摘要
光电芯片为数据通信应用(如数据中心互联和高性能计算)提供性能、集成度、功率效率和可靠性等多方面好处。但是，与电信应用相比，数据中心互联/高性能计算光电芯片可靠性的要求存在明显不同。本文回顾数据中心互联/高性能计算应用中实现可靠光电芯片所需遵循的可靠性标准、设计考虑、验证方法和商用产品的实际运行数据，并讨论改进光电芯片可靠性的机遇与挑战。
数据中心互联/高性能计算对光电芯片可靠性的主要需求包括:
温度环境：高于电信标准，低于不受控室外；可通过监测记录工作条件。
使用寿命：典型 5-7 年，电信为 20-25 年；使用非气密封装。
故障率：模块目标约 300 FIT，电信历史数据更高；还需降低初期故障[<500 defective parts-per-million，dppm]。
寿命测试：高温工作寿命、高温储存。
腐蚀测试：85°C/85% RH 测试。
机械测试：冲击、振动、热循环。
特殊测试：ESD 容限。
故障模式及影响分析
加速时效/使用寿命测试及故障分析
设计约束和余量设置
迭代优化可靠性
图1：质量设计程序的关键步骤 [1] 。
图2： (A)光电二极管 (PD)的步进压力流程；(B)暗电流 (Idk)与阶跃电压(V)的函数关系，显示硅基光电子PD在使用电压下的测量Idk [1] 。
图3：2000小时衰减与4种不同温度条件 (Temp1-Temp4) 的温度变化关系。红圆圈对应于衰减数据，绿色虚线是基于较高的2种温度(Temp3和Temp4)的阿瑟尼乌斯(Arrhenius)拟合。蓝线对应基于(T-Tco)x阿瑟尼乌斯加速拟合，其中在特征温度Tco处发生不同衰减过程应力影响的变化。
光电连接集成：微球阵列键合广泛用于光电连接，需控制电迁移和热胀冷缩失配。
光源：激光器还需考虑老化、镀膜和气密封装；杂化集成的可靠性优于边发射激光。
光纤接口：低损耗、稳定的耦合损耗要求波导模式匹配、表面清洁、固化参数优化，控制黏弹性影响和胶层厚度。
封装：可靠模块需光子芯片、电子器件和热管理一体设计。
图4：(A) EIC 和 PIC 之间的微球阵列互连 (直径 25 微米，球距 50 微米) 。(B) 与 TSV 三维集成相比，线键合会产生电感、电容和电阻寄生效应，损害信号完整性和功耗。
图5：硅基光电子芯片的光纤接口实例。(A) 400 G on-board-optics 模块 (16x25 Gbps) ，32 根光纤与 PIC 接口。(B) 400 G Dr-4 QSFP-DD 模块 (4x100 Gbps)
图6：1.2Tb/s 相干收发模块图片 (6通道， 每个通道200Gb/s) 。该收发模块集成了6通道的Rx和Tx PIC、24-bit stream MZMD和TIA阵列、紧凑的多芯片模块与控制ASIC驱动器、热电冷却器、自由空间光学和两个光纤耦合器。
硅基光电子芯片通过 1 万小时加速测试及 10 万小时操作。
500 Gb/s 铟磷发射器芯片现网运营超 30 亿小时， 故障率<0.3 FIT；集成监测使器件稳定运营超过 15 年。
图7：在 Marvell 硅基光电子芯片的 150°C/1万小时加速时效测试中，(A)PDs、(B)MZMs 和 (C)相位控制组件的暗电流(Idk)变化。
图8：通过闭环故障分析持续改进产品，令 Marvell 硅基光电子芯片模块的标准化现场退货率降低了5倍以上
更高集成度与光功率需持续评估可靠性。
复杂光电芯片标准需升级。
改进测试/验证方法可提升可靠性。
前沿共封装技术带来新考虑。
[1]S. Abel et al., "Integrated Photonics for Data Communication Applications," in Integrated Photonics Apps Specific Design & Manufacturing, M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Eds. Elsevier, 2023, pp. xv-xx. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91224-2.00014
[2]https://telecom-info.njdepot.ericsson.net/site-cgi/ido/docs.cgi?ID=SEARCH&DOCUMENT=GR-468
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