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成为主流前,硅光电器件仍需提高可靠性

摘要:光电学有能力以极低的功率大幅改善封装内的片上和芯片间通信,但确保信号完整性长期保持一致并不那么简单。

  硅光电学有能力以极低的功率大幅改善封装内的片上和芯片间通信,但确保信号完整性长期保持一致并不那么简单。

  需要提升硅光电技术的可靠性

  虽然这项技术至少已在过去十年中已实现商业化使用,但它从未获得主流地位。主要是因为摩尔定律微缩已经满足了大部分的功率/性能需求,而价格却远低于硅光电学。因此,硅光电学一直被限制在网络芯片等应用中,在这些应用中,价格并非是首要考虑因素,而延迟和低功耗则至关重要的。但随着摩尔定律益处逐渐减少,以及更大量数据需要以更快速度处理和移动,特别是在汽车激光雷达等不断增长的市场中,硅光电学正在吸引更多的兴趣。随之而来的是,如何在这项技术的所有应用中增加一致性和可靠性成为关注的焦点。

  光电子应用市场

  Mentor公司产品经理Tom Daspit说:“光电子有四个经典市场,第一是传感器,通常是非常小的设计。第二是箱外网络,一边是以太网,另一边是光纤。我们也看到一些公司在用光电器件做硅中间层,而其他公司则在基板上使用一个芯片。第三是激光雷达,第四是网络交换。我们还看到一大堆创业公司在做量子计算,有些公司在用光电学来驱动约瑟夫森结。”

  正在探索的新领域之一是封装内的芯片对芯片通信,以及器件内模块之间的通信。迄今为止使用的主要方法是依靠硅中间层,其中硅通孔(TSV)作为光信号的波导。

  ASE的工程副总裁Calvin Cheung说:“典型信号是通过一个转换器,然后是一个收发器,最后到光缆。想做的是减小ASIC和光收发器之间的互连尺寸,以及达到更高的速度。最好的办法是在硅中间层上用波导来实现,在那里制造出一个作为波导的沟槽。缩小互连可以提高信号完整性和功率效率。如果通过铜缆驱动,会浪费很多能量。”

  面临挑战

  然而,将其推向主流并不那么简单。首先,需要降低硅光电学的成本,这既需要更多的标准工艺,也需要更广泛的应用。还需要从设计一直到测试和检验等多个层面的创新。此外,光电芯片还可能出现多种影响可靠性的问题,包括:

  翘曲:光电学所需的材料与电路不同,光电芯片通常需要Ⅲ-V材料与硅结合。由于它们具有不同的热膨胀系数,这可能会给焊球或凸点(bumps)带来压力,并导致翘曲,从而使光信号偏斜。

  漂移:与模拟电路一样,光电路也会受到老化、热和各种噪声的影响。可能会导致信号的变化,会将信号推到接收它们的光学滤波器的范围之外。

  波导粗糙度:波导需要完全平滑,才能不破坏光信号。任何畸变,相当于数字芯片中的线端侧粗糙度,都会影响信号的完整性。此外,光电路必须与信号保持线性或放松的曲线,以保持流畅的流动,这不是今天设计工具的重点。

  完善:虽然大部分硅光电芯片的制造都是在老旧节点上完成,这仍然是一个相对较新的制造工艺。发光激光器本身使用的Ⅲ-V材料需要以某种方式与硅结合,这类芯片的封装仍在完善中。

  这些和其他问题都待解决。

  材料方面的挑战

  FormFactor公司首席执行官Mike Slessor说:“硅光电晶圆通常会在同一晶圆上同时集成逻辑和光学元件。这些光学元件,如激光器、波导、探测器和多路复用器,可直接与经典的逻辑器件连接,也可以通过先进的2.5D和3D先进封装技术作为独立的IC组合。因此,硅光电晶圆测试的新维度是电学和光学测量的混合。”

  硅光电学与今天数据中心内的光通信不同。虽然光已经被用来在不同的距离上传输大量的数据,但这些距离通常已相当大。通过将其纳入芯片或多芯片封装,使其更接近处理部分,增加了全新的复杂性。

  材料带来了另一个问题。材料的充足供应和纯度至关重要。最受欢迎的材料包括砷化镓、砷化铟、砷化镓铟和磷化铟。这些Ⅲ-V材料在硅光电学中必不可少,它们具有直接带隙,但很难加工,随着时间的推移而退化--这就是为什么大多数光子学应用包括冗余激光器的原因--而且它们从未大量生产。相比之下,硅非常稳定,但由于是间接带隙,是一个很差的光发射器。

  这个组合中还有其他材料。例如,过渡金属二卤化物被用来维持光信号的振幅和功率,它们以薄膜的形式沉积。虽然这些都可以采用比较简单的制造方法,但这些都是外来材料。

  从好的方面看,这些芯片大多不是在前沿先进节点开发的。与模拟一样,缩小特征尺寸也无济于事。

  集成带来挑战

  FormFactor的Slessor说:“硅光电芯片正在45纳米或65纳米节点上生产。利用已安装的半导体生产设备基础,具有相当成本效益。所处理的尺寸和材料组相对简单。这对晶圆厂产能来说相当可观。”

  然而,将所有的东西封装在一起就复杂多了。proteanTecs的首席业务官Raanan Gewirtzman说:“在使用这些材料时更大的问题是结构性的。可靠性影响来自几个不同的方向。在先进封装中,需要找到将这些裸芯片组装在一起的方法,并确保解决了热的问题。因此,可能会使用TSV或微凸块来连接不同的芯片,当你在同一封装中拥有很多芯片时,必须处理大量的连接问题。现在已经有必要监控互连和信号质量,以确保整个系统正常运行。”

  与所有芯片一样,尤其是高性能数字或混合信号芯片,发热是一个问题。硅光电学的好处是它不会产生很多热。缺点是其他来源的热量会导致光信号漂移。光学滤波器需要重新校准以考虑到这种漂移,以避免信号损失。

  缺少设计和制造工具

  设计光电芯片与电芯片有很大的不同。光学中的交叉电路并不违规,不会像电气设计那样造成短路。此外,大多数光电学芯片都是在130nm和90nm下开发的,其成本更低,更容易使用。但大的问题是缺乏适宜的工具。在微电子领域,适宜的工具使得数字甚至模拟/混合信号芯片的设计变得更加一致。

  Mentor的Daspit说:“你必须是定制化布局方面的专家。今天,没有标准,也没有普遍的方法论。如果把这个放到一个封装中,你必须让一根或多根光纤穿过封装。面临的挑战是如何让光进入和离开芯片。如果使用的是光栅耦合器,光是以一定角度进入。如果使用的是边缘耦合器,光就会与芯片在同一平面上进入。但无论哪种方式,都有2D/3D对齐问题。”

  这就需要一些改变。在过去,由于硅光电学所面对的细分市场,这些改变被认为是不必要的。但在更高频的通信中,如5G和潜在的汽车应用中,硅光电学突然显得比过去有趣得多。但利用这项技术将需要从设计到制造过程中更加一致。

  Ansys的首席技术专家Jo?oGeada说:“将会有专门的硅或其他制造工艺来满足专门的需求,无论是用硅锗或砷化镓来实现高频无线电波,还是用特定的工艺来制造光电子。当然,可以用普通的传统CMOS来集成一部分,但不集成的时候会更容易。而且你不需要极端节点的非常高的成本,当你放在它上面的功能是为了操控光的时候,它实际上比你做的最小的晶体管大得多。”

  另一个挑战是确定光在引起问题之前可以弯曲到什么程度。这需要建立在底层规划和封装工具中。Daspit说:“你只能把光弯得这么紧,你还可能需要使用会延迟光的结构,因为网络应用以固定频率运转。”

  分析和测试面临的挑战

  分析和测试增加了其他挑战,特别是在覆盖率方面。OptimalPlus副总裁兼总经理Doug Elder说:“硅光电器件很难分析。你有一个数据类型的混合,你必须对这些做一些事情。如果你能将这些数据转换成一种可以做一些事情的格式,你会得到一些好处,但历史上这些都是不同的孤岛。”关键是创建一个语义层并添加预测模型,Elder说:“你正在寻找的是及时的反馈以便压缩从时间到数量。”与此同时,测试往往遵循与传统芯片相同的方法,只是更加复杂。

  Slessor说:“我们正在开发的大多数测试方法都类似于今天人们进行电气测试的方式。因此,如果你看看我们的整体系统,它有各种激光器和探测器,它们正在通过硅光电学芯片驱动光信号,同时对事物进行电气调制,以打开和关闭结构或改变一点波长。然后测量输出。所以你有一套激光器、一套探测器、一套电子输入和输出来测量各种不同的东西。如果是调制器,你要测量的是与开关相关的东西,与器件相关的所有指数。因此,它真的很类似于我们在主流电气测试中所做的事情。只是现在你也有了这个光学元件。”

  不过,这并不是一个千篇一律的方法。Slessor说:“不同的客户采取了不同的方法。他们中的一些人已经做了完全自制的工作台解决方案。我不确定我会把它称为生产测试。它更像是表征和工程测试。你可以摆脱那些不像当今主流CMOS测试那样高效、高通量和良好集成的东西。但我们已经与各种客户合作,包括GlobalFoundries和ITRI,以及像Keysight这样的合作伙伴,为晶圆级硅光电整合了一套完整的测试系统。在这个领域,随着人们开始加紧生产,我们看到对这种集成系统的需求越来越多。尽管我们的产量还很小,但这能让他们快速提升产量,他们不必担心将不同的测试仪器与不同的处理硬件整合在一起。当然,你要看的测量不仅仅是光学的,还有电气的。因此,这是这些混合应用中的一种,能够以交钥匙的方式将所有的东西整合在一起,有助于我们的客户在短时间内获得结果和进入市场。”

  结语

  硅光电学已经是一种经验证的技术组合。随着需要快速移动的数据量不断增加,以及更多的数量带来更好的工具和更低的价格,预计随着时间的推移,硅光电技术将变得更加重要。

  事实上,大部分的开发工作都可以在pre-finFET节点上进行,这是一个很大的好处,特别是当考虑到更低的功率、更低的热量和更高的性能时。但要将其推向主流,仍需要一致性、可靠性和更好的工具,目前还有很多工作要做。


  信息来源https://semiengineering.com/making-silicon-photonics-chips-more-reliable/


内容来自:大国重器高端电子元器件
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2020/07/13/20200713021636676227.htm 转载请保留文章出处
关键字: 硅光
文章标题:成为主流前,硅光电器件仍需提高可靠性
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