导言
在高速数据传输和处理时代，光电子技术和电子电路技术的集成变得尤为重要，推动了高效信号的传输和处理。本文介绍台积电的CN110648927B专利包含的光电共封装技术，这是台积电将光电子和电子元件集成在单个封装内的尖端技术。我们将探索这一创新技术的复杂工艺、结构和应用。
基础概念
在深入了解光电共封装的细节之前，让我们先对其中涉及的基本组件有扎实的了解：
1.电子芯片（E-Die）： 该组件包含电子电路和器件，如处理器、放大器和控制电路，负责处理和控制电信号。
2.光电子芯片（P-Die）：光电子芯片包含波导、调制器和光电探测器等光学元件，用于传输、处理和接收光信号。
3.光纤：作为光信号传输的管道，光纤有助于长距离数据传输，同时将信号衰减降至最低。
4.光耦合： 将光纤对准并连接到 P-Die 的过程，从而实现两个元件之间有效的光信号耦合。
集成的必要性
传统的封装方法将电子和光电子元件分开，导致外形尺寸增大、功耗增加和信号完整性问题。集成光子封装通过在单个封装内无缝结合电子和光子元件来应对这些挑战，从而实现了紧凑的设计、更高的能效和信号完整性。
封装制程
光电共封装制程涉及多个复杂的步骤，每个步骤都有助于提高最终产品的功能性和可靠性。
让我们探讨一下其中的关键步骤：
1.晶粒放置： 将 E-Die、P-Die 和可选的专用集成电路 （ASIC） 芯片放置在临时载体上，P-Die 的表面朝向载体。
2.封装： 在芯片上涂抹封装剂，通常是聚合物材料，填充芯片之间的间隙。
3.平面化： 通过化学机械抛光 （CMP） 等平面化工艺，露出 E-Die 的金属支柱、P-Die 的硅通孔 （TSV） 和封装材料表面，确保表面共面。
4.再分布层 （RDL） 形成： 形成多层介电材料和金属线 （RDL），建立 E-Die、P-Die 和可选 ASIC 芯片之间的电气连接。
5.去除牺牲材料： 在特定情况下，去除最初填充 P-Die 开口的牺牲材料，露出波导和其他光学元件。
6.光学耦合： 光耦合器（如边缘耦合器或顶部耦合器）连接到 P-Die 上，促进光纤和 P-Die 波导之间的光信号耦合。
主要优势
与传统封装技术相比，光电共封装具有众多优势：
1.减少占地面积： 通过在单个封装内集成电子和光电子组件，可显着减少整体占地面积，从而实现紧凑、节省空间的设计。
2.提高电源效率： 电子和光电子组件距离很近，最大限度地减少了信号传输距离，从而降低了功耗和散热。
3.增强信号完整性： 组件之间的直接电和光互连可确保将信号衰减降至最低，从而提高整体信号完整性。
4.降低成本： 与传统方法相比，在单个芯片上集成电子和光子组件（尤其是 P 芯片）可大幅降低制造成本。
高级配置
除了基本的光电共封装工艺优势外，该技术还具有多功能性和适应性，可满足特定的应用要求。一些先进的配置包括：
1. 堆叠式芯片： 在这种配置中，E-Die 直接堆叠在 P-Die 的顶部，进一步减少了封装占地面积，并方便了直接的电气和光学互连。
2. 多个 E-Die 和 ASIC Die： 某些应用可能需要多个 E-Die 和 ASIC 芯片，以便在单个封装内实现不同的功能。
3. 直通封装通孔： 可以在封装材料中形成导电通孔，而不是在 P-Die 中形成 TSV，从而在 P-Die 和其他元件之间提供电气连接。
应用
光电共封装可应用于广泛的行业和领域，包括：
1.电信： 通过有效集成光学和电子元件，实现长距离高速数据传输。
2.数据中心： 利用光电共封装的紧凑设计和低功耗，促进数据中心基础设施内的快速数据处理和传输。
3.汽车和航空航天： 利用光电共封装的高速可靠数据传输能力，为汽车和飞机中的先进传感和通信系统提供支持。
4.医学成像： 通过光电共封装实现高效数据处理和传输，从而增强医学成像技术。
结论
光电共封装代表着设计和制造电子与光电子系统方式的范式转变。通过在单个封装内无缝集成这两个世界，为紧凑型、高能效和高性能设备带来了新的可能性。随着数据传输和处理需求的不断飙升，光电共封装已成为先锋技术，有望彻底改变各行各业，并推动未来光电子集成技术的发展。
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