简介
光电芯片（PIC）的快速发展为各种应用带来了众多创新解决方案。然而，组装和封装形式存在瓶颈，阻碍了完整系统解决方案的商业化。本文将探讨集成电路封装和测试技术面临的挑战和取得的进步。
图 1. PIC 封装技术概览 [1]。
当前封装技术面临的挑战：
- 串行工艺： 传统封装采用逐个封装的方法，在将光电子器件放入外壳后再完成互连。这种串行工艺速度慢、劳动密集型，并限制了可扩展性。
- 吞吐量有限： 由于串行性质，封装级测试的吞吐量也很低，影响了生产效率。
- 缺乏灵活性： 目前的方法在设计和工艺流程方面缺乏灵活性，难以适应各种应用和新出现的需求。
集成电路封装技术
PIC 封装是一项复杂的任务，需要多方面的专业知识，包括：
- 先进的封装材料
- 光电子和电子器件集成
- 精密光学装配
- 高速电气设计
- 热管理
- 可靠的机械设计
- 了解最终用户应用
有效的 PIC 封装和测试技术应考虑所有这些方面，确保高效、高通量和高成本效益的解决方案。
收发器封装设计
PIC 封装的一个典型例子是光收发器模块。这种紧凑型封装集成了各种组件：
- 有源和无源光电子组件
- 电气集成电路（放大器、驱动器）
- 用于光电子和电子设备的印刷电路板 (PCB)
- 用于对齐、散热和屏蔽的机械结构
主要的挑战在于如何将这些不同的功能集成到一个紧凑、低成本的模块中。主要挑战包括
- 光纤与光电子芯片之间的高效耦合
- 激光源与电子集成电路的集成
- 高速电信号路由
图 2. PIC 封装技术应考虑封装和测试的各个方面，包括设计标准、光电封装工艺、器件集成、热管理和可靠性。
图 3. 标准可插拔光收发器模块的配置和主要组件示意图。
光学封装
目前最先进的技术包括使用紫外线固化或热固化环氧树脂将光纤永久粘合到光电子芯片上。
这种工艺的特点：
- 劳动密集型
- 需要高精度对准
- 需要长期的机械和热稳定性
主要有两种耦合方案：
- 边缘耦合： 提供宽光谱操作，允许模式尺寸转换器。但速度较慢，只能用于一维线性阵列，限制了每个器件面的输出数量。
- 光栅耦合： 更易于制造，可设计用于任何模式尺寸。不过，它在光谱带宽方面有局限性，存在偏振敏感性问题，并且需要昂贵的特殊光纤。
新出现的创新方法，如使用集成 V 形槽进行无源对准，可以解决边缘耦合的难题。
图 4. 示意图显示了从可插拔光收发器到共封装系统的演变过程。其驱动力是利用电气内插器使收发器更靠近开关组件。
图 5. 光电子器件通常具有不同的模式尺寸，从 1 微米到 10 微米不等。左图显示了不同模式尺寸下 1 分贝损耗的对准公差。右图显示光子封装中光纤的紫外线固化。资料来源 图片： Tyndall & ficonTEC。
图 6. 光纤与硅基光电子子波导的耦合可通过表面光栅或边缘耦合器来实现。边缘耦合正变得越来越普遍，因为它提供了板光谱操作，而且可以在光子设备上制造模式尺寸转换器，以匹配耦合光纤的 MFD。
图 7. 在光电子器件上使用微透镜耦合到带状 FA（左图），以及在包装机中将微透镜固定到硅基光电子器件上 [1]。
图 8. 边缘耦合器扩展光束范例的 ZEMAX 仿真。(A) 耦合效率与距离的函数关系。位移公差 (B) 和角度公差 (C) 与扩大光束直径的函数关系 [1]。
电气封装
电气封装经常被忽视，但却会对生产成本产生重大影响，尤其是在高速收发器中。主要体现在如下方面：
- 高速电气连接器： 使用 V、K 或 GPPO 射频连接器。
- 协同封装： 使用电插头将电子芯片集成到更接近 PIC 的位置，这对更高频率的产品越来越重要。
导线键合是封装内最常见的电气连接方法，不同类型的导线键合用于不同的应用：
- 金键合或铝球/楔键合： 用于直流应用。
- 带状线键合： 用于高速（射频）信号。
当光子设备与印刷电路板之间存在机械不匹配时，可使用电插座。这些中间件可由陶瓷、硅或玻璃制成。
对于更高的频率（大于 20 GHz），则需要使用带有复杂电插层的倒装芯片封装。这些中间件包括：
- 基底通孔 (TSV)
- 多层电气再分布层 (RDL)
为最大限度地减少信号损耗、热传导和机械应力，仔细的设计和材料选择对这些内插层至关重要。
图 9. 光电子封装中使用的电线键合示例。金球键合（左图）和带状键合（右图） [1]。
图 10. 氮化铝陶瓷插层用于将射频传输线从光子器件扇出到较大间距的印刷电路板（左图）。较大间距的印刷电路板将射频线路传输到高速连接器（右图）[1]。
图 11. 光电子器件和电子集成电路在硅 interposer上的共同封装（左图）。同一封装的 X 射线图像，显示焊接凸点和硅通孔与中间膜底面的连接。这样就能将组件直接放置并焊接到 PCB 主板上（右图）[1]。
图 12. (左图）带有多个 TIA 的 2.5D 封装 PIC，安装在带有 TSV 的硅插件上。 (右图）完整的光电子封装。高速印刷电路板将电气连接扇形化，连接到电路板边缘的射频和直流连接器。封装的一侧用于光学接口。
激光与 PIC 混合封装
由于 PIC 与硅和氮化硅（SiN）器件一样，缺乏固有光源，因此采用了多种方法将其集成：
- 封装外光源： 这种传统方法使用光纤耦合，因此模块占地面积较大，但允许对光源和 PIC 进行独立的热管理。
- 封装内光源组件（混合集成）： 这种方法使用微光学耦合，设计紧凑，同时最大限度地减少了热串扰。不过，这种方法在技术上具有挑战性，需要快速的组装流程。
- 直接粘合（异质集成）： 这种方法采用转印等技术将光源直接粘合在 PIC 芯片上。虽然可以实现快速集成并降低潜在成本，但它缺乏粘合前的器件测试，并可能带来热挑战。
图 13. (A) 光子集成电路制造链，(B) 从设计到产品的测试流程分布 [2] 。
图 14. 自动光学对准系统的可重复性 [3]。
封装设计规则和标准化
光电子封装设计规则的标准化正受到越来越多的关注，它具有以下几个优点：
- 减轻设计负担： 预定义的规则减轻了研究人员和工程师的设计工作量。
- 简化从设计到设备的流程： 既定规则有助于从设计到实际器件的顺利过渡。
行业合作有助于开发
- PIC Studio的封装/组装设计套件 (ADK)： 提供预先设计的组件和布局，以实现更快、更可靠的封装。
- 封装设计规则 (PDR)： 明确以下方面的指导原则：
lPIC 上光栅阵列的间距
l光纤阵列中光纤的间距
l电气接合垫的间距和金属化类型
l耦合组件相对于电气互连的位置
实施这些规则，尤其是在布局阶段，可以避免代价高昂的设计错误，并确保与现有封装解决方案的兼容性。ADK 正被集成到 PIC Studio软件工具中，使设计人员能够在进行光电子设计时轻松访问和实施这些规则。
图 15. 采用开放标准数据格式的模块化测试框架示例 [2]。
未来发展
PIC 封装和测试技术的未来发展可能集中在以下几个方面：
- 集成设计工具： 无缝集成用于光学、电气、热学和机械设计阶段的各种软件工具，使设计人员能够直观地了解封装不同方面的变化所产生的影响。
- 成本建模软件： 开发与设计工具相连接的软件工具，使设计人员能够评估各种设计决策对成本的影响，并优化封装的性能和成本。
结论
封装和测试是集成电路技术的关键环节，直接影响到生产成本、可扩展性和整体系统性能。尽管挑战依然存在，但目前的研发工作正在为更自动化、更高效、更经济的封装和测试解决方案铺平道路，最终将加速 PIC 在各种应用中的广泛采用。
参考文献
[1] M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Integrated Photonics for Data Communication Applications. Elsevier, 2023.
[2] S. Latkowski, W. Yao, D. Pustakhod, X.J.M. Leijtens, K.A. Williams, Test methods and processes in manufacturing chain of photonic integrated circuits, in: 2018 20th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), July 2018, pp. 1-4. https://doi.org/10.1109/ICTON.2018.8473652.
[3] S. Latkowski, D. Pustakhod, M. Chatzimichailidis, W. Yao, X.J.M. Leijtens, Open standards for automation of testing of photonic integrated circuits, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
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