Corning玻璃基板先进封装技术在CPO中的应用：从波导光互连到3D集成

      在2025年IEEE第75届电子元件与技术会议（ECTC）上，康宁公司的两个研究团队及其合作伙伴（Fraunhofer IZM等）发表了2篇关于玻璃基板先进封装的研究成果，聚焦CPO技术中的板级光互连与3D集成挑战。

论文一：Large-scale Glass Waveguide Circuit for Board-level Optical Interconnects between Faceplate and Co-packaged Optical Transceivers (发表单位：Corning NY，Fraunhofer IZM)

论文二：Advanced Glass Substrate Fabrication and Metallization Process Technology for Co-Packaged Optics (发表单位Corning Technology Center, Korea)

一、技术背景与需求

      共封装光学（CPO）通过将光学收发器与高性能电集成电路集成于同一模块，成为提升超级计算机和数据中心带宽密度与功率效率的关键方案，尤其适用于人工智能（AI）、机器学习（ML）等需处理大规模数据集的场景。当前，面板与CPO模块的互连依赖光学光纤，虽损耗低，但需额外空间进行路由和冗余管理，且随着带宽需求增长（如基于单波100G的102.4 Tbps交换机需1024条光纤），光纤管理复杂度急剧上升。

      玻璃基板因低介电常数、高平整度和厚度均匀性，在替代传统PCB和聚合物材料方面展现显著优势：既能支持高密度光互连，又可集成电互连结构（如重分布层RDL、玻璃通孔TGV），实现光-电协同封装，解决空间约束与信号损耗难题。

二、大型玻璃波导电路：面板级光互连的创新方案

      为替代光纤实现面板与CPO模块的高效互连，Corning NY与Fraunhofer IZM的研究团队首次制备了面板级扇出型玻璃波导电路，其设计、制造与性能如下：

1. 光路设计与结构参数

- 尺寸与布局：光波导板面积420 mm×255 mm，厚度0.7 mm，覆盖面板机架420 mm全宽及255 mm深度；中心预留75 mm×75 mm CPO区域，可容纳25 mm×25 mm EIC及周围16个光收发引擎（收发器间距9 mm）。

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- 波导配置：包含1024条单模波导，分为16组（每组64条），从面板连接到CPO区域。每组内侧16条波导采用250 μm间距（兼容标准MPO-16连接器），其余波导最小间距50 μm以提升密度。

- 测试结构：16组波导交叉后返回面板形成测试环路（含64个垂直交叉），并集成不同长度的波导测试结构（采用截断法评估损耗），波导最小弯曲半径40 mm。

2. 制造工艺与规模化

       基于康宁熔融玻璃基板，采用热离子交换（IOX）工艺实现面板级批量制造，流程如下：

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- 预处理：460 mm×303 mm玻璃面板经清洗后，溅射金属层并浸涂光刻胶，通过激光直写（LDI）定义波导图案。

- 离子交换：第一步在熔盐浴中完成银离子扩散形成波导芯层；第二步反向离子交换将芯层埋入玻璃表面下方，减少损耗并优化与康宁SMF-28® Ultra光纤的模式匹配。

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- 切割与边缘处理：采用康宁纳米穿孔激光切割技术（皮秒脉冲激光穿孔+机械/热应力分离），实现光学级边缘切割（速度达1 m/s），确保波导与光纤高效耦合。

3. 光学性能与接口集成

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- 传输损耗：1310 nm波长下测得损耗<0.1 dB/cm，通过玻璃成分与工艺优化可降至0.034 dB/cm（满足5年以上使用寿命）。

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- 连接器接口：面板侧采用标准MPO-16连接器，通过导销装配与适配器连接，平均耦合损耗0.5 dB，兼容现有光纤网络。

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- 系统集成：电路可集成于1U机架（厚度0.7 mm），并计划作为PCB的一层实现长期整合，大幅减少空间占用。

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三、3D玻璃基板封装：光-电协同集成技术

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      为实现CPO模块的高密度光-电协同封装，Korea Corning Technology Center研究团队开发了含腔体与玻璃通孔（TGV）的3D玻璃基板技术，核心突破如下：

1. 腔体与TGV制造

- 腔体加工：结合机械加工与湿法化学蚀刻（HF基溶液），在6英寸玻璃基板上制备盲孔腔体（深度75-85 μm）。通过调控蚀刻参数（浓度、时间、添加剂）与玻璃成分，腔体锥度比（深度/侧壁长度）可控制在0.1-0.6。

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- TGV形成：结合康宁TGV工艺，在腔体内制造高深宽比通孔（47 μm直径通孔适配75 μm深腔体，65 μm直径适配85 μm深腔体），实现腔体内外电互连。

2. 腔内RDL制备

      针对3D腔体结构，开发了适配的涂层与图案化技术，实现精细Cu电极制备：

- 金属化基础：通过物理气相沉积（PVD）溅射Ti（100-400 nm，增强附着力）和Cu（150-1000 nm，低电阻）作为种子层。

- 光刻胶涂覆：采用喷涂工艺替代传统旋涂（避免腔体侧壁堆积），通过优化喷涂次数（1-6次）、压力和流速，实现1.4-4.3 μm均匀光刻胶涂层（使用WPRTM光刻胶，需稀释以调控粘度）。

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- 图案化与蚀刻：通过LDI曝光优化（调控剂量、焦距）实现腔体内<5 μm线宽/间距的图案，经蚀刻形成Cu电极，尺寸与设计图案偏差极小。

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四、技术整合与应用演示

      两项技术通过协同设计实现CPO系统级集成：

- 光-电互连整合：玻璃波导光路负责面板与CPO模块的光互连，3D玻璃基板通过腔体容纳CPO芯片，TGV与RDL实现电信号传输，形成“光-电一体化”封装。

- 1U机架集成：演示了1U机架内玻璃波导电路与3D基板的装配，面板侧16个MPO适配器连接外部光纤，内部通过RDL与TGV完成信号分配，验证了0.7 mm低剖面与1024通道高密度的可行性。

五、结论

      康宁及其合作伙伴的研究实现了玻璃基板在CPO中的双重应用：

- 大型玻璃波导以0.1 dB/cm的低损耗、1024通道密度和0.7 mm厚度，解决了板级光互连的空间与管理难题；

- 3D玻璃基板通过腔体、TGV与<5 μm RDL，实现了光-电协同封装的高密度集成。

      未来通过进一步优化（如波导损耗降至<0.04 dB/cm、提升TGV深宽比），玻璃基板有望成为102.4 Tbps及更高带宽CPO应用的关键技术路径之一。