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成為主流前,硅光電器件仍需提高可靠性

摘要:光電學有能力以極低的功率大幅改善封裝內的片上和芯片間通信,但確保信號完整性長期保持一致并不那么簡單。

  硅光電學有能力以極低的功率大幅改善封裝內的片上和芯片間通信,但確保信號完整性長期保持一致并不那么簡單。

  需要提升硅光電技術的可靠性

  雖然這項技術至少已在過去十年中已實現商業化使用,但它從未獲得主流地位。主要是因為摩爾定律微縮已經滿足了大部分的功率/性能需求,而價格卻遠低于硅光電學。因此,硅光電學一直被限制在網絡芯片等應用中,在這些應用中,價格并非是首要考慮因素,而延遲和低功耗則至關重要的。但隨著摩爾定律益處逐漸減少,以及更大量數據需要以更快速度處理和移動,特別是在汽車激光雷達等不斷增長的市場中,硅光電學正在吸引更多的興趣。隨之而來的是,如何在這項技術的所有應用中增加一致性和可靠性成為關注的焦點。

  光電子應用市場

  Mentor公司產品經理Tom Daspit說:“光電子有四個經典市場,第一是傳感器,通常是非常小的設計。第二是箱外網絡,一邊是以太網,另一邊是光纖。我們也看到一些公司在用光電器件做硅中間層,而其他公司則在基板上使用一個芯片。第三是激光雷達,第四是網絡交換。我們還看到一大堆創業公司在做量子計算,有些公司在用光電學來驅動約瑟夫森結?!?

  正在探索的新領域之一是封裝內的芯片對芯片通信,以及器件內模塊之間的通信。迄今為止使用的主要方法是依靠硅中間層,其中硅通孔(TSV)作為光信號的波導。

  ASE的工程副總裁Calvin Cheung說:“典型信號是通過一個轉換器,然后是一個收發器,最后到光纜。想做的是減小ASIC和光收發器之間的互連尺寸,以及達到更高的速度。最好的辦法是在硅中間層上用波導來實現,在那里制造出一個作為波導的溝槽??s小互連可以提高信號完整性和功率效率。如果通過銅纜驅動,會浪費很多能量?!?

  面臨挑戰

  然而,將其推向主流并不那么簡單。首先,需要降低硅光電學的成本,這既需要更多的標準工藝,也需要更廣泛的應用。還需要從設計一直到測試和檢驗等多個層面的創新。此外,光電芯片還可能出現多種影響可靠性的問題,包括:

  翹曲:光電學所需的材料與電路不同,光電芯片通常需要Ⅲ-V材料與硅結合。由于它們具有不同的熱膨脹系數,這可能會給焊球或凸點(bumps)帶來壓力,并導致翹曲,從而使光信號偏斜。

  漂移:與模擬電路一樣,光電路也會受到老化、熱和各種噪聲的影響??赡軙е滦盘柕淖兓?,會將信號推到接收它們的光學濾波器的范圍之外。

  波導粗糙度:波導需要完全平滑,才能不破壞光信號。任何畸變,相當于數字芯片中的線端側粗糙度,都會影響信號的完整性。此外,光電路必須與信號保持線性或放松的曲線,以保持流暢的流動,這不是今天設計工具的重點。

  完善:雖然大部分硅光電芯片的制造都是在老舊節點上完成,這仍然是一個相對較新的制造工藝。發光激光器本身使用的Ⅲ-V材料需要以某種方式與硅結合,這類芯片的封裝仍在完善中。

  這些和其他問題都待解決。

  材料方面的挑戰

  FormFactor公司首席執行官Mike Slessor說:“硅光電晶圓通常會在同一晶圓上同時集成邏輯和光學元件。這些光學元件,如激光器、波導、探測器和多路復用器,可直接與經典的邏輯器件連接,也可以通過先進的2.5D和3D先進封裝技術作為獨立的IC組合。因此,硅光電晶圓測試的新維度是電學和光學測量的混合?!?

  硅光電學與今天數據中心內的光通信不同。雖然光已經被用來在不同的距離上傳輸大量的數據,但這些距離通常已相當大。通過將其納入芯片或多芯片封裝,使其更接近處理部分,增加了全新的復雜性。

  材料帶來了另一個問題。材料的充足供應和純度至關重要。最受歡迎的材料包括砷化鎵、砷化銦、砷化鎵銦和磷化銦。這些Ⅲ-V材料在硅光電學中必不可少,它們具有直接帶隙,但很難加工,隨著時間的推移而退化--這就是為什么大多數光子學應用包括冗余激光器的原因--而且它們從未大量生產。相比之下,硅非常穩定,但由于是間接帶隙,是一個很差的光發射器。

  這個組合中還有其他材料。例如,過渡金屬二鹵化物被用來維持光信號的振幅和功率,它們以薄膜的形式沉積。雖然這些都可以采用比較簡單的制造方法,但這些都是外來材料。

  從好的方面看,這些芯片大多不是在前沿先進節點開發的。與模擬一樣,縮小特征尺寸也無濟于事。

  集成帶來挑戰

  FormFactor的Slessor說:“硅光電芯片正在45納米或65納米節點上生產。利用已安裝的半導體生產設備基礎,具有相當成本效益。所處理的尺寸和材料組相對簡單。這對晶圓廠產能來說相當可觀?!?

  然而,將所有的東西封裝在一起就復雜多了。proteanTecs的首席業務官Raanan Gewirtzman說:“在使用這些材料時更大的問題是結構性的??煽啃杂绊憗碜詭讉€不同的方向。在先進封裝中,需要找到將這些裸芯片組裝在一起的方法,并確保解決了熱的問題。因此,可能會使用TSV或微凸塊來連接不同的芯片,當你在同一封裝中擁有很多芯片時,必須處理大量的連接問題?,F在已經有必要監控互連和信號質量,以確保整個系統正常運行?!?

  與所有芯片一樣,尤其是高性能數字或混合信號芯片,發熱是一個問題。硅光電學的好處是它不會產生很多熱。缺點是其他來源的熱量會導致光信號漂移。光學濾波器需要重新校準以考慮到這種漂移,以避免信號損失。

  缺少設計和制造工具

  設計光電芯片與電芯片有很大的不同。光學中的交叉電路并不違規,不會像電氣設計那樣造成短路。此外,大多數光電學芯片都是在130nm和90nm下開發的,其成本更低,更容易使用。但大的問題是缺乏適宜的工具。在微電子領域,適宜的工具使得數字甚至模擬/混合信號芯片的設計變得更加一致。

  Mentor的Daspit說:“你必須是定制化布局方面的專家。今天,沒有標準,也沒有普遍的方法論。如果把這個放到一個封裝中,你必須讓一根或多根光纖穿過封裝。面臨的挑戰是如何讓光進入和離開芯片。如果使用的是光柵耦合器,光是以一定角度進入。如果使用的是邊緣耦合器,光就會與芯片在同一平面上進入。但無論哪種方式,都有2D/3D對齊問題?!?

  這就需要一些改變。在過去,由于硅光電學所面對的細分市場,這些改變被認為是不必要的。但在更高頻的通信中,如5G和潛在的汽車應用中,硅光電學突然顯得比過去有趣得多。但利用這項技術將需要從設計到制造過程中更加一致。

  Ansys的首席技術專家Jo?oGeada說:“將會有專門的硅或其他制造工藝來滿足專門的需求,無論是用硅鍺或砷化鎵來實現高頻無線電波,還是用特定的工藝來制造光電子。當然,可以用普通的傳統CMOS來集成一部分,但不集成的時候會更容易。而且你不需要極端節點的非常高的成本,當你放在它上面的功能是為了操控光的時候,它實際上比你做的最小的晶體管大得多?!?

  另一個挑戰是確定光在引起問題之前可以彎曲到什么程度。這需要建立在底層規劃和封裝工具中。Daspit說:“你只能把光彎得這么緊,你還可能需要使用會延遲光的結構,因為網絡應用以固定頻率運轉?!?

  分析和測試面臨的挑戰

  分析和測試增加了其他挑戰,特別是在覆蓋率方面。OptimalPlus副總裁兼總經理Doug Elder說:“硅光電器件很難分析。你有一個數據類型的混合,你必須對這些做一些事情。如果你能將這些數據轉換成一種可以做一些事情的格式,你會得到一些好處,但歷史上這些都是不同的孤島?!标P鍵是創建一個語義層并添加預測模型,Elder說:“你正在尋找的是及時的反饋以便壓縮從時間到數量?!迸c此同時,測試往往遵循與傳統芯片相同的方法,只是更加復雜。

  Slessor說:“我們正在開發的大多數測試方法都類似于今天人們進行電氣測試的方式。因此,如果你看看我們的整體系統,它有各種激光器和探測器,它們正在通過硅光電學芯片驅動光信號,同時對事物進行電氣調制,以打開和關閉結構或改變一點波長。然后測量輸出。所以你有一套激光器、一套探測器、一套電子輸入和輸出來測量各種不同的東西。如果是調制器,你要測量的是與開關相關的東西,與器件相關的所有指數。因此,它真的很類似于我們在主流電氣測試中所做的事情。只是現在你也有了這個光學元件?!?

  不過,這并不是一個千篇一律的方法。Slessor說:“不同的客戶采取了不同的方法。他們中的一些人已經做了完全自制的工作臺解決方案。我不確定我會把它稱為生產測試。它更像是表征和工程測試。你可以擺脫那些不像當今主流CMOS測試那樣高效、高通量和良好集成的東西。但我們已經與各種客戶合作,包括GlobalFoundries和ITRI,以及像Keysight這樣的合作伙伴,為晶圓級硅光電整合了一套完整的測試系統。在這個領域,隨著人們開始加緊生產,我們看到對這種集成系統的需求越來越多。盡管我們的產量還很小,但這能讓他們快速提升產量,他們不必擔心將不同的測試儀器與不同的處理硬件整合在一起。當然,你要看的測量不僅僅是光學的,還有電氣的。因此,這是這些混合應用中的一種,能夠以交鑰匙的方式將所有的東西整合在一起,有助于我們的客戶在短時間內獲得結果和進入市場?!?

  結語

  硅光電學已經是一種經驗證的技術組合。隨著需要快速移動的數據量不斷增加,以及更多的數量帶來更好的工具和更低的價格,預計隨著時間的推移,硅光電技術將變得更加重要。

  事實上,大部分的開發工作都可以在pre-finFET節點上進行,這是一個很大的好處,特別是當考慮到更低的功率、更低的熱量和更高的性能時。但要將其推向主流,仍需要一致性、可靠性和更好的工具,目前還有很多工作要做。


  信息來源https://semiengineering.com/making-silicon-photonics-chips-more-reliable/


內容來自:大國重器高端電子元器件
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關鍵字: 硅光
文章標題:成為主流前,硅光電器件仍需提高可靠性
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