专栏首页硅光技术分享硅光芯片与电芯片的封装

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)

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:光学小豆芽

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2020-08-23

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

  • 硅光新应用:两家创业公司Xanadu和Voyant Photonics近期分别获得投资

    先前有读者留言,让小豆芽介绍一下硅光的主要应用领域。目前硅光主要应用于光模块,将原先的分离光器件单片集成在同一块芯片上,进而实现高速率的信号传输。这一类的公司包...

    光学小豆芽
  • 大规模硅光集成光路在量子光学的应用

    这篇笔记主要介绍硅光芯片在量子光学领域的应用进展。这两篇工作都是由英国布里斯托大学O' Brien研究组及其合作人员完成(该研究组最先利用硅光芯片进行量子光学领...

    光学小豆芽
  • 硅光芯片在量子光学领域的应用

    最近几周接连有好几篇Nature子刊的论文,都是以硅光芯片为平台,实现了光量子的信息处理。借着这几篇最新进展,小豆芽整理下硅光芯片在量子光学领域的应用。

    光学小豆芽
  • 宝宝都能学会的python编程教程2:数据类型和变量

    数据类型 了解一门编程语言最开始就是了解它的数据类型了,python基本的数据类型分为如下几类: 整数 Python可以处理任意大小的整数,当然包括负整数,在程...

    企鹅号小编
  • 人人都能学会的python编程教程2:数据类型和变量

    了解一门编程语言最开始就是了解它的数据类型了,python基本的数据类型分为如下几类:

    JKXQJ
  • 什么是光伏监控系统?

    光伏电站监控系统可实现集中监控所有光伏电站的电力一次、二次系统、直流系统、逆变系统、环境监测系统、发电量信息等。同时根据具体要求,可以实现远程光伏电站视频系统对...

    齿轮易创说互联网
  • 教你优雅地解密HTTPS流量

    Web 安全是一项系统工程,任何细微疏忽都可能导致整个安全堡垒土崩瓦解。拿 HTTPS 来说,它的「内容加密、数据完整性、身份认证」三大安全保证,也会受到非法根...

    黄泽杰
  • 理解分布式一致性Raft协议

    在分布式系统中,分布式一致性是一个非常重要的概念,它是指分布式系统的各个服务器都保持一个统一的状态(数据)。但是在分布式系统中,通常由于网络,系统状态等原因会导...

    程序那些事
  • 如何做一个靠谱的发号器

    在使用数据库时,表的主键经常会使用数据库的自增(auto_increment)来产生。这当然很方便也很高效。但是使用自增也会带来一些麻烦。如果从一个数据库以外的...

    用户1278550
  • 对PHP变量的实现方式以及内存管理的梳理

    静态变量 静态变量只会在编译时初始化,保存在zend_op_array->static_variables 这个哈希表中 静态变量通过哈希表保存,这就使得能像普...

    猿哥

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券