IEEE ECTC2024|用于CPO的表面贴装光电子封装技术

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简介
6 R) e* `7 ?/ b* g5 d) C8 `数据中心和高性能计算中数据通信的快速增长导致信号速率不断提高，这引起了应用专用集成电路（ASIC）和光学子组件（OSA）之间高频损耗导致的显着功耗增加。为了应对这一挑战，研究人员提出了新型表面贴装光电子封装，使用光子线键合的玻璃中介层（GIP）作为CPO的混合集成平台 [1]。
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  Z5 G* r+ G' J. Q传统方法及其局限性传统上，基于InP平台的III-V族光学器件被用于高性能应用，如数据中心互连。这些器件通常需要气密封装和温度控制，常常被封装在由陶瓷材料制成的笨重的"金盒子"封装中。图1展示了这种用于相干驱动模块的封装示例：

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4 j7 K% S( q) T! L图1. 传统使用的相干驱动模块"金盒子"封装示例。（a） 实物照片和 （b） 示意截面图。虽然有效，但这种封装设计不适合与ASIC进行高密度集成，并且由于陶瓷材料的高介电常数，在高频性能方面面临限制。
8 C! s$ P% ?+ F新型表面贴装光电子封装为了克服这些限制，研究人员开发了一种使用光子线键合GIP的表面贴装光电子封装。这种创新设计允许气密封装、温度控制和超高频信号传输。图2展示了这种新封装的概念：
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图2. 采用光子线键合GIP的表面贴装光电子封装概念图新封装的主要特点1. 光学互连：该封装采用在距玻璃基板表面约50μm处形成的内部玻璃波导。这些波导具有低损耗（约0.1 dB/cm）并且易于与光纤耦合。为了实现光电子集成芯片（PIC）和玻璃波导之间的高密度耦合，使用了光子线键合技术。这种技术利用双光子聚合作用，可以以纳米级精度塑造基于树脂的光子线。
  n) k2 x, W$ p( X9 j/ Q! P2. 高速电气互连：为了支持超过100 GHz的超高带宽电信号传输，该封装包含了穿玻璃通孔（TGV）。进行了电磁场分析以检查两种传输线结构：微带线（MSL）和接地共面波导（GCPW）。分析表明，这两种结构都可以实现高达140 GHz的低损耗和无共振行为，其中堆叠GCPW结构表现更优。
3. 热管理：该封装具有创新的热管理设计，其中PIC正面朝上安装在GIP的背面。通过安装在GIP正面的热电制冷器（TEC）实现热连接，利用气密热传递块（HTB）。这种配置减少了PIC上的热应力，并允许进行有效的温度控制。

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图3. 热组装结构的比较。（a） 一个翻转芯片安装在GIP正面的InP-PIC，被TEC和GIP夹在中间。（b） PIC正面朝上安装在GIP的背面，并通过GIP中的气密HTB与正面的TEC热连接。4. 气密封装：可以采用各种方法在玻璃基板和玻璃盖之间进行气密封装，包括AuSn焊接、玻璃料封装和激光焊接。图4展示了使用玻璃料进行气密封装的示例：
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图4. 玻璃基板与玻璃盖气密封装的示例实验和分析结果研究人员进行了几项实验和分析以验证所提出封装的性能：1. 光子线键合：实验结果显示，硅基光电子PIC和玻璃波导之间的光子线键合在C波段内实现了-1.9到-2.3 dB的高耦合效率。2. 电磁分析：传输线结构的模拟显示，可以实现高达120 GHz以上的无共振高频性能，支持200 GBd的调制速率。3. 热分析：有限元方法分析表明，通过在EIC和PIC之间保持1毫米的距离，可以有效抑制PIC表面的温度变化。
! w. i  n) G+ G6 V' i$ d+ |3 V: u* Q4 g结论使用光子线键合GIP的新型表面贴装光电子封装为将化合物半导体OSA与ASIC共同封装提供了解决方案。通过解决气密封装、温度控制和高频信号传输的挑战，这种封装设计推进了光通信系统中的先进混合集成。随着数据通信需求的持续增长，这种创新的封装解决方案将在实现下一代高性能光互连中发挥重要作用。
参考文献[1]H. Uemura et al., "A surface-mount photonic package with a photonic-wire-bonded glass interposer as a hybrid integration platform for co-packaged optics," 2024 IEEE 74th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp. 90-95, 2024.

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