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摘要

本文精要介绍IMEC最新成果[1]，研究三维集成硅基光电子芯片（PIC）与CMOS电子芯片（EIC）用于高性能光互连的热效应。在电子集成电路组装之前后，对集成环形光子器件的密集波分复用硅基光电子电路体系结构进行了热表征。热测量和仿真结果显示，由于集成电子芯片的热传导作用， 对光电子器件的热效率和串扰产生了重大的负面影响。通过优化集成EIC与PIC之间的热接触界面设计，以缓解这些不利影响。

关键词：三维集成

简介 

互联网流量的指数级增长要求实现高带宽和高能效的互连。硅基光电子技术利用 CMOS 制造技术实现了大规模光电子集成，使其适用于这些高性能链路。然而，纳米光电子器件的热敏感性给可靠性带来了挑战。通过片上微加热器进行主动热控制可实现器件的稳定运行。此外，光子-电子融合至关重要，这就要求利用倒装芯片键合技术实现 PIC 和 EIC 芯片的密集三维集成。这种三维堆叠会带来额外的热设计复杂性，影响光子器件的性能。

在这项工作中，对由集成环形调制器倒装芯片的 PIC 和 CMOS EIC 组成的测试载体进行了热测量和多物理场仿真。在 EIC 集成前后提取了两个关键指标--加热器效率和热串扰。此外，还分析了光子器件周围基板下切的影响。通过这些研究，可以对三维集成引入的热损耗进行定量评估，并为光子-电子接口的热协同优化提供途径。

图 1.（a）CPO概念图。（b）光学收发模块由具有3D集成驱动器EIC和激光器的PIC组成。EIC-PIC面对面（F2F）粘接。整个组件具有背侧散热器和顶侧冷板。（c）收发器利用带环形调制器（d）的DWDM架构在传输侧（Tx）和接收侧（Rx）上使用环形滤波器，通过加热器调谐。

样品描述

测试样品由一片 5x5 mm² 的硅基光电子芯片与一片较小的 1.5x1 mm² CMOS 集成电子芯片翻转芯片键合制成，二者之间以 50 微米间距铜锡微球阵列相连，环氧树脂充填其间隙。硅基光电子芯片的发射端集成了环形调制器及铜钨微加热器用于热控制。测试了两种光电子器件： 即硅波导周围有基底下切沟槽和无基底下切沟槽。EIC提供光电子器件的驱动电路。样品通过电测试针和光栅耦合器连接测试设备完成电学和光学测试。

图 2. 测试载具照片：（a）、（b）带有电驱动器（EIC）的PIC，采用翻转芯片键合进行混合集成。（c）3D芯片堆叠和（d）草图：MH和WG的横截面扫描电子显微镜（SEM）图片。（e）有限元网格。

测试与建模方法

通过测试环形调制器谐振峰位移，提取两个关键的热性能指标：加热器效率和器件间热串扰。加热器效率表示单位加热功率产生的谐振波长漂移值，值越低表示效率越高。热串扰是指相邻器件开启加热器时对测试器件产生的寄生加热效应。上述指标在电子芯片集成前后于 25°C 下测试，以量化三维堆叠的影响。采用商业软件 MSC Marc 建立微球阵列复杂界面与基板的多物理联合有限元模型。输入条件为器件微加热器中的焦耳热。设置边界条件为对流传热和界面热阻以代表封装效应。比较两种建模方法：实际几何法和基于有效材料参数的等效方法。波导平均温度作为判断加热器效率的关键输出指标。

表 1. 热模拟的热导率值，UF = μbump层中的填充材料。

图 3. μbumps建模：通过单元格方法使用单独的几何形状或等效材料属性。等效的垂直于平面的热导率是通过μbump的温度差ΔT = T1 − T2来计算的。

结果分析

1. 加热器效率：实验表明，集成 EIC 后，加热器的效率会大幅下降（最高达 44%），原因是不希望的横向热量扩散到充当散热器  EIC 中。这降低了热阻和微加热器的功率效率。这两种μbumps建模方法都与测量结果显示出良好的一致性。EIC 为 PIC 器件的散热提供了一条平行路径，抵消了下切隔离沟槽的优势。

图4. 环形调制器加热器效率测试结果。

表2. 来自实验（pm/mW）和模拟（等效模型）（K/mW）的环形调制器加热器效率。括号中的值是由几何模型得到的。

2. 由于额外的横向传导，EIC 集成会使器件之间的热串扰增加高达 44%。不过，模型显示，采用顶部冷却解决方案可将长距离串扰减少 50%。因此，虽然 EIC 中间件增强了电气连接性，但如果不进行仔细的协同优化，就会降低热隔离度。

图 5. 带 UCUT 的热串扰测量（a）和不带 UCUT 的热串扰测量（b）。两个结果都是 EIC 集成的结果。请注意，带 UCUT 的环形调制器（a）是为 O 波段工作而设计的，而不带 UCUT 的环形调制器（b）则是为 C 波段工作而设计的。

表 3. EIC-PIC 组件的热串扰实验和模拟（等效模型）（百分比）。

图 6 仿真结果：（a）环形调制器横截面的温度等值线图，（b）不带 EIC，（c）、（d）带 EIC 集成。

图7. （a） 沿光波导线性温度分布;（b） 环形光波导圆周温度分布。

图 8. 四种情况下的实测加热器效率与模拟加热器效率：有 UCUT/EIC 和没有 UCUT/EIC。通过热建模研究得出，红色和橙色对带有 EIC 和 UCUT 的加热器效率的影响。

图 9. （a） 使用 EIC 的热串扰测量和模拟结果。（b） 带有和不带 EIC 的模拟串扰。

图 10. （a）、（b） 参考案例（测试装置）和实际封装案例（顶部冷板）的模拟热串扰

解决方案

电子集成电路基板的热传导影响可以通过电子集成电路与光子集成电路之间热传导界面的优化来改善，主要方法为：

1. 最大化填充材料的界面垂直有效热阻;

2. 增大微球与光子器件之间距离;

3. 减小微球排阵至光子器件的导线宽度。 仿真预测上述综合优化方法可以恢复超过75%的加热器效率。这为实现高性能与高可靠性的三维光电子一体模块提供了设计指导，有助于消除器件性能降低和功率惩罚。

图11. 加热器效率与界面热阻关系。

图12. μbump层的有效热导率作为填充料热导率的函数。

图 13. 环形调制器和μbump的横截面，以及模拟和标准化的温度等高线。（a）参考设计，（b）减小50% μbump尺寸的改进设计，以及（c）环形调制器和μbump之间增大的间隙。

图 14. 模拟结果：（a）加热器效率作为环形调制器和μbump之间间隙的函数。绿色数据点是针对原始间距（50微米）下减小50%尺寸的μbumps获得的；参见图 13（b）。减小μbump尺寸有效地增加了μbump-RM间隙。（b）加热器效率作为Cu线宽的函数。

图 15.（a）模型显示环形调制器和其附近的4×3阵列μbumps以及环形调制器与其μbumps之间增加的间隙。（b）参考案例和移动μbumps案例中通过μbumps的热通量的顶视图。

结论

本研究全面分析和改进了翻转芯片集成的硅基光电子一体收发模块的热设计。优化三维集成的光子与电子集成电路之间的热特征，对于下一代高性能计算和数据中心中的这类异构系统提升总体性能非常重要。

参考文献

[1]D. Coenen, M. Kim, H. Oprins, Y. Ban, D. Velenis, J. Van Campenhout, and I. De Wolf, "Thermal modeling of hybrid three-dimensional integrated, ring-based silicon photonic-electronic transceivers," Journal of Optical Microsystems, vol. 4, no. 1, Jan.-Mar. 2024, Art. no. 011004, doi: 10.1117/1.JOM.4.1.011004.