AI熱潮專題 | 是時(shí)候討論高速光模塊性能所面臨的新挑戰(zhàn)了

  ICC訊 毫無(wú)疑問(wèn)，2023年是AI發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折年，大模型和生成式AI的發(fā)展正在深刻改變計(jì)算范式、產(chǎn)業(yè)動(dòng)量以及算力服務(wù)格局，其快速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大。從感知智能到生成式智能，AI算力需求的快速增長(zhǎng)進(jìn)一步拉動(dòng)了AI服務(wù)器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

  在中國(guó)，預(yù)計(jì)2023年中國(guó)AI服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到91億美元，同比增長(zhǎng)82.5%，2027年將達(dá)到134億美元，五年年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)21.8%!

  不僅是建設(shè)規(guī)模，數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵也在發(fā)生變化。當(dāng)2022年ChatGPT開(kāi)啟AIGC這一全新業(yè)態(tài)后，AI發(fā)展開(kāi)始進(jìn)入以多模態(tài)和大模型為特色的A12.0時(shí)代這些需求也改變了工作負(fù)載的形態(tài)。2023年，大模型的興起推動(dòng)了訓(xùn)練服務(wù)器的增長(zhǎng)速度。由于AI的應(yīng)用需要大量的數(shù)據(jù)支持，因此數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)容量也在不斷增長(zhǎng)。

  這些龐大算力的實(shí)現(xiàn)需要數(shù)據(jù)中心對(duì)海量數(shù)據(jù)處理能力的支撐，而這離不開(kāi)高速數(shù)據(jù)通信。

  高速光模塊的演進(jìn)

  在數(shù)據(jù)中心中,支撐整個(gè)海量數(shù)據(jù)處理的除了計(jì)算單元(芯片、服務(wù)器)，還有高速數(shù)據(jù)傳輸通信單元，其中一個(gè)關(guān)鍵器件是高速光通信模塊。在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增長(zhǎng)、葉脊架構(gòu)廣泛應(yīng)用的背景下，數(shù)通光模塊的需求增速正在進(jìn)入上升通道。

  Lightcounting預(yù)計(jì)，未來(lái)5年全球光模塊市場(chǎng)規(guī)模將的復(fù)合年增長(zhǎng)率為11%，預(yù)測(cè)2027年全球光模塊市場(chǎng)將突破200億。在算力中心階段，光模塊速率開(kāi)始向 400G/800G 過(guò)渡，而全球已有不少龍頭廠商開(kāi)始研發(fā)1.6T系列。Omdia預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年隨著帶寬需求的不斷提升，雖然100、200、400G光模塊仍將保有最大的市場(chǎng)占有量，但是800G光模塊將在2025年實(shí)現(xiàn)規(guī)模部署。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)光模塊的龍頭廠商也都已紛紛布局量產(chǎn)800G光模塊產(chǎn)品，而在2023年3月的OFC大會(huì)上，頭部等廠商甚至推出了下一代1.6T產(chǎn)品的演示。

  作為光纖通信設(shè)備中實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸?shù)墓怆娹D(zhuǎn)換的核心器件，光模塊中的核心器件是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的光收發(fā)器件，主要包括光發(fā)射器件 TOSA、光接收器件 ROSA 和光發(fā)射接收器件 BOSA等，另外還包括透鏡、分路器、合束器等無(wú)源器件及外圍電路。

  從封裝工藝看，綜合應(yīng)用場(chǎng)景、要求、成本等多方面的考慮,光模塊演化出了不同的封裝技術(shù)。目前常見(jiàn)的光器件的封裝有To-can、BOX/Butterfly、COB等。其中,電信級(jí)光模塊多采用氣密性的To-can或BOX封裝技術(shù)，數(shù)據(jù)中心光模塊則多采用非氣密性的COB封裝技術(shù)。

  另外，隨著硅光技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)高度集成化的硅光芯片，將原本分立的元器件集成在一起，實(shí)現(xiàn)了工藝的簡(jiǎn)化、成本的降低。目前，硅光芯片已經(jīng)能夠?qū)⑻綔y(cè)器、高速調(diào)制器、波導(dǎo)、合分波器等器件集成在同一硅基襯底上,預(yù)期將來(lái)還能夠集成CDR、TIA等更多電芯片，大大提升光模塊的集成度。但不論何種封裝和集成方式，影響光模塊性能的關(guān)鍵都和內(nèi)部異質(zhì)元器件精準(zhǔn)的組裝和穩(wěn)定的工作密不可分。

  在COB以及應(yīng)用硅光技術(shù)的制程中,諸如時(shí)鐘恢復(fù)芯片、激光器驅(qū)動(dòng)芯片、跨阻放大器芯片、激光器芯片、探測(cè)器芯片等，會(huì)用銀膠直接將芯片貼裝在PCB上(Die bonding)，這一工藝不僅要注意位置精度是否滿足要求、芯片粘接是否牢固等，對(duì)于激光器、驅(qū)動(dòng)器功耗較大、發(fā)熱量高的芯片，還需要關(guān)注貼片后接觸散熱性能情況，因?yàn)楣ぷ鳒囟冗^(guò)高會(huì)增加光模塊的老化、脆化和氧化等現(xiàn)象，從而縮短其使用壽命。

  漢高公司一直和光模塊行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者密切合作，為后者提供創(chuàng)新優(yōu)化的光通信應(yīng)用粘合劑和熱管理材料，以解決與器件集成相關(guān)的挑戰(zhàn)。

  漢高全球光通信市場(chǎng)戰(zhàn)略經(jīng)理Farida Jensen表示：這些粘合劑和熱管理方案要能夠在提升光模塊的最大功率輸出的同時(shí)，降低設(shè)備溫度以優(yōu)化性能，降低功耗，降低故障率，并延長(zhǎng)工作壽命。

  核心材料的創(chuàng)新

  漢高最新的幾種材料方案滿足了上述這些要求，包括高性能、高可靠性的主動(dòng)耦合膠;高導(dǎo)熱且無(wú)樹(shù)脂析出的芯片粘接膠;折射率匹配、耐高溫且穩(wěn)定的光路膠；更高的導(dǎo)熱率、低析出且低滲油的單組分導(dǎo)熱凝膠以及更高導(dǎo)熱系數(shù)的非硅導(dǎo)熱墊片。

  漢高亞太區(qū)通訊數(shù)據(jù)中心及電源工業(yè)自動(dòng)化銷售總監(jiān)林翊表示：漢高提供的粘合劑和熱管理解決方案具有卓越的穩(wěn)定性及可靠性、低析出、低滲油、低釋氣、更高的導(dǎo)熱率更低的熱阻抗、以及更低的固化溫度/更快的固化特性適用于更薄的膠層界面散熱，可在更高的溫度下提供強(qiáng)大的可靠性，以幫助客戶實(shí)現(xiàn)下一代光學(xué)設(shè)計(jì)和設(shè)備。

  這些創(chuàng)新的材料解決方案為全球下一代高帶寬/高速光通信設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

  漢高芯片粘接膠

  例如解決散熱問(wèn)題的導(dǎo)電芯片貼片膠。隨著光模塊更高的集成以及高功率的芯片、激光器的迭代，其內(nèi)部升溫將會(huì)影響芯片、激光器的穩(wěn)定工作，最終導(dǎo)致光模塊的失效。解決高散熱問(wèn)題對(duì)芯片貼片導(dǎo)電膠提出了更高的導(dǎo)熱性能及不同尺寸芯片粘接性能的要求。

  林翊表示，漢高在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域可以提供130多種導(dǎo)電芯片貼片膠，其中一款是含有納米銀材料的超高導(dǎo)熱，低熱阻的無(wú)壓燒結(jié)銀材料LOCTITERABLESTIK ABP 8068TB，具有絕佳導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光芯片的粘接。

  對(duì)位耦合膠及超高導(dǎo)熱界面材料

  為了滿足高帶寬、高速光學(xué)元件的嚴(yán)苛預(yù)固定和耦合需求，尤其是光收發(fā)器組件(TOSA/ROSA)的超高運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，新型的透鏡主動(dòng)耦合UV膠誕生。在這種應(yīng)用中，所有光學(xué)組件和光纖必須實(shí)現(xiàn)超高精度的對(duì)齊并需要一次性精確固定。為達(dá)到此目的，必須使用具有低收縮和低熱膨脹特性的材料進(jìn)行固定。任何偏移都可能導(dǎo)致透光率和光學(xué)信號(hào)的下降或失效林翊介紹道，為了實(shí)現(xiàn)精確的耦合和尺寸穩(wěn)定性，確保光信號(hào)的穩(wěn)定可靠對(duì)粘接材料提出了更高的要求這些要求包括UV快速固化、低熱膨脹系數(shù)(CTE)固化后體積收縮率低于1%、以確保透鏡精準(zhǔn)耦合、能在多種基材上可靠牢固地粘附、以及在高低溫循環(huán)和高溫高濕( 85°C/85%RH)條件下保持穩(wěn)定等。

  為了響應(yīng)這一需求，漢高即將推出一款新的高性能雙重固化粘合劑，即透鏡主動(dòng)耦合UV膠。這款膠具有低于1%的固化收縮率，能夠保持光學(xué)組件的關(guān)鍵對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)最大的光耦合效率。此外，其低熱膨脹系數(shù)(CTE)為18 ppm，能夠在高低溫循環(huán)中保持更高的光學(xué)元件對(duì)齊穩(wěn)定性。這些優(yōu)越的特性使得這款新型UV膠成為滿足高精度光學(xué)元件合需求的理想選擇。

  TIM界面材料組合是漢高研發(fā)的專用于解決超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心高速光模塊散熱問(wèn)題的方案，可提供高效的導(dǎo)熱性能，包括高導(dǎo)熱系數(shù)的液態(tài)填隙材料(12W以上，在保證高導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，兼顧高流速、低模量及低壓縮應(yīng)力)，導(dǎo)熱凝膠(10W)等。

  考慮到下一代封裝技術(shù)，比如CPO，其關(guān)鍵在于硅平臺(tái)和2.5D/3D封裝技術(shù)的進(jìn)步。事實(shí)上，熱管理已經(jīng)成為高速光模塊穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵課題。

  Farida Jensen認(rèn)為，硅光和3D封裝的進(jìn)步將越來(lái)越多地應(yīng)用到具有高導(dǎo)熱性、高溫穩(wěn)定性和在某些情況下具有低溫穩(wěn)定性的粘合劑和熱管理解決方案并且這些材料在多次回流焊過(guò)程中要能夠保證優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。此外，有些材料還需要與浸沒(méi)冷卻產(chǎn)品和解決方案兼容，并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的可靠性測(cè)試(5000小時(shí))。另一個(gè)要注意的趨勢(shì)是，客戶也在尋求越來(lái)越可持續(xù)和環(huán)保的材料解決方案。

  本文由電子行業(yè)自媒體陸楠老師和漢高工業(yè)電子共同創(chuàng)作