共封裝光學(xué)（CPO）封裝工藝全流程及核心市場(chǎng)應(yīng)用發(fā)展情況分析

第一部分：CPO技術(shù)概述

1.1 什么是CPO？
共封裝光學(xué)（CPO）是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，它將硅光芯片（或傳統(tǒng)III-V族光芯片）、電子芯片（通常是ASIC，如交換芯片、CPU/GPU）在同一基板或插槽上高密度地集成在一起。它與傳統(tǒng)可插拔光模塊（如QSFP-DD）的關(guān)鍵區(qū)別在于：光引擎被從設(shè)備前面板移出，并放置在高性能計(jì)算芯片（ASIC）的附近，通過(guò)極短的高密度互連（如硅中介層、硅光平臺(tái)）進(jìn)行連接，從而顯著減少尺寸、功耗和延遲。

1.2 為什么需要CPO？——核心驅(qū)動(dòng)力：功耗與帶寬墻
隨著AI/ML、HPC、云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心流量的爆炸式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)可插拔光模塊的功耗和帶寬密度即將達(dá)到極限。特別是用于CPO的交換芯片ASIC的功耗已超過(guò)800W，其SerDes（串行器/解串器）部分的功耗占比高達(dá)30%-50%。將高速電信號(hào)傳輸?shù)角懊姘宓墓饽K需要經(jīng)歷長(zhǎng)距離的PCB走線，這會(huì)帶來(lái)巨大的信號(hào)完整性問題和高功耗。CPO通過(guò)將光互連緊靠ASIC，極大地縮短了高速電通道的長(zhǎng)度，從而大幅降低功耗（可降低~30-50%）、提高帶寬密度、降低單位比特成本并減少延遲。

第二部分：CPO封裝工藝全流程詳解

CPO的封裝流程極其復(fù)雜，涉及硅光、先進(jìn)封裝、高頻/高頻熱設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域的融合。其核心流程可概括為以下幾個(gè)關(guān)鍵階段：

流程總覽圖:
[光芯片/電芯片制備] -> [基板/中介層制備] -> [芯片貼裝與互連] -> [光學(xué)耦合與對(duì)準(zhǔn)] -> [封裝與散熱] -> [測(cè)試與老化]

2.1 光芯片與電芯片制備

• 光芯片 (Optical Chip):

• 主流技術(shù)路徑： 硅光（SiPh）和III-V族（如InP）材料體系。硅光因其CMOS工藝兼容性、高集成度和低成本潛力成為主流選擇。

• 制備： 在硅晶圓上通過(guò)光刻、蝕刻、沉積等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作光波導(dǎo)、調(diào)制器、光電探測(cè)器（PD）、光柵耦合器或邊緣耦合器等元件。

• 光源： 硅本身不發(fā)光，因此需要外部光源。目前主流方案是通過(guò)異質(zhì)集成將III-V族材料制成的外置激光器（通常封裝在單獨(dú)的激光芯片上）的光耦合到硅光芯片中。

• 電芯片 (Electrical Chip):

• 核心： 高性能計(jì)算ASIC（如交換機(jī)ASIC、AI加速器）。這些芯片通常采用最先進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)（如5nm、3nm）制造，集成數(shù)百個(gè)高速SerDes通道。

• 關(guān)鍵特性： 需要針對(duì)CPO進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，例如優(yōu)化SerDes架構(gòu)（可能采用更低功耗的NRZ或PAM4調(diào)制）、布局以方便與光引擎連接。

2.2 基板/中介層 (Substrate/Interposer) 制備
這是實(shí)現(xiàn)高密度電互連的基石。

• 材料： 硅中介層（Silicon Interposer）、玻璃基板、或具有再布線層（RDL）的有機(jī)基板。

• 工藝： 在基板上通過(guò)半導(dǎo)體工藝制作硅通孔 (TSV) 和高密度走線。TSV用于實(shí)現(xiàn)基板上下表面的垂直互連，而微米級(jí)的走線用于連接ASIC的凸點(diǎn)（Bump）和光引擎的凸點(diǎn)。

• 功能： 充當(dāng)ASIC和光引擎之間的“高速公路”，提供數(shù)千條超短、低損耗的電連接通道。

2.3 芯片貼裝 (Die Attachment) 與互連 (Interconnection)
這是將不同芯片集成到基板上的關(guān)鍵步驟。

• 貼裝： 使用高精度取放設(shè)備（Pick & Place）將ASIC芯片和光引擎芯片（可能是一個(gè)或多個(gè)）貼裝到基板的指定位置。

• 互連技術(shù)：

• 主流： 混合鍵合 (Hybrid Bonding) 和 微凸塊 (Microbumps)。

• 混合鍵合： 是前沿技術(shù)，直接通過(guò)銅-銅鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與基板的連接，間距可小于10μm，提供了最高的互連密度和帶寬，但工藝難度和成本極高。

• 微凸塊： 目前更成熟的技術(shù)，使用微小的焊料凸點(diǎn)進(jìn)行連接，間距通常在35-55μm范圍。

2.4 光學(xué)耦合與對(duì)準(zhǔn) (Optical Coupling & Alignment)
這是CPO工藝中最難、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，直接決定光鏈路性能。

• 挑戰(zhàn)： 將來(lái)自外部激光器或光纖的光高效地耦合到微米級(jí)別的硅光波導(dǎo)中。

• 耦合方式：

• 邊緣耦合 (Edge Coupling): 光纖對(duì)準(zhǔn)芯片側(cè)面。耦合效率高，但對(duì)準(zhǔn)精度要求極高（亞微米級(jí)），且不適合晶圓級(jí)測(cè)試。

• 光柵耦合器 (Grating Coupler): 光纖從芯片上方垂直對(duì)準(zhǔn)光柵。放寬了對(duì)準(zhǔn)精度要求（±2.5μm），便于晶圓級(jí)測(cè)試和封裝，但會(huì)引入較大損耗和波長(zhǎng)敏感性。

• 對(duì)準(zhǔn)與固定： 使用主動(dòng)或被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，找到最大光功率傳輸點(diǎn)，然后用紫外（UV）膠水或激光焊接永久固定。這是一個(gè)高精度、耗時(shí)的過(guò)程。

2.5 封裝與散熱 (Packaging & Thermal Management)

• 封裝： 將集成好的模塊密封在一個(gè)保護(hù)外殼內(nèi)，提供機(jī)械保護(hù)、環(huán)境隔離和電氣接口。需要充分考慮射頻信號(hào)和光信號(hào)的屏蔽。

• 散熱： CPO的最大挑戰(zhàn)之一。ASIC和激光器都是巨大的熱源，而硅光器件（如調(diào)制器）的性能對(duì)溫度極其敏感。必須采用先進(jìn)的散熱解決方案，如微通道液冷（Microchannel Liquid Cooling）、均熱板（Vapor Chamber）和定制散熱器，將熱量高效地從芯片內(nèi)部帶走，并維持整個(gè)模塊的溫度穩(wěn)定。

2.6 測(cè)試與老化 (Testing & Burn-in)

• 挑戰(zhàn)： CPO模塊集成后，傳統(tǒng)的芯片級(jí)測(cè)試（如探針卡測(cè)試）無(wú)法進(jìn)行，幾乎所有測(cè)試都必須在封裝后進(jìn)行。

• 方法： 需要開發(fā)全新的測(cè)試策略和接口，通過(guò)基板上的測(cè)試點(diǎn)或?qū)Ｓ媒涌?，同時(shí)對(duì)電功能和光功能進(jìn)行測(cè)試。老化測(cè)試用于篩選早期失效產(chǎn)品，確?？煽啃?。

第三部分：核心市場(chǎng)應(yīng)用發(fā)展情況分析

CPO并非萬(wàn)能技術(shù)，其應(yīng)用由極高帶寬和極低功耗的需求驅(qū)動(dòng)。

3.1 核心應(yīng)用市場(chǎng)

1. 超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心與云網(wǎng)絡(luò) (Hyperscale Data Centers & Cloud Networking):

• 應(yīng)用場(chǎng)景： 數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（AI/ML集群互連、Spine-Leaf交換機(jī)互連）、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）。

• 驅(qū)動(dòng)力： AI訓(xùn)練（如萬(wàn)億參數(shù)模型）需要成千上萬(wàn)個(gè)GPU高速互聯(lián)（NVLink, InfiniBand），交換機(jī)端口速率正從800G向1.6T、3.2T演進(jìn)，傳統(tǒng)可插拔模塊的功耗和密度已無(wú)法滿足。CPO是下一代交換機(jī)的必然選擇。微軟、谷歌、Meta、亞馬遜等云巨頭是主要推動(dòng)者。

2. 高性能計(jì)算 (HPC) 與人工智能 (AI):

• 應(yīng)用場(chǎng)景： 國(guó)家級(jí)超算中心、企業(yè)級(jí)AI計(jì)算集群。用于連接計(jì)算節(jié)點(diǎn)、加速卡和存儲(chǔ)單元。

• 驅(qū)動(dòng)力： 解決“帶寬墻”和“功耗墻”，確保計(jì)算資源不被數(shù)據(jù)傳輸瓶頸所拖累。

3. 特定電信網(wǎng)絡(luò) (Telecom):

• 應(yīng)用場(chǎng)景： 未來(lái)6G基站的前傳/回傳網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)路由器。

• 現(xiàn)狀： 相對(duì)于數(shù)據(jù)中心，電信領(lǐng)域?qū)煽啃?、環(huán)境適應(yīng)性和成本的要求更苛刻，CPO的滲透會(huì)晚于數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)。

3.2 市場(chǎng)格局與主要玩家

• 交換機(jī)芯片廠商: 博通 (Broadcom)、Marvell 是領(lǐng)導(dǎo)者，均已推出支持CPO的交換機(jī)ASIC和參考設(shè)計(jì)。

• 光模塊/器件廠商: 思科（Acacia）、Intel（其硅光技術(shù)已出售給Jabil）、Coherent（原II-VI）、Source Photonics、華為、中興、亨通光電、中際旭創(chuàng) 等都在積極研發(fā)CPO光引擎和解決方案。

• 代工與封測(cè)廠: 臺(tái)積電 (TSMC)、英特爾 在先進(jìn)封裝（如CoWoS, EMIB）方面提供支持。日月光 (ASE) 等傳統(tǒng)封測(cè)廠也在積極布局。

• 最終用戶: 微軟、谷歌、Meta等云計(jì)算巨頭是核心用戶和標(biāo)準(zhǔn)制定者（如COBO, OIF）。

3.3 發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

• 發(fā)展趨勢(shì):

• 技術(shù)融合： CPO是硅光技術(shù)、先進(jìn)封裝（2.5D/3D）、和CMOS工藝融合的終極體現(xiàn)。

• 標(biāo)準(zhǔn)制定： 行業(yè)組織（如OIF、COBO）正在加速制定CPO的共同標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)生態(tài)發(fā)展和互操作性。

• 從“Co-packaged”到“On-package”： 未來(lái)光引擎可能通過(guò)更緊密的方式（如3D堆疊）直接集成在ASIC封裝之上。

• 主要挑戰(zhàn):

• 高成本： 目前研發(fā)和制造成本極高，需要巨大的出貨量來(lái)攤薄。

• 技術(shù)復(fù)雜性： 光學(xué)耦合、散熱、測(cè)試和可靠性都是巨大挑戰(zhàn)。

• 供應(yīng)鏈與生態(tài)： CPO顛覆了傳統(tǒng)的光模塊供應(yīng)鏈，需要芯片廠商、光器件廠商、代工廠、系統(tǒng)廠商深度合作，建立新的生態(tài)系統(tǒng)。

• 可維護(hù)性/可修復(fù)性： CPO模塊損壞可能需要更換整個(gè)板卡，而非像可插拔模塊那樣只需更換一個(gè)模塊，這對(duì)運(yùn)維提出了新要求。

3.4 發(fā)展時(shí)間線

• 2023-2025年： 技術(shù)驗(yàn)證和小規(guī)模試點(diǎn)部署階段。主要應(yīng)用于超算和頂級(jí)AI集群。

• 2026-2028年： 開始規(guī)模商用，成為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心1.6T/3.2T交換機(jī)的主流技術(shù)。

• 2028年以后： 隨著技術(shù)成熟和成本下降，向更廣泛的數(shù)據(jù)中心和電信市場(chǎng)滲透。

第四部分：總結(jié)

共封裝光學(xué)（CPO）是應(yīng)對(duì)后摩爾時(shí)代數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的顛覆性技術(shù)。它通過(guò)將光互連極致地靠近計(jì)算核心，從根本上解決了功耗和帶寬密度問題。其封裝工藝是半導(dǎo)體先進(jìn)封裝和硅光技術(shù)的集大成者，復(fù)雜度極高。

目前，CPO正處于從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模商用的前夜，其核心驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于AI革命對(duì)算力網(wǎng)絡(luò)的極致要求。雖然面臨成本、技術(shù)和生態(tài)的挑戰(zhàn)，但其在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和HPC/AI領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常明確。未來(lái)幾年，我們將看到CPO技術(shù)逐步成熟并成為高速互連領(lǐng)域的新基石。

共封裝光學(xué)CPO封裝芯片清洗劑介紹：

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(zhǎng)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(zhǎng)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(rùn)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(lái)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(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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主營(yíng)產(chǎn)品包括：集成電路與先進(jìn)封裝清洗材料、電子焊接助焊劑、電子環(huán)保清洗設(shè)備、電子輔料等。

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