Rain Tree Photonics：6.4T晶圆级玻璃通孔3D封装硅光CPO光引擎

一、研究背景与目标

◆ 需求驱动：数据中心流量的指数级增长及AI/ML模型复杂度提升，对高带宽、低延迟光连接的需求激增，现有光可插拔模块难以满足未来数据速率需求，亟需先进硅光子封装技术。

◆ 核心目标：提出异构集成平台，实现电子与光子芯片的无缝共封装，提供高性能、可扩展、节能的光互连解决方案，适配超大规模AI/ML集群、高性能计算（HPC）及超算数据中心。

二、6.4T光引擎核心特性

1. 基本性能

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◆ 总带宽6.4Tbps，基于硅光MZM调制器，单通道速率224Gbps，可扩展至448GbpsRain Tree Photonics：400G/lane 硅光行波MZ调制器的可行性；

◆ 封装尺寸15mm×12.45mm，集成1个光子集成电路（PIC）和8个电子集成电路（EICs）。

2. PIC细节

◆ 尺寸9.1mm×10.5mm，含32个行波马赫-曾德尔硅调制器和32个锗光电探测器；

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◆ 射频电光/光电器件带宽超50GHz，采用112GBaud PAM-4调制，调制器TDECQ为1.78dB。

3. 封装与互连技术

◆ 3D封装设计：集成玻璃基离散预制细间距过孔（TGV）作为封装互连，实现超低损耗信号传输；

◆ 制造工艺：通过300mm晶圆重构成型工艺将PIC与TGV嵌入环氧模塑料（EMC），采用芯片优先的扇出晶圆级封装（FOWLP）流程，支持前后端重分布层（RDL）加工及细间距布线。正面包括布线金属层和用于EIC键合焊盘的凸点下金属层。正面RDL层处理后，通过背面研磨将晶圆减薄至200μm，并键合到临时载体上进行背面RDL层处理。背面重新分布层包括一个布线金属层和用于焊球的凸点下金属化焊盘。然后，沿着深沟槽切割晶圆，露出端面耦合器，之后再与EIC组装。工艺细节参考这篇：雨树光科 & A*STAR：基于扇出晶圆级封装(FOWLP)的1.6T硅光CPO光引擎

三、封装设计优化

1. 高带宽互连优化

◆ TGV优势：玻璃通孔（TGV） 介电特性优异，机械强度高，支持125μm细间距布线，减少高频信号损耗；

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◆ 互连性能：EIC与PIC通过μBump直接连接（125μm pitch），56GHz/112GHz插入损耗仅0.053dB/0.094dB；EIC至基板的224Gbps/448Gbps PAM4仿真信号眼图清晰，验证了高速传输能力；

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◆ 对比四种封装互连（TSV、TGV、TMV、基板基过孔），TGV在28GHz插入损耗低至0.049dB，性能接近低损耗的TMV和基板基过孔。

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2. 机械可靠性

◆ 封装翘曲：进行了热-机械建模，以评估封装翘曲、C4（可控塌陷芯片连接）焊点可靠性和微凸点焊点寿命。创建了一个半对称模型，以175°C为无应力参考温度来估计封装翘曲。研究了采用两种玻璃过孔的光引擎封装——一种由高纯度熔融石英玻璃制成，另一种由ABS玻璃制成。两种光引擎版本的翘曲度相对较低，采用高纯度熔融石英玻璃基TGV封装的翘曲约为10μm，采用ABS玻璃基则约为15μm（图8）。

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◆ 焊点寿命：C4焊点（250μm pitch）在-40~125℃热循环下，微凸点焊点寿命超1300次，满足可靠性要求。采用高纯度熔融石英玻璃的封装的最小焊点寿命确定为1413次循环，采用ABS玻璃的封装为1044次循环，均超过了JEDEC标准要求的1000次循环。

      与ABS相比，具有超低热膨胀系数（CTE）的高纯度熔融石英玻璃封装表现出更优异的C4焊点寿命和更低的封装翘曲度。另一方面，采用微凸点焊点并带有底部填充用于基板互连的光引擎封装变体，在采用高纯度熔融石英或ABS基玻璃过孔时，预计可实现超过2500次热循环的可靠性。

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3. 热性能

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◆ 热仿真显示，25°C的气流温度、5m/s和10m/s的气流速度下，采用10mm翅片高度的散热器时光引擎的芯片顶面温度。在10m/s的气流速度下，PIC的温度可以维持在65°C或更低，因此不会对其性能产生不利影响。

四、结论

       该晶圆级异构集成光引擎通过3D封装、TGV细间距互连及FOWLP工艺，实现了高带宽（6.4Tbps）、低损耗、高可靠性的光互连。相比2.5D中介层和3D-TSV技术，具有成本效益高、可扩展性强的优势，适用于高性能计算、AI集群及超大规模数据中心，为未来更高速率需求提供了解决方案。