：容差测试装置

图3：X/Y轴位移与光损耗关系

贴片流程：SIEOM技术突破工艺瓶颈

 

图4：SIEOM工艺流程

传统工艺面临有机基板形变大、微镜面难做标记，以及光钉位置波动等难题。京瓷采用了SIEOM创新流程（图4），具体如下：

光刻核心标记：波导加工时同步制作定位标记（Core-Marks）；

CNC视觉补偿：测量基板标记/镜面坐标，计算最佳贴装位；

光钉主动对齐：通用贴片机以光钉为基准定位（非传统设备标记）；

树脂填充：折射率匹配胶同时充当底部填充料。

一举三得：单次贴装同步完成100个BGA焊点+8个光通道（4Tx+4Rx）

结果分析：精度与损耗双达标

验证方法：采用IR显微镜无损检测光钉位置（图5验证准确性），并对比设计位置与实际偏移量的光损耗。

图5：光钉-波导耦合截面（实际贴合状态）

结果表明，如图6所示，最佳位光耦合损耗仅0.3 dB（远低于0.6dB上限）。SIEOM将位置偏差控制在±5μm内，传统方法波动达±15μm成功支持32 Gb/s NRZ传输（BER<10⁻¹²）。

图6：Y轴偏移与损耗关系（实点：SIEOM实测；虚线：容差曲线）

图7：SIEOM vs 传统方法精度对比（误差棒=极值）

结论：为CPO量产铺平道路

京瓷开发的SIEOM技术实现了电光同步无源贴装。通过光刻标记+CNC补偿攻克±5μm对准难题，其光损耗0.3dB满足32Gb/s高速传输。该项技术为CPO标准化量产提供高性价比方案。