本文介紹了如何在光子學中利用電子生態系統。

這一目標要求光子學制造利用現有的電子制造工藝和生態系統。光子學必須采用無晶圓廠模型、可以在焊接步驟中幸存下來的芯片以及電子封裝和組裝方法。

無晶圓廠模型的優勢

增加光子學的制造量是一個巨大的挑戰。一些光子芯片開發商在其制造設施中制造芯片。這種方法具有巨大的優勢，使組件制造商能夠完全控制其生產過程。

圖 1：垂直集成光收發器開發商的簡化價值鏈圖。開發人員處理 PIC 的設計、制造和打包。 但是，這種方法在擴大規模時有其權衡。如果垂直整合的芯片開發商想要擴大規模，他們必須在更多的設備和人員上進行巨額資本支出 （CAPEX）。他們必須開發新的制造工藝，并培養和培訓人員。晶圓廠不僅建造成本高昂，運營成本高昂。除非它們能夠保持幾乎完全利用，否則運營費用 （OPEX） 也會耗盡設施所有者的財務。 尤其是在光收發器市場沒有消費電子產品那么大的情況下，很難不懷疑這種初始投資是否具有成本效益。例如，LightCounting 研究數據估計，2023 年售出 1.73 億臺光纖以太網收發器，而國際數據公司估計 2023 年售出 11.7 億部智能手機。后者的數字是整個光收發器市場的 7 倍。 電子制造業在 70 年代和 80 年代的繁榮時期也遇到了類似的問題，由于需要大量的資本支出，較小的芯片初創公司在進入市場方面面臨著幾乎無法逾越的障礙。此外，大型電子制造代工廠的產能過剩，耗盡了他們的運營成本。大型代工廠將多余的產能出售給較小的芯片開發商，這些開發商變得無晶圓廠。在這種情況下，每個人都贏了。代工廠為多家公司提供服務，可以以全產能運行其設施，而無晶圓廠公司可以將制造外包并減少支出。 這種無晶圓廠模式，由公司設計和銷售芯片，但外包制造，也應該是光子學的方式。光子學開發人員的規模化問題被外包出去，并且（從無晶圓廠公司的角度來看）變得像下采購訂單一樣簡單，而不是經歷一個更昂貴、更耗時的過程。此外，無晶圓廠模型允許光子學開發商將其研發資源集中在終端市場。如果光子學進入百萬級體積，這是最簡單的前進方式。

采用電子式封裝

雖然封裝、組裝和測試只是電子系統成本的一小部分，但光子集成電路 （PIC） 的情況正好相反。埃因霍溫技術大學 （TU/e） 的研究人員估計，對于大多數磷化銦 （InP） 光子器件，封裝、組裝和測試成本可能達到模塊總成本的 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擔得起，光子學制造鏈必須變得更加自動化和標準化。缺乏自動化會使制造速度變慢，并阻礙可用于過程控制、優化和標準化的數據收集。 實現這些自動化和標準化目標的最佳方法之一是學習已經眾所周知和標準化的電子產品封裝、組裝和測試方法。畢竟，建造一條特殊的生產線比修改現有的生產流程要昂貴得多。 有幾種方法可以使光子學封裝、組裝和測試更實惠、更容易獲得。以下是一些示例：

被動對準：將光纖連接到 PIC 是光學設備最復雜的封裝和組裝問題之一。最佳對準通常是通過主動對準過程實現的，其中來自 PIC 的反饋用于更好地對準光纖。被動對齊過程不使用此類反饋。它們無法實現最佳對齊，但價格要便宜得多。

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，實現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。芯片翻轉并與電路板對齊，以便于焊接。

圖 4：倒裝芯片鍵合工藝的簡化步驟。

對于在過去 5 年或 10 年中開始實施這些技術的光子學開發人員來說，這些可能是新技術。然而，電子行業在 20 或 30 年前就接受了這些技術。使這些技術得到更廣泛的應用，將對光子學的放大能力產生巨大影響，并使其能夠像電子產品一樣可用。

制造可承受焊接的光子芯片

焊接仍然是光子學組裝和封裝的另一個棘手步驟。光子器件開發人員通常定制訂購 PIC，然后對電子設備進行引線和芯片鍵合。但是，PIC 中的某些元件無法承受焊接溫度，因此難以焊接到電子電路板中。開發人員通常必須通過非標準工藝將芯片粘合到電路板上，這需要額外的可靠性驗證。 這又回到了流程標準化的問題。當前的 PIC 通常使用與電子產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，這些材料和工藝無法通過標準焊接工藝。 采用 BGA 式封裝和倒裝芯片鍵合技術將使 PIC 更容易在這種焊接過程中生存。包括 EFFECT Photonics 在內的全球范圍內都在進行研究和開發，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 將使該行業能夠構建光學子組件，這些組件可以在公開市場上更容易獲得，并且可以用于火車、汽車或飛機。 END 轉載內容僅代表作者觀點 不代表中國科學院半導體所立場