一、CPO制造工藝流程概述

CPO（共封裝光學(xué)/光電共封裝）是將交換芯片和光引擎共同裝配在同一個(gè)Socketed（插槽）上，形成芯片和模組的共封裝。其制造工藝流程是一個(gè)涉及多領(lǐng)域技術(shù)融合的復(fù)雜過程。

首先，在原材料準(zhǔn)備方面，需要準(zhǔn)備好光電芯片、光學(xué)器件等關(guān)鍵組件，這些組件是構(gòu)建CPO的基礎(chǔ)材料。例如，對(duì)于采用硅光子的CPO技術(shù)，硅光模塊和CMOS芯片就是重要的原材料 。

然后是封裝過程，這個(gè)過程包括將光電芯片和其他光學(xué)器件按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組合封裝。CPO技術(shù)常采用高級(jí)封裝的形式，如2.5D或者3D封裝，把硅光模塊和CMOS芯片集成在一起，從而在成本、功耗和尺寸上提升數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的光互連技術(shù) 。

在整個(gè)制造工藝流程中，還需要考慮光學(xué)設(shè)計(jì)的精確性。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的大幅提升，就需要合理安排各個(gè)組件的位置和連接方式，確保光信號(hào)在傳輸過程中的損耗最小化。同時(shí)，為了保證CPO產(chǎn)品的性能，在封裝過程中還需要注意減少組件間的熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等因素，以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性 。

另外，由于CPO產(chǎn)品在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，散熱也是制造工藝流程中需要考慮的重要環(huán)節(jié)。比如通過液冷板降溫等方式來降低功耗，確保產(chǎn)品在正常工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，以滿足其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求，如高算力場(chǎng)景下對(duì)設(shè)備功耗和性能的要求等 。

二、CPO制造工藝流程的關(guān)鍵步驟

（一）組件準(zhǔn)備

1. 光電芯片選型

• 這是CPO制造的起始步驟。光電芯片的性能直接影響CPO的整體性能。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要選擇合適的光電芯片。例如，在基于VCSEL的多模方案中，適用于30m及以下距離，主要面向超算及AI集群的短距光互聯(lián)；而基于硅光集成的單模方案則適用于2公里及以下距離，主要面向大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光互聯(lián) 。

• 光電芯片的參數(shù)如響應(yīng)速度、光輸出功率等需要滿足CPO設(shè)計(jì)要求。例如，在評(píng)估光電共封裝技術(shù)性能時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率公式為η=(光輸出功率/輸入光功率)×100%，通過這個(gè)公式可以直觀地衡量光電芯片是否符合CPO的性能需求 。

2. 其他光學(xué)器件準(zhǔn)備

• 除了光電芯片，還需要準(zhǔn)備如光收發(fā)器、光引擎等光學(xué)器件。這些器件的質(zhì)量和性能同樣對(duì)CPO至關(guān)重要。以光引擎為例，它是可插拔光模塊的一種，在CPO中與交換芯片共同裝配，其性能的好壞影響著光信號(hào)的傳輸質(zhì)量和效率。

• 對(duì)于這些光學(xué)器件，在準(zhǔn)備過程中需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，確保其符合CPO制造的標(biāo)準(zhǔn)，如光學(xué)器件的光學(xué)性能指標(biāo)（如折射率、透過率等）要在規(guī)定范圍內(nèi)。

（二）封裝集成

1. 芯片與模塊對(duì)準(zhǔn)

• 在將光電芯片和光引擎等模塊進(jìn)行封裝時(shí)，首先要確保芯片與模塊的精確對(duì)準(zhǔn)。這一過程需要高精度的設(shè)備和技術(shù)手段。例如，在2.5D或者3D封裝中，毫米甚至微米級(jí)的偏差都可能導(dǎo)致光信號(hào)傳輸?shù)膰?yán)重?fù)p耗或者電路連接的故障。

• 利用先進(jìn)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，如光學(xué)對(duì)準(zhǔn)、機(jī)械對(duì)準(zhǔn)與電子對(duì)準(zhǔn)相結(jié)合的方式，將光電芯片和其他模塊準(zhǔn)確地放置在預(yù)定位置，為后續(xù)的連接和封裝奠定基礎(chǔ)。

2. 高級(jí)封裝操作

• 采用高級(jí)封裝形式，如2.5D或者3D封裝技術(shù)，將光電芯片和其他相關(guān)芯片（如CMOS芯片）集成在一起。這種封裝形式能夠大大提高集成度，減少產(chǎn)品的體積。

• 在封裝過程中，需要使用特殊的封裝材料，這些材料要具備良好的光學(xué)性能、電氣性能和熱性能。例如，封裝材料要能夠有效地傳導(dǎo)熱量，減少熱應(yīng)力對(duì)芯片和器件的影響，同時(shí)還要保證光信號(hào)的傳輸效率。

• 封裝過程中的連接技術(shù)也是關(guān)鍵，例如采用高密度及高帶寬的連接器技術(shù)，確保芯片與芯片、芯片與模塊之間的高速信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

（三）性能測(cè)試與優(yōu)化

1. 光電性能測(cè)試

• 對(duì)封裝后的CPO進(jìn)行光電性能測(cè)試是必不可少的步驟。通過測(cè)試光輸出效率、光電轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度等指標(biāo)，來評(píng)估CPO是否滿足設(shè)計(jì)要求。例如，使用專業(yè)的光電測(cè)試設(shè)備，測(cè)量在不同輸入光功率下的光輸出功率，計(jì)算光電轉(zhuǎn)換效率是否達(dá)到預(yù)期的數(shù)值。

• 如果測(cè)試結(jié)果不滿足要求，就需要對(duì)CPO的制造工藝進(jìn)行調(diào)整，如優(yōu)化芯片與模塊的連接方式、更換封裝材料等，以提高光電性能。

2. 穩(wěn)定性與可靠性測(cè)試

• 進(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性測(cè)試，包括在不同環(huán)境條件（如高溫、高濕、高輻射等）下測(cè)試CPO的工作狀態(tài)。這是因?yàn)镃PO在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)面臨各種惡劣的環(huán)境。

• 通過長時(shí)間的測(cè)試，觀察CPO是否會(huì)出現(xiàn)性能下降、信號(hào)中斷等問題。如果存在穩(wěn)定性和可靠性問題，就需要對(duì)制造工藝中的散熱設(shè)計(jì)、組件間的應(yīng)力處理等方面進(jìn)行改進(jìn)。

三、CPO制造工藝中的先進(jìn)技術(shù)

（一）硅光子技術(shù)

1. 硅光集成

• 硅光子技術(shù)在CPO制造中具有重要地位。硅光集成是將硅光模塊和其他相關(guān)芯片（如CMOS芯片）集成在一起的關(guān)鍵技術(shù)。通過硅光集成，可以在同一硅基片上實(shí)現(xiàn)光的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制和探測(cè)等功能。

• 例如，在CPO中采用硅光集成技術(shù)，能夠?qū)⒐庖婧徒粨Q芯片集成在同一個(gè)封裝內(nèi)，大大縮短了光信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，減少了信號(hào)損耗。與傳統(tǒng)的通過PCB板連接硅光模塊和CMOS芯片的方式相比，硅光集成技術(shù)可以顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率和數(shù)據(jù)傳輸速率 。

2. 突破帶寬瓶頸

• 硅光子技術(shù)能夠輕松突破現(xiàn)有帶寬的瓶頸。在數(shù)據(jù)中心等對(duì)帶寬要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的光通信技術(shù)可能會(huì)受到帶寬限制，而硅光子技術(shù)可以提供更高的帶寬。例如，隨著網(wǎng)絡(luò)速度提高至800Gbps以上，可插拔光組件將遭遇密度和功率問題，而硅光子技術(shù)的CPO成為業(yè)界亟需的封裝替代方案，能夠滿足高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸需求 。

（二）高級(jí)封裝技術(shù)

1. 2.5D和3D封裝

• 2.5D和3D封裝技術(shù)是CPO制造中的先進(jìn)封裝技術(shù)。2.5D封裝是在封裝基板和芯片之間加入了一個(gè)硅中介層，通過硅中介層上的微凸點(diǎn)將芯片與基板連接起來。這種封裝方式可以提高芯片的集成度，減少封裝的尺寸。

• 3D封裝則是將芯片直接堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)更高的集成度。在CPO制造中，采用2.5D或者3D封裝技術(shù)可以將光電芯片、CMOS芯片等集成在一起，不僅提高了產(chǎn)品的性能，還能降低功耗和成本。例如，將硅光模塊和CMOS芯片采用3D封裝集成后，它們之間的數(shù)據(jù)連接質(zhì)量相比PCB板連接有很大改善，能夠降低功耗，并且在大規(guī)模量產(chǎn)之后，成本也能得到改善 。

2. 封裝材料創(chuàng)新

• 新型的封裝材料也是CPO制造工藝中的先進(jìn)技術(shù)之一。這些封裝材料需要具備優(yōu)異的光學(xué)性能、熱性能和電氣性能。例如，一些具有高導(dǎo)熱性的封裝材料可以有效地將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，避免芯片過熱影響性能。

• 同時(shí)，封裝材料的光學(xué)性能要能夠保證光信號(hào)在封裝內(nèi)部的高效傳輸，如具有合適的折射率、低散射率等特性的材料，可以減少光信號(hào)的損耗。

（三）散熱技術(shù)

1. 液冷技術(shù)

• 液冷技術(shù)在CPO制造工藝中是解決散熱問題的有效手段。在高算力場(chǎng)景下，CPO設(shè)備產(chǎn)生的熱量較高，傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式可能無法滿足散熱需求。液冷技術(shù)通過冷卻液在CPO設(shè)備的散熱通道中循環(huán)，將熱量帶走。

• 例如，將CPO設(shè)備（如交換機(jī)等）和光模塊等耦合在背板PCB上，并通過液冷板降溫，可以有效地降低功耗。液冷技術(shù)相比風(fēng)冷具有更高的散熱效率，可以確保CPO在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性 。

2. 散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

• 除了采用液冷技術(shù)，散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是CPO制造工藝中的重要散熱技術(shù)。通過設(shè)計(jì)合理的散熱結(jié)構(gòu)，如增加散熱鰭片的面積、優(yōu)化散熱通道的布局等，可以提高散熱效率。

• 在CPO封裝內(nèi)部，合理安排散熱結(jié)構(gòu)可以使熱量更快速地散發(fā)出去，減少熱應(yīng)力對(duì)芯片和器件的影響，從而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

四、CPO制造流程的實(shí)例分析

以亨通洛克利推出的基于硅光技術(shù)的3.2T CPO工作樣機(jī)為例。

在組件準(zhǔn)備階段，選擇了合適的硅光芯片和核心交換芯片。硅光芯片具備高帶寬、低功耗等特點(diǎn)，能夠滿足3.2T數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，而核心交換芯片則具有高效的數(shù)據(jù)處理能力。這些芯片在選型過程中經(jīng)過了嚴(yán)格的性能測(cè)試和評(píng)估，確保其符合CPO樣機(jī)的設(shè)計(jì)要求 。

在封裝集成階段，采用了核心交換芯片與光引擎在同一高速主板上的協(xié)同封裝概念。這一過程中，首先進(jìn)行了芯片與模塊的精確對(duì)準(zhǔn)，利用高精度的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備確保光引擎與核心交換芯片的準(zhǔn)確連接。然后，采用了先進(jìn)的封裝技術(shù)（可能是2.5D或者3D封裝類似的技術(shù)）將硅光芯片和其他相關(guān)芯片集成在一起。在封裝過程中，使用了特殊的封裝材料，這些材料既能保證良好的電氣連接，又能有效地傳導(dǎo)熱量，減少熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響。

在性能測(cè)試與優(yōu)化階段，對(duì)封裝后的3.2T CPO樣機(jī)進(jìn)行了全面的光電性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，通過縮短光電轉(zhuǎn)換功能到核心交換芯片的距離，達(dá)到了縮短高速電通道鏈路的效果。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，通過測(cè)量光輸入和光輸出功率，計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換效率符合預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)，在穩(wěn)定性和可靠性測(cè)試中，將樣機(jī)置于不同的環(huán)境條件下（如高溫、高濕環(huán)境）進(jìn)行長時(shí)間測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)明顯的性能下降或信號(hào)中斷問題。這表明在制造工藝中，散熱設(shè)計(jì)、組件間的應(yīng)力處理等方面的設(shè)計(jì)是合理有效的。

通過這個(gè)實(shí)例可以看出，CPO制造流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，從組件準(zhǔn)備到封裝集成再到性能測(cè)試與優(yōu)化，每個(gè)步驟都對(duì)最終產(chǎn)品的性能、穩(wěn)定性和可靠性有著重要的影響。

五、CPO制造工藝流程的優(yōu)化方法

（一）基于數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化

1. 數(shù)據(jù)收集與關(guān)鍵指標(biāo)確定

• 在CPO制造工藝流程中，要收集各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，如芯片制造過程中的工藝參數(shù)（蝕刻尺寸、晶圓尺寸等）、封裝過程中的溫度、壓力等參數(shù)以及性能測(cè)試中的光電轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度等數(shù)據(jù)。

• 確定關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPIs），如光電轉(zhuǎn)換效率、產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性等。這些KPIs是衡量CPO制造工藝優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。例如，通過分析光電轉(zhuǎn)換效率的數(shù)據(jù)，可以了解制造工藝對(duì)光信號(hào)轉(zhuǎn)換的影響程度。

2. 數(shù)據(jù)分析與問題識(shí)別

• 利用數(shù)據(jù)分析工具（如數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)）對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。例如，通過對(duì)大量的光電轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以建立數(shù)據(jù)模型，找出影響光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，如芯片的質(zhì)量、封裝材料的光學(xué)性能等。

• 通過數(shù)據(jù)分析識(shí)別出制造工藝流程中的問題環(huán)節(jié)。例如，如果在穩(wěn)定性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)CPO在高溫環(huán)境下性能下降，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)（如封裝過程中的熱應(yīng)力數(shù)據(jù)、散熱結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)等）可以確定是散熱設(shè)計(jì)存在問題還是封裝材料的熱性能不佳。

（二）工藝流程改進(jìn)

1. 流程重組與簡化

• 對(duì)CPO制造工藝流程進(jìn)行重新審視，找出可以簡化或者合并的步驟。例如，如果在芯片準(zhǔn)備階段和封裝階段存在一些重復(fù)的檢測(cè)環(huán)節(jié)，可以考慮將這些環(huán)節(jié)合并，以減少生產(chǎn)時(shí)間和成本。

• 重新規(guī)劃工藝流程的順序，以提高生產(chǎn)效率。比如，在某些情況下，可以先進(jìn)行部分性能測(cè)試，然后再進(jìn)行后續(xù)的封裝步驟，這樣如果在性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn)問題，可以及時(shí)調(diào)整，避免在后續(xù)工序中造成更大的浪費(fèi)。

2. 引入先進(jìn)技術(shù)和工藝

• 在CPO制造中不斷引入先進(jìn)的技術(shù)和工藝。例如，隨著硅光子技術(shù)的不斷發(fā)展，及時(shí)將新的硅光集成技術(shù)引入到制造工藝中，可以提高光電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)品的性能。

• 采用新的封裝技術(shù)，如更先進(jìn)的2.5D或者3D封裝技術(shù)的改進(jìn)版本，可以進(jìn)一步提高芯片的集成度和產(chǎn)品的可靠性。同時(shí)，引入新的散熱技術(shù)，如更高效的液冷技術(shù)或者新型的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以解決CPO在高功率運(yùn)行時(shí)的散熱問題。

（三）設(shè)備與人員管理

1. 設(shè)備維護(hù)與升級(jí)

• 定期對(duì)CPO制造過程中的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，對(duì)于用于芯片蝕刻的設(shè)備，定期檢查設(shè)備的蝕刻精度，清洗設(shè)備的關(guān)鍵部件，以保證蝕刻尺寸的準(zhǔn)確性。

• 根據(jù)制造工藝的發(fā)展需求，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。如隨著芯片制造工藝向更小的蝕刻尺寸發(fā)展，需要對(duì)蝕刻設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，以滿足新的工藝要求。

2. 人員培訓(xùn)與技能提升

• 對(duì)參與CPO制造的人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，包括芯片制造、封裝技術(shù)、性能測(cè)試等方面的知識(shí)和技能培訓(xùn)。例如，對(duì)負(fù)責(zé)芯片對(duì)準(zhǔn)的操作人員進(jìn)行高精度對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的培訓(xùn)，提高其操作的準(zhǔn)確性。

• 鼓勵(lì)員工不斷學(xué)習(xí)和掌握新的技術(shù)和工藝，建立員工技能提升的激勵(lì)機(jī)制。這樣可以提高員工的整體素質(zhì)，從而提高CPO制造工藝的水平。

功率器件芯片清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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