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随着AI数据中心对网络带宽和能效的要求不断提高，共封装光学（CPO）正在从实验室验证走向商业化部署。
过去，产业讨论CPO时，关注的重点主要是光电集成、传输带宽、功耗以及光引擎与交换芯片之间的互连距离。但当CPO开始进入实际产品和规模化生产阶段，另一个问题也逐渐浮现：如何把优秀的光学性能，真正转化为可以稳定制造、测试和交付的系统？
SemiWiki近日发表的一篇文章指出，CPO接下来面临的核心挑战，已经不只是光学器件本身的性能，而是整个系统的制造能力。光学对准、封装工艺、热管理、机械稳定性、测试以及良率，这些过去可能分别属于不同环节的问题，如今正在CPO封装内部相互交织。
这也是CPO从技术演示走向大规模商业化必须跨过的一道门槛。
CPO改变的不只是信号传输路径
传统可插拔光模块的工作方式，是高速电信号先从交换芯片出发，经过PCB上的电气走线，再抵达光模块完成电光转换。随着交换芯片带宽不断提升，这段电气传输路径开始成为系统功耗和信号完整性的限制因素。
高速电信号在PCB上传输时，会受到插入损耗、信号反射等因素影响，需要额外的均衡处理，也会带来更多功耗。尤其当交换芯片向更高带宽演进时，传统可插拔光模块架构所面临的电气互连压力越来越大。
CPO的思路，就是将光电转换环节尽可能靠近交换芯片，把原本较长的电气传输路径缩短，从而降低信号损耗和互连功耗，同时提高系统的带宽密度。
目前，博通和英伟达都在积极推进这一方向。博通已经展示了基于CPO技术的51.2Tbps交换平台，英伟达则在推进高密度光子交换平台，将硅光引擎与交换系统进行紧密集成。
从技术路径来看，CPO的优势已经比较明确。但问题在于，光引擎一旦被集成到交换芯片封装内部，制造难度也会随之发生变化。
过去，光模块可以相对独立地完成制造、测试和筛选，出现问题时也可以单独处理。而在CPO架构下，光引擎、交换芯片、封装基板、光纤连接以及散热结构之间的关系更加紧密。任何一个环节出现偏差，都可能影响整个系统的性能。
换句话说，CPO不仅需要制造出性能合格的光引擎和交换芯片，还需要确保这些组件组装在一起之后，依然能够保持设计时的光学、电气和热学性能。
博通、英伟达、IBM，
走出了不同的集成路线
SemiWiki文章重点分析了博通、英伟达以及IBM Research的几种不同技术思路。它们并不是在采用完全相同的封装方案，而是在尝试解决同一个问题：如何在实现高带宽光电集成的同时，控制物理接口和制造过程的复杂性。
先看博通。
博通的Bailly CPO平台，将8个基于硅光技术的光引擎与Tomahawk 5交换ASIC集成在一起，实现了51.2Tbps的交换容量。
这套方案的核心思路，是尽可能缩短交换芯片与光引擎之间的高速电气连接距离，减少传统可插拔光模块架构中较长的PCB走线，从而提升电气效率和光互连带宽密度。
但这种高度集成也意味着，光引擎的安装、封装内部的热行为、电气连接以及光纤耦合，都成为一个相互关联的制造过程。光引擎和交换芯片即使各自满足性能要求，组装完成后也不一定能够保证整个系统达到预期指标。
因此，博通这条路线虽然在性能上具有明显优势，但对封装组装良率、过程稳定性以及检测能力提出了更高要求。
英伟达的思路则有所不同。
其Spectrum-X Ethernet Photonics架构同样采用多芯片模块，将硅光引擎集成到封装基板上，但在光纤连接环节保留了可拆卸接口。
这一设计有一个值得关注的地方：光引擎可以通过适配焊料回流的工艺与封装基板连接，而光纤的安装则被安排在后续制造阶段。
这样做的好处是，可以先对光引擎进行筛选，再完成光纤连接，并且有机会将光纤安装过程独立出来进行自动化处理，避免光纤连接过早进入前面的复杂制造流程。
需要注意的是，这种设计并不意味着光引擎本身可以像传统可插拔光模块一样在现场随意更换，而是通过保留部分制造接口，让不同的组装环节能够更加灵活地安排。
IBM Research则从另一个角度进行探索。
其研究涉及聚合物光波导以及CPO模块组装工艺，重点考察不同的组装顺序。例如，可以先将光子集成电路（PIC）与聚合物光波导连接，再进行其他模块组装；也可以将光学接口的引入安排在后续阶段。
这种研究的意义在于，光学集成并不一定只有一种固定的制造顺序。不同的光波导结构、封装基板以及接口设计，可以对应不同的工艺路线。
当然，聚合物光波导也需要解决粘附性能、耦合损耗、材料稳定性、尺寸控制以及与焊料回流等后续工艺的兼容性问题。目前这些研究更多是在验证技术可行性和潜在制造方法，距离商业化生产的经济性验证仍有一段距离。
从这三种思路可以看出，CPO的制造架构正在出现一个值得关注的趋势：并不是所有部分都必须追求最大程度的永久集成。适当保留一些可以独立测试、组装的接口，反而可能有利于提高整体制造效率和良率。
光学对准，成为制造环节的关键考验
在CPO制造过程中，光学对准是一个非常典型的难题。
光信号要在不同光学器件之间高效传输，必须确保光学结构的位置和方向足够精确。无论是横向偏移、垂直间距，还是角度上的微小变化，都可能导致耦合效率下降，增加光学损耗。
不同的光学耦合方式，对精度的要求也不一样。例如边缘耦合、光栅耦合、扩束结构以及波导耦合，各自都有不同的定位和尺寸控制要求。
更麻烦的是，初始对准成功，并不意味着完成封装后依然能够保持同样的光学性能。
在实际制造过程中，胶黏剂固化可能造成位置偏移，温度变化可能引起封装结构形变，基板翘曲以及不同材料之间热膨胀系数的差异，也可能改变光子器件与光纤接口之间的相对位置。
这就带来了一个工艺上的两难选择。
如果采用先光学集成、后封装的方式，虽然可以获得更大的设计和组装空间，但已经完成的光学接口可能需要承受后续焊接、热处理等工艺带来的影响。
如果选择最后再进行光学集成，虽然可以减少部分前道工艺对光学接口的影响，但此时封装结构已经基本成形，操作空间和对准条件可能更加受限。
至于主动对准和被动对准，也各有优劣。被动对准依赖器件本身的几何尺寸和制造公差，如果前期尺寸控制足够精准，就有机会提高组装效率。主动对准则可以借助光学反馈，对部分位置偏差进行补偿，但需要额外的设备、测试时间和操作成本。
因此，CPO制造真正需要解决的，并不只是把光引擎准确地放到指定位置，而是要确保它在完成整个封装流程、经历温度变化以及长期工作之后，仍然能够保持稳定的光学性能。
良率与测试，
决定CPO能否真正规模化
除了光学对准，良率也是CPO商业化过程中绕不开的问题。
SemiWiki文章举了一个比较直观的例子：假设一个封装系统需要完成8个关键光学集成操作，每个操作的合格概率都是99%，如果这些操作相互独立，并且每一个都必须通过，那么整个系统的最终合格概率只有约92.3%。
这个例子是用于说明问题的假设性计算，并不代表实际CPO产品的良率数据。但它揭示了一个重要现象：单个工艺环节看起来已经拥有很高的良率，并不意味着最终组装完成的系统也能达到同样水平。
而且，缺陷在什么时候被发现，直接关系到制造成本。
如果一个光引擎在进入封装之前就被检测出问题，那么制造商只需要淘汰这个光引擎，不至于影响后续的高价值交换芯片和封装组件。
但如果缺陷直到光引擎与交换芯片完成永久性连接之后才被发现，损失就可能大得多。此时受到影响的可能不仅是光引擎本身，还包括封装基板、交换芯片相关组装环节、散热结构以及已经完成的测试工序。
因此，CPO需要重新考虑不同制造阶段的检测边界，尽可能在高价值组件完成最终集成之前发现问题。
这也让设计可测试性（DFT）变得更加重要。
传统电子芯片可以通过电气探针、扫描链以及功能测试等方式进行检测，但光子器件的测试要复杂得多。光学测试可能需要精确的光纤或探针定位、光源、波长控制、经过校准的接收器，以及稳定的光学耦合环境。
而且，并不是所有光学性能都能够在晶圆阶段完成验证。有些特性需要等到电子集成电路（EIC）与光子集成电路（PIC）完成集成之后才能准确测量，还有一些则需要在外部光纤接口安装完成，或者达到特定工作温度后才能验证。
这就要求CPO设计阶段提前考虑几个问题：PIC能否在与EIC连接之前独立测试？光引擎能否在进入交换芯片封装之前完成筛选？光纤永久连接之前，能否测量光学耦合性能？最终测试又能否区分电气故障和光学对准故障？
这些问题不仅影响测试设备的选择，也会反过来影响封装结构和制造流程。
如果一个封装方案虽然能够实现优秀的光学性能，但测试接口难以接近、测试时间过长，或者测试结果难以重复，那么随着产量增加，制造成本就可能成为新的障碍。
总结
从上述分析来看，CPO正在进入一个新的发展阶段。
早期产业关注的是如何把光引擎放到交换芯片旁边，解决高速电气互连带来的功耗和带宽瓶颈。如今，随着博通、英伟达等厂商持续推进相关产品，CPO的竞争焦点正在进一步向封装集成、制造工艺和规模化生产能力延伸。
这里面有一个很重要的变化：CPO并不是简单地把传统光模块搬进芯片封装，而是重新定义了电子芯片、光子器件、光纤、封装基板以及散热结构之间的关系。
每一个接口都可能同时涉及电气、光学、热学和机械性能。某个环节的工艺调整，可能改善一种性能，却影响另一种性能。真正成熟的CPO方案，需要在设计之初就把这些因素放在一起考虑。
因此，未来CPO的竞争，恐怕不只是看谁的光引擎带宽更高、功耗更低，还要看谁能够把光学对准、封装组装、过程检测和最终良率控制得更好。
实验室里做出一个高性能CPO样品，并不意味着已经具备规模化制造能力。能够在不同批次、不同设备和不同生产条件下，持续制造出性能稳定、成本可控的产品，才是真正的产业化门槛。
这或许才是CPO从技术突破走向大规模商业应用时，最值得关注的下一场较量。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
END
今天是《半导体行业观察》为您分享的第4587期内容，欢迎关注。
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