基于玻璃基板的光电共封装方案

随着5G时代高带宽的计算、传输、存储的要求，以及硅光技术的成熟，板上和板间也进入了光互连时代，通道数也大幅增加，由专用集成电路（ASIC）控制多个光收发模块。在封装上要将光芯片或光模块与ASIC控制芯片封装在一起，以提高互连密度，从而提出了光电共封装的相关概念。

光电共封装较传统的板边以及板中光模块在带宽、尺寸、重量和功耗有重要的优势，传统光互连采用板边光模块和板中光模块。光电共封装是将光收发模块与ASIC芯片封装在一个封装体内，包括2.5D封装和3D封装，能实现更高的互连密度和更低功耗，且损耗更小。然而光电共封装也面临一系列难点，包括高密度光电载板工艺、高精度的光电芯片组装工艺、阵列光纤连接器的装置耐高温性等。

今天，我们将介绍国际上一种基于玻璃基板的光电共封装方案。

基于玻璃载板的光电共封装方案

玻璃材料由于其对光透明，对电绝缘性好的性能，很适合作为光电载板。佐治亚理工提出了一种基于玻璃载板的光电混合封装方案，如图1所示。

图1 3D玻璃基板封装示意图

该方案采用150um厚的玻璃载板，PIC和驱动芯片和跨阻放大器倒装在玻璃载板上，光通过载板上的有机透镜聚焦到载板背面的波导中，与光纤耦合；电信号通过在玻璃基板上做金属通孔（TGV）引出。

选用玻璃作为载板，优势在于电学损耗要小于硅；但缺点在于玻璃的加工比较困难，与常规微电子硅工艺不完全兼容，尤其对玻璃基板的打孔、电镀、清洗工艺等。目前还没有较稳定成熟的工艺，另外玻璃的散热能力较差，所以需要考虑合适的散热方案。

基于玻璃转接板的三维光电共封装设计和制备

玻璃转接板具有透明、绝缘等良好的光学电学性能，玻璃转接板2.5D光电共封装方案如图2a）所示。但玻璃转接板加工工艺比较困难，本研究对石英玻璃转接板的打孔、电镀、图形刻蚀做了多方面的研究，制作了玻璃转接板。同时，研究对TGV的电学性能进行了仿真，图2b）是TGV的插入损耗曲线，图2c）是TSV与TGV的插入损耗曲线对比。

图2 采用玻璃转接板的设计仿真结果

比较相同条件下TGV和TSV的损耗曲线（S21曲线），可以看出TGV的高频性能远好于TSV，并且金属直径越小，高频性能越好，当TGV直径小于70um时，插入损耗差别不大。因此考虑到制作的可行性，本研究针对70um直径TGV晶圆进行了研发制作。

在15.24cm（6英寸）的300um厚玻璃基板上，采用激光钻孔方式制作了70um直径的通孔，晶圆表面溅射一层100nm/1μm的Ti/Cu金属薄膜作为种子层，然后进行填实电镀铜，观测了电镀好TGV的X射线照片，可见TGV通孔电镀质量良好，之后对玻璃基板进行表面图形化蚀刻，最后在玻璃转接板表面做了镍钯金处理，将电芯片倒装键合在转接板上，完成玻璃转接板微组装。

总结

随着近年来硅光技术的不断发展成熟，硅光芯片的光电共封装采用陶瓷基板、有机基板、玻璃载板、硅基板将电芯片与硅光芯片集成，封装集成也从2.5D向着3D光电共封装发展。

因为玻璃芯通孔之间的间隔能够小于 100 微米，这直接能让晶片之间的互连密度提升10倍。而且，玻璃基板在热学性能、物理稳定度方面表现都更出色、更耐热，不容易因为温度高而产生翘曲或变形的问题。所以，玻璃基板在2.5D/3D光电共封装中也有很大优势。

例如康宁玻璃晶圆/面板主要服务于包括先进封装和光电共封装（CPO）客户，以玻璃载板平整度以及热膨胀系数（CTE）于客户的晶圆相互匹配，康宁熔融下拉工艺可以提供非常完美的表面质量、平整度，以及大尺寸和可量产性。除了玻璃基板，还将它做成玻璃晶圆/面板成品给到客户，包括先进封装和光电共封装（CPO）客户。

来源：高速高密度光电共封装技术

DOI: 10.3969/j.issn.1009-6868.2018.04.005

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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：基于玻璃基板的光电共封装方案