OFC2022: 康宁的Glass Interposer封装方案

这篇笔记介绍下Corning公司的基于glass interposer的CPO封装方案。

康宁的低损耗光纤，带来了光通信革命。他们在玻璃的微纳加工技术上积累了丰富的经验，并正在推动基于玻璃的基板封装方案，用于解决CPO中光电信号互联的难题。相比于硅材料，玻璃的杨氏模量更大, 其硬度更大，玻璃的热膨胀系数也可以与Si和PCB板匹配，减小系统内部的应力，因此玻璃基板可以较好地解决大尺寸芯片的翘曲问题(warpage)，从而可以提高系统的良率与可靠性。Glass的主要优势如下图所示。

康宁基于Glass Interposer的CPO封装方案，如下图所示。

玻璃基板中主要包含：

1) TGV(through glass via)

TGV的作用与TSV(through silicon via)类似，首先在玻璃基板上刻蚀出孔洞，然后再填充铜。高速信号与电源信号通过TGV传递到EIC或者PIC中，如下图所示。TGV的直径为100um, 高度为250um。

2) SiO2波导

通过离子交换(Ion exchange)的方式，形成SiO2波导，主要的工艺步骤如下，

在含Al的玻璃中，发生两次热离子交换，在玻璃表面形成光波导。根据折射率对比度的高低，分为两种类型的波导，其传输损耗都在0.1dB/cm左右，与单模光纤的耦合损耗分别为0.3dB与0.6dB，如下图所示。如此低的波导传输损耗，可以灵活地用于waveguide routing。

3) 用于PIC与SiO2波导耦合的adiabatic coupler

Corning采用了倏逝波耦合的方式，将硅光芯片中的光信号耦合到SiO2波导中。Taper的长度约为2.5mm, 如下图所示，

该结构的插损为1.7dB，数值有点偏高，还需要进一步优化。

4）光纤连接器(fiber connector)

在SiO2波导附近通过激光切割形成trench结构，用于放置pin针，通过玻璃盖板进行固定，进而放置MPO的连接头，如下图所示。该连接器的耦合损耗在1dB左右，主要包括光纤和波导对准误差导致的损耗以及模式失配引起的损耗。

这四个器件是Glass Interposer的核心元件，光纤中的光信号通过fiber connector传递到SiO2波导中，进而通过adiabatic coupler耦合到PIC中进行调制与探测，如下图所示。

整体的工艺流程如下图所示，首先在玻璃表面形成SiO2波导，接着形成TGV与RDL, 最后将PIC和EIC flip-chip到基板上。下图中的cavity深度为50um。

Cavity的形成通过Corning独特的激光切割技术，如下图所示，通过非衍射光束在玻璃中形成光栅结构，使之发生非线性作用，接着再通过CO2激光器使两边的玻璃产生热应力的差别，从而使芯片裂开。

以上是对Corning的glass interposer封装方案的简单介绍，利用其在玻璃微加工技术上的优势，提出了一整套的基于SiO2的互联方案，看起来非常promising。TGV方案可以较好地解决硅基TSV的翘曲问题。当然，目前整体的光学耦合损耗在3dB左右，还有待进一步优化。Corning还提出了未来将PCB也替换成glass的方案，即所谓的glass circuit boad, 如下图所示，野心非常大。另外，感兴趣的朋友也可以看下Corning的相关技术介绍Youtube视频，链接为https://www.youtube.com/watch?v=8PofmPivZWE。

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