光电制造：新数据中心时代光电制造领域面临的挑战

      ICCSZ讯 由互联网流量指数增长率生成的数据极为庞大，且数据中心对于支持通过云计算的结果数据通信、存储和处理需求至关重要。 光电装置在这些数据中心发挥至关重要的作用，这为光电大批量制造(HVM)带来重大挑战。

  最近Cisco研究表明，全球IP和全球数据中心流量都在以约25%的复合年增长率增长。 如物联网(IoT)、视频数据流、3D传感、智能汽车和虚拟现实(VR)与增强现实(AR)等新兴应用激增，已经为带宽创造了更多需求，也因此对新数据中心的需求越来越大。 预测显示，截止2020年，50%的数据中心将具有超大规模水平，这意味着其架构规模将能够随着系统中添加的增长需求相应地扩大。 未来3年每年将建立约40个超大规模数据中心。

  光电对以往由电信驱动而如今由数字通信驱动的带宽增长必不可少，而电子通信受数据中心业务的极速增长所推动。 图1显示了用于电信和数据通信的光学收发器各自的全球销售收入。 关键转折点大概是2017–2019，数据通信的收发器收入超过电信的收发器收入。 该研究同时还预测了数据通信在未来明显更高的增长率。

图1.由数据中心驱动的数据通信用光学收发器的全球销售收入超过电信用光学收发器的全球销售收入。

       数据通信挑战

  随着数据中心需求成为新的增长引擎，光电产业感受到为新型数据中心业务模式服务带来的挑战，这与传统电信模式大相径庭。 该图表总结了电信业务模式和数据中心业务模式之间的关键区别。 影响光电制造最为关键的因素是大批量、低预测可见性、快速创新、快速响应和低成本。

  历来电信对光电产业的影响非常大，究其原因电信具有广阔的现场部署。 由于工作环境艰苦(例如：-40°C至85°C，相对湿度高达85%)，

  因此系统部署和维护需要较高的成本，每次电信升级周期都较长且需要经过慎重计划。 从运营商到设备供应商再到组件供应商的年度预测可见性相当好。 可以长期接受精密且昂贵的光电组件。光电制造商有更长的时间来计划并响应客户需求，单位产量并未达到我们最近在数据中心业务中看到的那样高。

  数据中心业务在受控环境中运营大部分网络，例如在温度和湿度可控的建筑物中(即温度0–55°C、相对湿度40–60%)。 大多数资本支出(capex)用于土地、建筑物和布线方面。 大部分运营支出(opex)用于能源消耗和环境控制。 光电组件在capex和opex中占比相对较小，然而它们对云客户的带宽销售创收发挥显著的促进作用。

      在类似办公室的受控环境中，升级变得较为便宜。光电组件更换成本低且在capex与opex总体成本中占比小，二者相结合使数据中心供应商可以每3至5年升级一次现有数据中心。 针对每次升级，供应商希望使用当时可提供最大的带宽、最先进的光电技术，以实现同一建筑物内收入最大化。

  因为新数据中心建设项目是从土地测量和购置(包括获得地方政府的批准)开始的，因此当数据中心项目将启动时，数据中心供应商很难准确地预测数据。 这大大降低了光电组件供应商的预测可见性。 另一方面，一旦项目被批准后，数据中心供应商将自然而然地希望快速建设和迅速增加收入流。 通常经过2到3年的建设之后，新数据中心将准备好运行在第一天就可以创造最大收入潜力的、最先进的光电设备。

  最后，针对数据中心应用，快速创新为大批量与高混合光电制造带来双重挑战。 收发器从10G升级到40G是过去几年的主要活动(参见图2)。 现在，因为新批量部署中的领先技术，100G正逐渐取代40G。 与此同时，200/400G解决方案正处于原型制作和小批量生产阶段。 所有这些不同的技术和产品都将需要在一段时间内共存，并且都将来自于相同的光电制造工厂。

图2.展示了由快速创新所驱动的大批量、高混合光电制造和多代产品共存。

       机遇和解决方案

  所有这些由基于云的新数据中心业务模式所驱动的挑战都伴随着机遇。 光电产业如何应对这些挑战? 解决这些挑战的关键是自动化技术。

  光电装置供应商确实采用一种可以实现大批量、高质量、低成本制造与数据中心及时模式(包括低预测可见性)快速开关能力的弹性产能模式(参见图3)。 自动化技术可快速提升产量，而无需担心大批量手动生产所需的大量培训。

  自动化技术还可以减少对人工的依赖，从而降低可变成本，特别是在停工期间。 此外，由于制造商可以在开发和制造阶段使用相同的自动化平台和工艺，因此

  自动化技术可将新产品导入(NPI)的风险减至最低。 此外，高精密自动化技术能够应用手工无法实现的工艺制作先进的产品。

图3.展示了数据中心业务的挑战及光电制造领域可能做出的反应。

      目前，光电制造领域所面临的最大挑战是如何处理大批量与高混合生产。 产品高混合通常源于NPI，或源于不同产品之间的转换，这种转换使大批量生产变得尤为困难，因为您无法在保持配置不断变化的情况下增加产量。

  解决此问题需要灵活、高速的自动化技术。 使自动化设备同时具有灵活性和高速度历来都是一个难题。 案例研究将表明，通过在自动化产业进行创新能够在实现高速度的同时保持灵活性。

图4.展示了光电制造领域的各种部件及自动化流程组合的示例。

  灵活高速贴片自动化平台

  为了阐明我们对自动化解决方案的理解，以下是处理关键制造流程之一(即贴片)的案例研究。 图4是通常必须经过光电制造的各种部件的视图。 各种此类部件

  来自不同类型/代的产品，以支持大范围的数据中心通信网络。 有几个主要流程步骤与不同成品相关：

  1. 对于管盒产品(如具有高功率激光器的收发器)，通常首先要完成基板/基台芯片(CoC/CoS)粘结，然后将CoC/CoS粘合到用于镜头和镜子附件的共同基板上，然后封装。最新趋势是，需要通过共晶或环氧粘结贴到共同基板上的芯片或晶片(如激光器、电容和热敏电阻)越来越多。

  2. 对于PCB层的产品(如有源光缆(AOC)和板载光学器件(OBO))，晶片直接贴在PCB上。多种晶片(如垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列、光电二极管(PD)阵列、激光驱动器和互阻抗放大器(TIA))需要贴在PCB上。 历来最终镜头附着通过主动校准完成，但是，现在这一流程越来越多地由可提供高速度、高精度(3 μm)的贴片设备通过被动晶片粘贴来完成。

  3. 对于TO-can型产品，激光器芯片和其他晶片是在90°翻转后贴在TO基底或立柱上。为了支持即将推出的5G无线部署，波分多路复用(WDM)激光器和电吸附调制激光器(EML)将封装于低成本TO-can包装内。 在有众多晶片需要粘结的情况下，这些WDM/EML-TO比仅需要处理1–2个晶片的TO-can封装要复杂得多。

  4. 对于硅光子，从CoC形成到中介层芯片和晶片芯片(CoW)过渡过程中的流程越来越多。还有很多流程尚未确定，但未来将越来越多地取决于晶圆层集成。

  图5是有关如何为实现最佳效率而组织自动贴片工具和流程的示例。 此图表中有3列： 左侧列出了用于研发和中小批量生产的一体化贴片机的示例，中间列出了与图4中流程共存的流程，右侧列出了用于HVM的灵活高速专用贴片机的示例。

图5.展示了用于大批量、高混合光电制造的平台方法的示例。

  通过以下3个关键要点，您可以理解此方法如何有助于应对前面所讨论的光电制造挑战：