硅光芯片与电芯片的封装

上周中国科协发布了2020重大科学问题和工程技术难题，硅光技术榜上有名，“硅光技术能否促成光电子和微电子的融合？”。这篇笔记聊一聊硅光芯片与电芯片的封装方案。

硅光芯片中的调制器和探测器必须与外部的Driver、TIA协同合作，Driver将电信号加载到电光调制器上，TIA将PD处收集到的电流转换为电压信号。如何巧妙地设计封装结构，使得硅光芯片和电芯片之间形成有效的信号互联，成为产业界的一个关注重点。

目前，硅光芯片与电芯片的封装形式主要有四种方式：1) 单片集成，2) 2D封装, 3) 3D封装， 4) 2.5D封装。以下对这些技术方案分别做介绍。

1. 单片集成

所谓单片集成，即在同一个流片平台上，同时加工光器件与电器件，最终的芯片中同时包含PIC和EIC。信号通过芯片内部的金属直接互联。其结构如下图所示，

（图片来自文献1）

该方案的优势之一是封装简单，单片集成的芯片只需要通过wiredBond或者flip-chip的方式与PCB板相连即可。目前GlobalFoundry的硅光工艺采用该方案，典型的cross-section如下图所示，在同一层silicon加工NMOS, PMOS和光波导。

(图片来自 http://www.columbia.edu/~sm4659/AboutPageAssets/materials/24-3_Moazeni_1.pdf）

该方案的主要缺点是，硅光的工艺节点远落后于电芯片的工艺节点，为了单片集成, 得做一些妥协，导致电器件和光器件的性能都达不到最优。光波导的损耗较高、PD的响应率较低，电芯片的功能较大。Luxtera曾经尝试采用该方案，但最终放弃该技术路线，转投TSMC的怀抱，其主要的问题是工艺开发成本高，并且flexibility欠缺。

2. 2D封装

2D封装的方案示意图如下所示，EIC和PIC放在同一个PCB板上，

（图片来自文献1）

该方案的一个缺点是EIC与PIC的互联线数目受限（wire bonding只能在PIC与EIC相邻的那条边），因此该方案不适用于高IO数目的应用场景。

Intel在OFC 2019上报道了其采用2D封装的基于微环调制器的发送器，如下图所示，driver的信号通过wire bonding连接到微环调制器上，最终实现了112Gb/s的信号传输速率。

（图片来自文献2）

3. 3D封装

典型的3D封装方案是将EIC倒装在PIC上，EIC和PIC之间通过micro bump或copper pillar互联，PIC通过wire bonding与PCB板相连，如下图所示，

（图片来自文献1）

bump的pitch典型值40-50um，因此EIC和PIC之间可以实现高密度的IO互联，这也是该方案的优点之一。目前绝大多数硅光公司都是采用的该方案。

该方案的缺点之一是散热问题，由于EIC直接堆叠在PIC上方，EIC所产生的热量会传递到PIC上，这会直接影响部分光器件的性能，例如微环。

该方案的一个变体是，在硅光芯片中形成TSV, 通过TSV直接与基板互联，如下图所示，硅光芯片同时作为interposer。

（图片来自文献1）

日本PETRA平台的研究人员在2018年采用该封装方案，实现了16通道的transceiver, 单通道的信号速率为25Gb/s, 其芯片封装结构如下图所示，

（图片来自文献3）

PIC上不仅仅放置了EIC，还放置了LD, fiber ferrule等, 整个系统的封装较为复杂。

4. 2.5D封装

该方案是将EIC与PIC放在同一个interposer上，interposer通过TSV与基板互联，如下图所示，

（图片来自文献1）

该方案的优势之一是可以将多个die同时放在一个interposer上，不限于两块芯片，进而构成更复杂更大规模的系统, 如下图所示，

（图片来自文献1）

该方案的缺点之一是EIC与PIC互联的高速信号需要经过两次bump，会对信号的带宽性能产生一定的影响。

以上总结了几种常见的PIC与EIC的封装方案，目前采用3D方案的公司较多。看起来似乎有点像堆积木，但如何实现高IO密度、高信号带宽，很多细节问题需要考量。封装作为产品R&D的最后一步，直接关系到最终产品的良率与成本。由于硅光芯片的特殊性，不能直接采用传统EIC的封装方案，还涉及到光的耦合封装，需要重新开发相关技术，因此封装成本在硅光产品中占有较大比重。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家加入微信群讨论硅光技术，目前二群人数已经接近500，还有少量坑位，大家可以加我个人微信photon_walker，再由我拉入讨论群里。

参考文献：

1. N.C. Abrams, et.al., "Silicon Photonic 2.5D multi-chip module transceiver for high performance data centers", Journ. Light. Tech. 38, 3346(2020)
2. H. Li, et.al., "A 112 Gb/s PAM4 Transmitter with Silicon Photonics Microring Modulator and CMOS Driver", OPC 2019
3. T. Aoki, et.al., "Low-Crosstalk Simultaneous 16-Channel × 25 Gb/s Operation of High-Density Silicon Photonics Optical Transceiver", Journ. Light. Tech. 36, 1262(2018)