新數(shù)據(jù)中心時(shí)代光電制造領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

  針對(duì)光電制造的高容量和高混合特性需要靈活，高速且高精度的自動(dòng)化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵光電組件的及時(shí)供應(yīng)和快速創(chuàng)新。

  ICCSZ訊 互聯(lián)網(wǎng)流量一直在以指數(shù)速度增長(zhǎng)，且互聯(lián)網(wǎng)流量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)非常龐大，數(shù)據(jù)中心對(duì)于通過(guò)云計(jì)算支持?jǐn)?shù)據(jù)通信，存儲(chǔ)和處理至關(guān)重要。光電裝置在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這為數(shù)據(jù)中心對(duì)光電大批量制造(HVM)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。

  趨勢(shì)：

  如圖1所示，思科最近的一項(xiàng)研究表明，全球IP和全球數(shù)據(jù)中心流量都在以25%左右的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。新興應(yīng)用的激增，如互聯(lián)網(wǎng)，視頻流，3D感應(yīng)，智能汽車(chē)和VR / AR，已經(jīng)產(chǎn)生巨大的帶寬和新的數(shù)據(jù)中心的需求。到2020年，預(yù)測(cè)顯示50%的數(shù)據(jù)中心將具有超大規(guī)模水平，未來(lái)三年每年將建立約40個(gè)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。

圖1 市場(chǎng)推動(dòng)光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展

  光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)于帶寬增長(zhǎng)起到至關(guān)重要的作用，以往電信需求驅(qū)動(dòng)帶寬增長(zhǎng)，而現(xiàn)在更多的是數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)推動(dòng)帶寬實(shí)現(xiàn)非凡增長(zhǎng)。圖2分別顯示了電信和數(shù)據(jù)通信的光模塊的全球銷(xiāo)售收入。關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2017 -2019年，數(shù)通領(lǐng)域的光模塊銷(xiāo)售收入超過(guò)電信領(lǐng)域的光模塊收入。此外，該研究預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)通信未來(lái)的增長(zhǎng)率還將顯著提高。

圖2 數(shù)據(jù)中心驅(qū)動(dòng)的數(shù)通光模塊的全球銷(xiāo)售收入超過(guò)了電信光模塊全球銷(xiāo)售收入。

  隨著數(shù)據(jù)中心需求成為新的增長(zhǎng)引擎，光電產(chǎn)業(yè)感受到了與傳統(tǒng)電信模型截然不同的新數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)模式的挑戰(zhàn)。以下圖中總結(jié)了以電信為中心和以數(shù)據(jù)中心為中心的業(yè)務(wù)模型之間的主要差異。影響光電制造的最關(guān)鍵因素是大批量，低預(yù)測(cè)可見(jiàn)度，快速創(chuàng)新，產(chǎn)品快速響應(yīng)和低成本。

表1 光電產(chǎn)業(yè)兩種終端客戶商業(yè)模式的比較

  由于電信廣泛部署的特性，以往光電產(chǎn)業(yè)受到電信的影響極大。由于惡劣的操作環(huán)境(例如-40?C至85?C，RH高達(dá)85%)以及系統(tǒng)部署和維護(hù)的高成本，每次電信升級(jí)周期都很長(zhǎng)并且需要經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎周密的規(guī)劃。從運(yùn)營(yíng)商到設(shè)備商和上游器件供應(yīng)商的年度預(yù)測(cè)可見(jiàn)性相當(dāng)不錯(cuò)。在這個(gè)漫長(zhǎng)的部署和使用周期中，更容易接受精密而昂貴的光器件。器件供應(yīng)商有更多時(shí)間來(lái)規(guī)劃和響應(yīng)客戶需求，并不像我們最近從數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)上看到的短期就需要產(chǎn)品快速更新且大批量的快速響應(yīng)。

  數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)在受控環(huán)境中運(yùn)行其大部分網(wǎng)絡(luò)，例如溫度和濕度可控的建筑物(例如0?C至55?C，RH 40%至60%)。大部分資本支出(Capex)都用于土地，建筑物和布線。大部分運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(Opex)用于能源消耗和環(huán)境控制。雖然光電器件支出在資本支出和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用占比相對(duì)較小，但是它們對(duì)云服務(wù)提供商向客戶提供帶寬業(yè)務(wù)的營(yíng)業(yè)收入發(fā)揮了重要作用。在類(lèi)似辦公室的受控環(huán)境中，升級(jí)成本變低。較低的更新成本以及光電器件在資本支出和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用總成本低占比，二者結(jié)合使得數(shù)據(jù)中心提供商可以為現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的升級(jí)周期縮短至3 -5年。對(duì)于每次升級(jí)，他們都希望采用當(dāng)下能提供最大帶寬、最先進(jìn)的光電技術(shù)，以最大限度地提高同一建筑物內(nèi)的收入。

  數(shù)據(jù)中心提供商很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的啟動(dòng)時(shí)間，因?yàn)樾碌臄?shù)據(jù)中心建設(shè)項(xiàng)目在選址和土地購(gòu)買(mǎi)需要得到地方政府的支持和批準(zhǔn)，這大大降低了光電器件供應(yīng)商對(duì)市場(chǎng)的可見(jiàn)度預(yù)測(cè)。另一方面，一旦項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心提供商自然希望盡快構(gòu)建完成迅速增加收入來(lái)源。經(jīng)過(guò)2 -3年的系統(tǒng)建設(shè)之后，新的數(shù)據(jù)中心將隨時(shí)準(zhǔn)備安裝最先進(jìn)的光電設(shè)備，以便可以在運(yùn)行的第一天就可以創(chuàng)造最大的收入潛力。

  最后，針對(duì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的產(chǎn)品快速更新?lián)Q代為大批量與高混合集成的光電制造帶來(lái)雙重挑戰(zhàn)。如圖3所示，在過(guò)去幾年中，光模塊已經(jīng)從10G升級(jí)到40G。現(xiàn)在，100G正在超越40G成為新批量部署的領(lǐng)先技術(shù)。與此同時(shí)，200G / 400G解決方案處于樣品設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)階段。在相同的光電器件生產(chǎn)制造平臺(tái)上，所有這些不同的技術(shù)和產(chǎn)品將在一段時(shí)間內(nèi)共存。

圖3 光電制造的快速創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)大批量、高混合集成的不同速率產(chǎn)品共存表

  行業(yè)機(jī)遇與解決方案

  所有這些基于云的新數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)模式所帶來(lái)的挑戰(zhàn)都伴隨著機(jī)遇。光電產(chǎn)業(yè)如何來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)?其關(guān)鍵在于自動(dòng)化技術(shù)。

  如圖4所示，在市場(chǎng)處于低預(yù)測(cè)可見(jiàn)性的情況下，光電器件供應(yīng)商確實(shí)需要采用一種可以實(shí)現(xiàn)大批量、高質(zhì)量、低成本制造與數(shù)據(jù)中心及時(shí)模式實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)生產(chǎn)和關(guān)閉能力的彈性產(chǎn)能。自動(dòng)化技術(shù)可快速提升產(chǎn)量，而無(wú)需擔(dān)心大批量手動(dòng)生產(chǎn)所需的大量培訓(xùn)。自動(dòng)化技術(shù)還可以減少對(duì)人工的依賴(lài)，從而降低可變成本，特別是在需求淡季。與此同時(shí)，器件商可以在開(kāi)發(fā)和制造階段使用相同的自動(dòng)化平臺(tái)和生產(chǎn)工藝，因此自動(dòng)化技術(shù)可將新產(chǎn)品導(dǎo)入(NPI)的風(fēng)險(xiǎn)減至最低。此外，高精密自動(dòng)化技術(shù)能夠解決手工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜工藝制作，生產(chǎn)領(lǐng)先的產(chǎn)品。

圖4 展示了數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)及光電制造領(lǐng)域可能做出的反應(yīng)

  目前，光電制造領(lǐng)域所面臨的最大挑戰(zhàn)是如何處理大批量與高度混合的產(chǎn)品生產(chǎn)。產(chǎn)品高混合通常源于NPI，或源于不同產(chǎn)品之間的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換使大批量生產(chǎn)變得尤為困難，因?yàn)槠髽I(yè)無(wú)法在保持配置不斷變化的情況下增加產(chǎn)量。要解決這個(gè)問(wèn)題需要靈活、高速的自動(dòng)化技術(shù)，如何使自動(dòng)化設(shè)備同時(shí)具有靈活性和高速度歷來(lái)都是一個(gè)難題。接下來(lái)的案例研究將表明，通過(guò)在自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新能夠在實(shí)現(xiàn)高速度的同時(shí)保持靈活性。

  案例研究 - 靈活的高速貼片自動(dòng)化平臺(tái)

  為了闡明我們對(duì)自動(dòng)化解決方案的理解，以下是處理關(guān)鍵制造流程之一(即貼片)的案例研究。圖5是光電制造的各種部件的常規(guī)步驟視圖。各種此類(lèi)部件來(lái)自不同類(lèi)型/疊代的產(chǎn)品，以支持大范圍的數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)。有幾個(gè)主要流程步驟與不同成品相關(guān)：

  1、對(duì)于管盒產(chǎn)品(例如模塊、高功率激光器)，通常首先要完成基板/基臺(tái)芯片(CoC/CoS)粘結(jié)，然后將CoC/CoS粘合到用于透鏡/反射鏡附件的共同基板上，然后封裝。最新趨勢(shì)是，需要通過(guò)共晶或環(huán)氧粘結(jié)貼到共同基板上的芯片或晶片(如激光器、電容和熱敏電阻)越來(lái)越多。

  2、對(duì)于PCB層的產(chǎn)品(如有源光纜(AOC)和板載光學(xué)器件(OBO))，芯片是直接貼在PCB板上。多種芯片(如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列、光電二極管(PD)陣列、激光驅(qū)動(dòng)器和互阻抗放大器(TIA))需要貼在PCB上。通常最終的透鏡附著通過(guò)主動(dòng)校準(zhǔn)完成，但是，現(xiàn)在這一流程越來(lái)越多地由可提供高速度、高精度(3 μm)的貼片設(shè)備通過(guò)被動(dòng)晶片粘貼來(lái)完成。

  3、對(duì)于TO-can型產(chǎn)品，激光器芯片和其他晶片是在90°翻轉(zhuǎn)后貼在TO基底或立柱上。為了支持即將推出的5G無(wú)線部署，波分多路復(fù)用(WDM)激光器和電吸附調(diào)制激光器(EML)采用低成本TO-can封裝。在有眾多芯片需要粘結(jié)的情況下，這些WDM/EML-TO比僅需要處理1–2個(gè)晶片的TO-can封裝要復(fù)雜得多。

  4、對(duì)于硅光子，從CoC形成到中介層芯片和芯片到晶圓(CoW)過(guò)渡過(guò)程中的流程越來(lái)越多。還有很多流程尚未確定，但未來(lái)將越來(lái)越多地取決于晶圓層集成。

圖5 有關(guān)如何為實(shí)現(xiàn)最佳效率而組織自動(dòng)貼片工具和流程的示例。

  圖6是如何實(shí)現(xiàn)高效率的自動(dòng)貼片設(shè)備和工藝示例。該圖表中有三列 - 左邊是“一體化”類(lèi)型的用于研發(fā)和低到中等體積的芯片粘合劑。中間是與圖5中示例一致的過(guò)程。右側(cè)是用于HVM的“特殊”類(lèi)型的靈活高速貼片機(jī)的示例。通過(guò)以下我們列出的3個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，您可以理解此方法如何有助于光電產(chǎn)業(yè)應(yīng)對(duì)前面所討論的光電制造挑戰(zhàn)：

  1、通過(guò)消除已在開(kāi)發(fā)階段設(shè)置的控制或流程變更，硬件和軟件層的通用平臺(tái)可以大大降低NPI風(fēng)險(xiǎn)。在研發(fā)/NPI階段，一體化貼片設(shè)備可用于開(kāi)發(fā)多種類(lèi)型的產(chǎn)品。自動(dòng)化機(jī)器可以在一臺(tái)設(shè)備中處理各種類(lèi)型的貼片和生產(chǎn)流程。其速度也快到足以為設(shè)計(jì)和制造過(guò)程制作小/中水平的批量生產(chǎn)。一旦需求出現(xiàn)并需要大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)線就可以組織成特定的流程組合。

  2、大批量、高混合光電制造需要可以通過(guò)用于一個(gè)或多個(gè)流程組的一個(gè)機(jī)器覆蓋多晶片、流程、產(chǎn)品的靈活、高容量機(jī)器。通過(guò)引入新的超速共晶模塊和部署多級(jí)并行處理(例如將材料處理與芯片鍵合步驟分離)，在零時(shí)間浪費(fèi)的情況下即時(shí)集成更換工具，優(yōu)化了速度和吞吐量。

  需要針對(duì)下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的HVM設(shè)備，實(shí)現(xiàn)并行的快速創(chuàng)新。例如，3μm貼片精度是從當(dāng)前使用大于5μm貼片精度的主流光電流程中得到提高。除了實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品之外，貼片的高精度還可以通過(guò)盡可能在流程早期減小裝配誤差來(lái)增加當(dāng)前產(chǎn)品制造的流程效益。

圖6 用于高容量和高混合光學(xué)制造的平臺(tái)方法的示例。

  總結(jié)，一個(gè)不犧牲靈活性、精度和可靠性，且可連續(xù)24/7生產(chǎn)的高速自動(dòng)化平臺(tái)對(duì)于大批量、多品種光電子制造是至關(guān)重要的。一個(gè)研發(fā)和量產(chǎn)之間的通用平臺(tái)，以及永不過(guò)時(shí)的精度，對(duì)快速創(chuàng)新和降低NPI風(fēng)險(xiǎn)、以及量產(chǎn)中良率改善和成本降低都是同樣至關(guān)重要。

  Yi Qian是MRSISystems產(chǎn)品管理副總裁（該公司位于馬薩諸塞州北比勒利）

  電子郵件：yi.qian@mrsisystems.com ; www.mrsisystems.com。