中國科協發(fā)布了2020重大科學問題和工程技術難題,硅光技術榜上有名,“硅光技術能否促成光電子和微電子的融合?”。這篇筆記聊一聊硅光芯片與電芯片的封裝方案。
硅光芯片中的調制器和探測器必須與外部的Driver、TIA協同合作,Driver將電信號加載到電光調制器上,TIA將PD處收集到的電流轉換為電壓信號。如何巧妙地設計封裝結構,使得硅光芯片和電芯片之間形成有效的信號互聯,成為產業(yè)界的一個關注重點。
目前,硅光芯片與電芯片的封裝形式主要有四種方式:1) 單片集成,2) 2D封裝, 3) 3D封裝, 4) 2.5D封裝。以下對這些技術方案分別做介紹。
1. 單片集成
所謂單片集成,即在同一個流片平臺上,同時加工光器件與電器件,最終的芯片中同時包含PIC和EIC。信號通過芯片內部的金屬直接互聯。其結構如下圖所示,
(圖片來自文獻1)
該方案的優(yōu)勢之一是封裝簡單,單片集成的芯片只需要通過wiredBond或者flip-chip的方式與PCB板相連即可。目前GlobalFoundry的硅光工藝采用該方案,典型的cross-section如下圖所示,在同一層silicon加工NMOS, PMOS和光波導。
(圖片來自 http://www.columbia.edu/~sm4659/AboutPageAssets/materials/24-3_Moazeni_1.pdf)
該方案的主要缺點是,硅光的工藝節(jié)點遠落后于電芯片的工藝節(jié)點,為了單片集成, 得做一些妥協,導致電器件和光器件的性能都達不到最優(yōu)。光波導的損耗較高、PD的響應率較低,電芯片的功能較大。Luxtera曾經嘗試采用該方案,但最終放棄該技術路線,轉投TSMC的懷抱,其主要的問題是工藝開發(fā)成本高,并且flexibility欠缺。
2. 2D封裝
2D封裝的方案示意圖如下所示,EIC和PIC放在同一個PCB板上,
(圖片來自文獻1)
該方案的一個缺點是EIC與PIC的互聯線數目受限(wire bonding只能在PIC與EIC相鄰的那條邊),因此該方案不適用于高IO數目的應用場景。
Intel在OFC 2019上報道了其采用2D封裝的基于微環(huán)調制器的發(fā)送器,如下圖所示,driver的信號通過wire bonding連接到微環(huán)調制器上,最終實現了112Gb/s的信號傳輸速率。
(圖片來自文獻2)
3. 3D封裝
典型的3D封裝方案是將EIC倒裝在PIC上,EIC和PIC之間通過micro bump或copper pillar互聯,PIC通過wire bonding與PCB板相連,如下圖所示,
(圖片來自文獻1)
bump的pitch典型值40-50um,因此EIC和PIC之間可以實現高密度的IO互聯,這也是該方案的優(yōu)點之一。目前絕大多數硅光公司都是采用的該方案。
該方案的缺點之一是散熱問題,由于EIC直接堆疊在PIC上方,EIC所產生的熱量會傳遞到PIC上,這會直接影響部分光器件的性能,例如微環(huán)。
該方案的一個變體是,在硅光芯片中形成TSV, 通過TSV直接與基板互聯,如下圖所示,硅光芯片同時作為interposer。
(圖片來自文獻1)
日本PETRA平臺的研究人員在2018年采用該封裝方案,實現了16通道的transceiver, 單通道的信號速率為25Gb/s, 其芯片封裝結構如下圖所示,
(圖片來自文獻3)
PIC上不僅僅放置了EIC,還放置了LD, fiber ferrule等, 整個系統的封裝較為復雜。
4. 2.5D封裝
該方案是將EIC與PIC放在同一個interposer上,interposer通過TSV與基板互聯,如下圖所示,
(圖片來自文獻1)
該方案的優(yōu)勢之一是可以將多個die同時放在一個interposer上,不限于兩塊芯片,進而構成更復雜更大規(guī)模的系統, 如下圖所示,
(圖片來自文獻1)
該方案的缺點之一是EIC與PIC互聯的高速信號需要經過兩次bump,會對信號的帶寬性能產生一定的影響。
以上總結了幾種常見的PIC與EIC的封裝方案,目前采用3D方案的公司較多??雌饋硭坪跤悬c像堆積木,但如何實現高IO密度、高信號帶寬,很多細節(jié)問題需要考量。封裝作為產品R&D的最后一步,直接關系到最終產品的良率與成本。由于硅光芯片的特殊性,不能直接采用傳統EIC的封裝方案,還涉及到光的耦合封裝,需要重新開發(fā)相關技術,因此封裝成本在硅光產品中占有較大比重。