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使硅光子芯片更可靠
信息来源:2021-08-24


硅光子能够以极低的功率显着改善封装内的芯片上和芯片到芯片的通信,但确保信号完整性随时间保持一致并不是那么简单。

虽然这项技术至少在过去十年中已在商业上使用,但从未达到主流地位。这主要是因为摩尔定律缩放以远低于硅光子的价格满足了大部分功率/性能需求因此,硅光子学仅限于网络芯片等应用,在这些应用中,价格不是一个重要因素,而延迟和低功耗至关重要。但随着摩尔定律的优势逐渐减弱,并且需要更快地处理和移动更多数据——尤其是在汽车 LiDAR 等不断增长的市场中——硅光子学正吸引着越来越多的兴趣。除此之外,人们非常关注如何在该技术的所有应用程序中增加一致性和可靠性。

“光子学有四个经典市场,”西门子公司 Mentor 的产品经理 Tom Daspit 说“一个是传感器,它们通常是非常小的设计。第二种是盒外网络,一侧有以太网,另一侧有光纤。我们还看到一些公司使用中介层进行光子学,而其他公司则在基板上使用裸片。第三是激光雷达,第四是网络切换。我们还看到一大批初创公司在进行量子计算,其中一些正在使用光子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到芯片通信以及设备内模块之间的通信。迄今为止使用的主要方法依赖于硅中介层,其中硅通孔充当光信号的波导。

ASE工程副总裁 Calvin Cheung 说:“您的典型信号经过转换器,然后是收发器,然后是光缆。” “你想要做的是减小 ASIC 和光收发器之间互连的尺寸。想要达到这么高的速度,铜是做不到的。硅上的[重新分布层]无法处理它。最好使用硅中介层上的波导来做到这一点,您可以在其中创建一个充当波导的沟槽。缩小互连可提高信号完整性和电源效率。如果你开车穿过铜,你会浪费很多能量。”

然而,将其推向主流并不是那么简单。一方面,需要降低硅光子学的成本,这将需要更多标准流程和更广泛的采用。它还需要在多个层面进行创新,从设计一直到测试和检查。

影响可靠性的光子芯片也可能出现多个问题。其中:

  • 翘曲光子学需要与电路不同的材料,因此光子学芯片——通常是 III-V 族材料——需要结合到硅上。由于它们具有不同的热膨胀系数,这会对焊球或凸块施加压力并导致翘曲,从而使光信号发生偏差。

  • 漂移与模拟电路一样,光电路也会受到老化、热量和各种类型噪声的影响。这会导致信号的变化,这可能会将它们推到接收它们的滤光器的范围之外。

  • 波导 粗糙度波导需要非常光滑,以免干扰光信号。任何畸变(相当于数字芯片中的线边缘粗糙度)都会影响信号完整性。此外,光电路必须与信号呈线性或松弛曲线以保持平滑流动,这不是当今设计工具的重点。

  • 变化虽然硅光子芯片的大部分制造都是在较旧的节点上完成的,但这仍然是一个相对较新的制造工艺。发光激光器本身使用需要以某种方式与硅结合的 III-V 族材料,这些类型芯片的封装仍在完善中。

所有这些问题和其他问题都需要解决。

材料和物理
      “硅光子晶片通常在同一晶片上同时包含逻辑和光学组件,” FF的首席执行官 Mike Slessor 说“这些光学元件,例如激光器、波导、检测器和多路复用器,可以直接与经典逻辑元件连接,也可以通过先进的 2.5D 和 3D 先进封装技术组合为单独的 IC。因此,硅光子晶圆测试的新维度是电气和光学测量的混合。”

硅光子学与当今数据中心内的光通信不同。虽然光已被用于在不同距离上传输大量数据,但这些距离通常非常大。通过将其集成到芯片或多芯片封装中,使其更接近处理,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。最受欢迎的包括砷化镓、砷化铟、砷化铟镓和磷化铟。这些 III-V 族材料由于它们的直接带隙在硅光子学中必不可少,但它们难以使用,会随着时间的推移而降解——这就是为什么大多数光子学应用包括冗余激光器——而且它们从未大规模生产。相比之下,硅非常稳定,但由于其间接带隙,光发射器很差。

这种混合物中还有其他材料。例如,过渡金属二硫属化物用于保持以薄膜形式沉积的光信号的幅度和功率。但是,虽然所有这些对于制造来说都相对简单,但所有这些都是奇特的材料。

从好的方面来说,这些芯片中的大多数都不是在前沿节点上开发的。与模拟一样,缩小功能也无济于事。

“硅光子芯片正在 45 纳米或 65 纳米节点上生产,在某些情况下,在更小的基板上生产,”FF 的 Slessor 说。“我知道有一些人已经完成了 300 毫米,但正在做的很多事情都是在较小的基板上进行的,利用已安装的半导体生产设备基础,非常具有成本效益。您处理的尺寸和材料组相对简单。它非常适合晶圆厂产能的后缘安装基础。”

然而,将所有内容打包在一起使这变得更加复杂。“在这些材料的工作更重要的问题是结构性的”,Raanan Gewirtzman,在首席商务官说proteanTecs“可靠性的影响来自几个不同的方向。使用先进的封装,您需要找到将这些芯片组合在一起的方法,并确保解决热量问题。所以你可以使用 TSV 或微凸块来连接不同的芯片,当你在同一个封装中有很多芯片时,你必须处理大量连接。现在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,特别是高性能数字或混合信号芯片,热量是一个问题。硅光子学的好处是它不会产生太多。缺点是来自其他来源的热量会导致光信号漂移。需要重新校准滤光器以解决该漂移,以避免信号丢失。

设计限制和差异
设计光子芯片设计电子芯片非常不同。光学中的交叉电路不违规,也不会像电气设计那样导致短路。此外,大多数光子芯片已在 130 纳米和 90 纳米开发,尽管有些已开始向 65 纳米倾斜,这使得它们更便宜且更易于使用。

更大的问题是缺乏工具,这使得多年来设计数字甚至模拟/混合信号芯片更加一致。

“您必须是自定义布局方面的专家,”Mentor's Daspit 说。“没有标准,今天也没有流行的方法论。如果你把它放入一个包装中,你必须通过包装获得一根或多根光纤。挑战在于如何让光打开和关闭芯片。如果您使用光栅耦合器,它们会以一定角度进入。如果您使用的是边缘耦合器,则它与芯片位于同一平面。但无论哪种方式,您都会遇到 2D/3D 对齐问题。”

这将需要一些改变,因为硅光子学扮演的小众角色,这在过去被认为是不必要的。但在5G高频通信和潜在的汽车应用中,硅光子学突然变得比过去有趣得多。但是利用这项技术将需要在设计和制造过程中更加一致。

“将有专门的硅或其他制造工艺来满足特殊需求,无论是使用硅锗或砷化镓的非常高频无线电波,还是处理光子学的特定工艺,”首席João Geada 说。Ansys 的技术专家“当然,你可以将其中的一些与普通的传统 CMOS 集成,但如果不是,它会更容易。当你在极端节点上放置的功能是操纵光时,你不需要非常高的成本,这实际上比你制造的最小晶体管大得多。”

另一个挑战是确定光在引起问题之前可以弯曲多远。这需要内置到平面规划和包装工具中。“你只能把光线弯曲得这么紧,”达斯皮特说。“您可能还需要使用会延迟光的结构,因为网络应用程序以固定频率运行。”

覆盖率和可靠性问题
      分析和测试增加了其他挑战,尤其是在覆盖率方面。

“硅光子学很难分析,” OptimalPlus副总裁兼总经理 Doug Elder 说“你有多种数据类型,你必须对它们做一些事情。如果您可以以一种可以做某事的格式处理该数据,您会获得一些好处,但从历史上看,这些数据是不同的。”

埃尔德说,关键是创建语义层并添加预测模型。“您正在寻找的是及时的反馈,以便缩短批量生产的时间。”

与此同时,测试往往遵循与传统芯片相同的方法,只是更复杂。

美国的设备厂商正在开发的大多数测试方法类似于当今人们进行电气测试的方式,所以如果你看看这种设备有整个系统,它有各种各样的激光器和探测器,它们通过硅光子芯片驱动光信号,同时对事物进行电调制以打开和关闭结构或稍微改变波长。然后你还要测量输出。所以你得到了一组激光器、一组探测器和一组用于测量各种不同事物的电输入和输出。如果它是一个调制器,您将尝试测量与开关相关的事物,即与设备相关的整体品质因数。所以它确实与人们在主流电气测试中所做的非常相似。只是现在你也有了这个光学元件。

不过,这不是千篇一律的方法。“不同的客户采取了不同的方法,”。“客户中的一些人已经完成了完全本土化的工作台解决方案。这些解决方案不确定会称它为生产测试。它更像是表征和工程测试。您可以摆脱与当今主流 CMOS 测试相比效率、高吞吐量和集成度不高的问题。在这个领域,随着人们开始增加生产,我们将看到对该类集成系统的需求越来越大。即使现在的量仍然很小,需求会快速上升,客户不必担心将不同的测试仪器与不同的处理硬件集成在一起。当然,用户正在查看的不仅仅是光学测量,还有电气测量。因此,它是这些混合应用程序之一,如果能以交钥匙方式将所有内容集成在一起,有助于为客户缩短成果和上市时间。”

结论
       硅光子学已经是一种成熟的技术组合。随着需要快速移动的数据量不断增加,并且随着更多的数据量带来更好的工具和更低的价格,预计它会随着时间的推移变得更加重要。

大多数这种开发都可以发生在 finFET 之前的节点上这一事实是一个很大的好处,特别是在考虑到更低的功率、更低的热量和更高的性能时。但仍需要一致性、可靠性和更好的工具才能将其推向主流,在这一点上还有很多工作要做。


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