硅光与CPO的稳健制造：行业全链条技术协同与挑战解析

一、行业背景与核心挑战

在人工智能技术爆发的背景下，数据中心面临前所未有的流量压力。现有基础设施无法承载AI驱动的超大规模数据传输需求，物理层技术成为瓶颈。集成光学PIC因其高带宽、低功耗特性被视为关键解决方案，但行业面临从设计、制造到封装测试的全链条挑战：技术碎片化、规模化制造可靠性不足、成本控制与标准化缺失。该研讨会汇聚产业链上下游企业，围绕“稳健制造”展开技术协同探讨。

二、先进光子学联盟（APC）：生态协同与标准构建

APC由Jeffery Maki领导，成员涵盖IBM、Global Foundries、Dupont等头部企业，下设四大技术工作组：

1. 硅光子学制造工作组（IBM公司 Julie Adams主导）：聚焦低成本晶圆级制造技术，推动硅光子工艺与AI互联需求匹配。

2. 多芯光纤工作组（Fujikura/AFL公司 Nickhil Angra主席）：开发多芯光纤技术，材料消耗减少75%，目标应用于收发器及共封装光学（CPO），相关技术章程进入成员投票阶段。

3. 核心封装光学（CPO）工作组（ColorChip 公司 Bryan Hall主导）：针对CPO技术落地挑战，推动生态系统驱动的标准化，减少封装方案差异化。

4. 光波导互连系统工作组（Hirose公司 Joshua Kim主导）：研究光子替代铜互连技术，重点突破AI硬件中的信号传输效率瓶颈。

APC致力于构建“生态系统驱动的标准”，核心包括：多芯光纤接口规范、CPO电气/光学互连协议、硅光子与电子芯片协同设计规则。例如，多芯光纤工作组正定义可落地的行业解决方案，目标降低新技术导入壁垒，实现跨厂商兼容。

三、硅光子学制造：Global Foundries的平台化技术路径

（一）GF Photonix平台技术特性

Global Foundries推出的GF Fotonix平台具备高度灵活性，支持两种集成架构：

- 单片集成：将射频集成电路（RFC）与光子器件集成于单一芯片，适用于高性能计算场景。

- 异质集成：支持独立电子芯片（EIC）与光子芯片的混合封装，满足多样化系统设计需求。

平台提供“快/慢 宽/窄”可选的器件库，适配横向扩展（高速 窄带）与纵向扩展（低速 宽带）网络架构，并支持永久固定与可拆卸式光纤连接方案，通过晶圆级工艺优化良率。

（二）晶圆级工艺优化

- 全流程晶圆处理：在晶圆级完成电镀、TSV（硅通孔）、光纤耦合（如V型槽技术）及电光测试，通过早期良率筛选降低后续封装成本。

- 生态协同制造：与EDA工具商、激光器供应商、光纤组件厂商深度合作，构建从设计到制造的完整链条。Vikas Gupta（Global Foundries）强调：“硅光子学的规模化依赖产业生态构建而非单一企业突破。”

四、先进封装技术：IBM的CPO创新与挑战

（一）3D封装技术架构与高密度集成实践

IBM凭借其在半导体先进封装领域的深厚积累，构建了覆盖“研发-制造-测试”的全流程技术体系：

- 2.5D/3D封装基础设施： IBM Albany研发中心具备300mm晶圆级2.5D/3D封装能力，支持C4 μbump键合、RDL工艺及热特性分析。通过硅中介层（Silicon Interposer）实现光子芯片与ASIC的异构集成，满足AI芯片对紧凑架构的需求。

- 光学互连技术突破： 在共封装光学（CPO）场景中，IBM采用多层聚合物波导扇出，实现最高能达到128通道/连接器的高密度光学互连，较传统方案提升6倍带宽密度（51fiber/mm）OFC 2025：IBM开发应用于CPO的高密度聚合物波导光子模块。

（二）供应链本地化与制造能力升级 - 北美本土供应链布局：

IBM在纽约州Bromont的封装工厂建立了100%北美供应链，涵盖硅片制造、光子器件封装、测试全流程。

- 自动化封装工艺： 采用视觉对准系统（精度达±1μm）与Pick-and-Place机器人，实现光子芯片与电子芯片的全自动键合。在光纤阵列安装环节，通过激光焊接技术将单模块封装时间缩短至5分钟以内，较人工操作效率提升80%。 （三）测试技术瓶颈与标准化探索

- 多阶段测试体系： 1. 晶圆级测试：使用探针台同步测试电信号（如眼图）与光信号（如功率、光谱），单次测试时间＜5分钟。

2. 模块级测试：开发集成化测试夹具，支持128通道并行电光测试，通过内置自测试（BIST）技术实现故障定位。 3. 系统级老化测试：在85℃/85%RH环境下进行1000小时可靠性验证，目标失效率（FIT）<100 FITs。

- 标准化诉求： IBM呼吁建立CPO接口的“三统一”标准： 1. 电气接口：统一UCIe协议下的高速信号引脚定义（如TX/RX差分对阻抗控制）； 2. 光学接口：规范V型槽光纤阵列的机械尺寸（如槽深/宽度公差±5μm）与耦合效率（>85%）； 3. 测试协议：制定跨厂商兼容的测试与校准流程，减少夹具定制等重复开发成本。

五、规模化制造：Jabil与Ayar Labs的关键支撑

（一）Jabil的制造能力与成本控制

作为全球领先的合同制造商，Jabil的CPO制造流程涵盖：

- 全链条工艺：从晶圆切割、研磨、测试到Flip Chip键合、光纤阵列安装及模块级测试，马来西亚工厂支持大规模量产。

- 良率与效率优化：引入自动化设备（如六轴机器人贴片机），单芯片光纤对准时间从10分钟缩短至 30秒，单位小时产能（UPH）提升至传统工艺3倍。通过可制造性设计（DFM）优化环氧树脂配方（玻璃化转变温度Tg＞150℃）和光纤槽道设计，将初始良率从 50% 提升至 92%，后期通过统计过程控制（SPC）稳定在95%以上。开发LC-Duplex兼容的标准化插座，支持热插拔光纤阵列，模块现场更换时间＜15分钟，适配数据中心快速维护需求。

（二）Ayar Labs的光学chiplet技术突破

Ayar Labs今年在OFC上展示全球首款光学赋能UCIe chiplet，实现 8 Tb/s全双工通信，采用电芯片（EIC）与光子芯片（PIC）单片集成架构，内置多波长光源，支持波分复用（WDM）技术。 - 生态合作方向： - 与代工厂合作优化硅光子工艺（如降低波导损耗），与OSAT厂商探索玻璃中介层封装技术。

- 强调“已知良好裸片（KGD）”的重要性，推动晶圆级测试技术与先进封装的早期协同。

- 标准化协作：作为UCIe联盟成员，推动光学chiplet接口与电气协议标准化，兼容CPO及异构集成架构。

六、测试技术：Teradyne与Quantifi Photonics的解决方案

（一）晶圆级与系统级测试方案

Teradyne与Ficontec开发双面对准测试平台，支持：

- 电光协同测试：在晶圆级同步完成电学信号（如高速SerDes）与光学参数（光功率、波长稳定性）测试，通过Ficontec等合作伙伴的基于机器视觉的光纤-晶圆对准技术，对准精度达±2μm，将光纤耦合时间从分钟级缩短至秒级。

- 可靠性验证：模拟数据中心高温环境，通过老化测试（Burn-in）筛除早期失效器件，确保封装件在复杂工况下的长期稳定性。

（二）自动化与技术整合

通过收购Quantifi Photonics，Teradyne将光子学测试仪器深度集成至传统电学测试平台，开发“光电子一体化测试流程”。支持光功率、消光比等20+参数同步测试，单次全检时间＜5分钟。

七、总结：生态协同与标准化的破局路径

本次研讨会揭示，光子集成电路的稳健制造依赖全产业链协同：从APC的标准制定、Global Foundries的晶圆制造、IBM/ Ayar Labs的先进封装，到Jabil的规模化生产与Teradyne的测试方案，各环节需紧密联动。行业共识指出，当前最紧迫的任务是：

1. 推动光学/电气接口标准化，降低跨厂商集成成本；

2. 建立全流程测试协议，确保从晶圆到系统的可靠性可追溯；

3. 通过自动化工艺与生态协作，实现规模化制造下的成本优化。

会议总结认为单一企业无法掌握完整解决方案，唯有生态协同才能满足AI时代对光子学‘可靠、高效、可扩展’的核心需求。随着CPO、多芯光纤等技术的成熟，光子集成有望成为数据中心物理层的核心基础设施，为人工智能的持续突破提供底层支撑。