光电共封装器件 （CPO）： 光子集成电路与电子集成电路的集成
由于人工智能 （AI）、5G、边缘计算、云数据中心、自动驾驶汽车和可穿戴技术等新兴技术的出现，对高速数据传输和处理的需求正在迅速增长。为满足这些需求，半导体行业正朝着异构集成的方向发展，即在单个封装上集成不同的组件和技术。其中一个重点领域是协同封装光学（CPO），涉及光子集成电路（PIC）和电子集成电路（EIC）的异构集成。硅基光电子技术是利用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术将光学元件集成到硅基板上。可在硅芯片上实现光的产生、操纵和检测，从而促进高速数据传输和处理。图 1 显示了硅基光电子器件的示例，包括混合硅激光器和英特尔硅基光电子芯片。
光收发器是光传输系统的关键部件，可将电信号转换为光信号，反之亦然。它们由发射器光学子组件（TOSA）和接收器光学子组件（ROSA）组成。TOSA 包含激光二极管和驱动器，而 ROSA 则包括光电二极管、跨阻抗放大器 （TIA） 和光学接口。图 2 展示了光收发器的组件以及 PIC 和 EIC 的集成。
集成光收发器有多种封装选择，包括可插拔收发器、板载光学器件 （OBO）、近封装光学器件 （NPO） 和共封装光学器件 （CPO）。图 3 显示了这些封装方法的演变过程，突出显示了从可插拔收发器到 CPO 的过渡，以实现更高的性能和集成度。
CPO 是将 PIC 和 EIC 异构集成到一个封装基板上。这种集成结合了光学和电子元件的优势，实现了高速数据传输和处理。图 4 展示了在二维异质集成方案中使用各种互连技术（如微凸块、铜-铜混合键合和硅通孔 （TSV））集成 PIC 和 EIC 的不同方法。
图 5 和图 6 描述了 ASIC 开关、PIC 和 EIC 的二维异构集成示例。这些方法利用微凸块、TSV 和硅桥等技术实现了高性能数据传输和处理。
为了实现更高水平的集成和性能，可以采用三维异构集成技术。图 7 和图 8 展示了各种三维异构集成方法，包括 PIC 和 EIC 的面对面集成，以及 ASIC 开关、PIC 和 EIC 在带有 TSV 或有机内插件的共封装基板上的集成。
为促进异质集成中芯片间的高密度互连，采用了硅桥和 EMIB。图 9 和图 10 展示了英特尔、IBM 和苹果等不同制造商生产的硅桥和 EMIB。
随着对更高性能和更高集成度的需求不断增长，先进的封装技术也在不断发展。其中一种技术是台积电的 CoWoS（基板上晶片上芯片）架构，该架构采用由本地硅互连（LSI）和扇出再分布层（RDL）组成的重组内插器（RI）。图 11 和图 12 展示了台积电的 CoWoS 和 CoWoS-L 架构，突出了 LSI 和 RI 在高性能异构集成中的应用。
为了解决有机基板的局限性，进一步扩大封装内晶体管的规模，英特尔宣布开发用于下一代先进封装的玻璃基板。玻璃基板具有超低平面度、更好的热稳定性和机械稳定性以及更高的互连密度等优异特性。图 13 和图 14 展示了英特尔的玻璃基板技术，包括一个全功能测试芯片和一块玻璃面板。
图 15、16 和 17 展示了在玻璃基板上实现 EIC 和 PIC 异构集成的潜在方法。这些方法充分利用了玻璃基板的独特特性，例如能够集成玻璃波导和穿透玻璃孔 （TGV），从而实现更高的互连密度并改进功率传输和信号路由。
虽然玻璃基板具有显著的优势，但也存在一些需要考虑的挑战。这些挑战包括较高的生产和封装成本、初期产量问题、对可行生态系统的需求（包括工具和材料供应商）以及外包测试和组装流程的必要性。光电共封装器件（CPO）是异构集成领域的一个重要进步，可将光子集成电路（PIC）和电子集成电路（EIC）集成到单个封装基板上。这种集成有助于高速数据传输和处理，满足人工智能、5G、边缘计算和数据中心等新兴技术日益增长的需求。目前已探索出多种 CPO 方法，包括二维和三维异构集成技术，利用微凸块、TSV、硅桥和 EMIB 等技术。此外，还在开发先进的封装技术，如台积电的 CoWoS 和 CoWoS-L 架构，以进一步提高性能和集成能力。展望未来，英特尔推出了玻璃基板，作为下一代先进封装的理想解决方案。玻璃基板具有卓越的性能，包括超低平面度、更好的热稳定性和机械稳定性，以及更高的互连密度，使封装中晶体管的规模在2030年后继续扩大。虽然目前还存在一些挑战，如成本较高、良率问题和生态系统开发等，但半导体行业正在积极努力克服这些障碍，充分释放共同封装光学技术和玻璃基板技术在未来以数据为中心的应用中的潜力。J. H. Lau, "Co-Packaged Optics: Heterogeneous Integration of Photonic IC and Electronic IC," presented at the IEEE Electronic Packaging Society - Central Indiana Chapter, Unimicron Technology Corporation, March 5, 2024.
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