摘要：

在 5G、人工智能大模型及算力集群爆發(fā)式增長(zhǎng)的背景下，光模塊作為數(shù)據(jù)中心與通信網(wǎng)絡(luò)的核心傳輸載體，面臨著帶寬躍遷、功耗優(yōu)化和多維集成等核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)封裝工藝（如銀膠貼裝、共晶焊和熱壓鍵合）等逐漸暴露出精度不足、熱管理效率低下或高頻信號(hào)損耗高等瓶頸。激光輔助鍵合（Laser Assisted Bonding, LAB）技術(shù)憑借加工精度高、非接觸式局域加熱以及易結(jié)合高速閉環(huán)溫控系統(tǒng)和過(guò)程控制等優(yōu)勢(shì)，正重構(gòu)光模塊制造的技術(shù)邊界。本文系統(tǒng)解析光通信模塊的技術(shù)演進(jìn)路徑，深度探討 LAB 技術(shù)的核心價(jià)值及其在光模塊制造中的應(yīng)用前景。

一、光模塊技術(shù)演進(jìn)：

從Gbps到Tbps的四階躍遷

1. 第一代（1990s-2000s）：低速互聯(lián)與簡(jiǎn)單封裝。

20 世紀(jì)末到 21 世紀(jì)初，光模塊主要基于多模光纖與 LED 光源進(jìn)行通信，其傳輸速率通常不超過(guò) 1Gbps。封 裝 形 式 以 TO - CAN（Transmitter Optical Sub-Assembly） 為 主， 焊 接工藝則依賴(lài)手工焊錫或 Hotbar 技術(shù)。這一時(shí)期的光模塊主要應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)初期的局域網(wǎng)（LAN）與電信骨干網(wǎng)等領(lǐng)域。然而，由于技術(shù)和工藝的限制，當(dāng)時(shí)的光模塊存在體積龐大、集成度低等問(wèn)題，難以適應(yīng)后續(xù)通信技術(shù)對(duì)小型化和高性能光模塊的需求。

2. 第二代（2010-2015）：高速化與標(biāo)準(zhǔn)化封裝

進(jìn) 入 2010 年， 單 模 光 纖 與 VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）逐漸普及，光模塊的傳輸速率得到了顯著提升，達(dá)到 10G-40G。封裝技術(shù)也迎來(lái)了升級(jí)，SFP + / QSFP 封裝形式的應(yīng)用使端口密度提升了 4 倍。同時(shí)，倒裝芯片（Flip Chip）技術(shù)開(kāi)始被引入光模塊制造領(lǐng)域。但在這一時(shí)期，光模塊的制造仍主要采用銀膠貼裝工藝，其導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)有限，導(dǎo)致芯片結(jié)溫較高，影響光模塊的性能和可靠性 ；共晶高溫焊接工藝雖然能夠提供較好的連接強(qiáng)度，但容易導(dǎo)致基板翹曲，降低生產(chǎn)良率，并且對(duì)后續(xù)的校準(zhǔn)等工藝步驟產(chǎn)生不利影響。

3. 第三代（2016-2020）：硅光集成與 400G 時(shí)代

2016 年至 2020 年期間，硅光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光電子芯片與 CMOS 工藝的集成，推動(dòng)光模塊的傳輸速率突破至 400G，采用了 PAM4 調(diào)制與COB（Chip - on - Board）封裝技術(shù)。熱壓焊精度也提升至 ±10μm（無(wú)源對(duì)準(zhǔn)）。然而，這一時(shí)期光模塊制造仍面臨一些核心瓶頸 ：一方面，高頻信號(hào)損耗限制了 56Gbaud PAM4 性能的進(jìn)一步提升 ；另一方面，硅光耦合對(duì)準(zhǔn)精度要求極高，傳統(tǒng)工藝難以滿(mǎn)足這一要求，導(dǎo)致生產(chǎn)良率有限，制約了光模塊的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

4. 第四代（2021- 未來(lái)）：Tbps時(shí)代與多維集成革命

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光模塊正邁入 Tbps 時(shí)代，并迎來(lái)了多維 集 成 革 命。CPO（Co - Packaged Optics）技術(shù)將光引擎與 ASIC 芯片共封裝，使電鏈路縮短至毫米級(jí) ；LPO（線(xiàn)性可插拔光學(xué)）技術(shù)通過(guò)取消 DSP 芯片，降低了功耗約 30% ；此外，Chiplet 異構(gòu)集成技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)的更新給光模塊制造帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，例如熱堆積問(wèn)題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的散熱方案難以滿(mǎn)足散熱需求 ；信號(hào)完整性要求更高，對(duì)焊點(diǎn)尺寸精度的要求也更為嚴(yán)苛。

二、LAB技術(shù)：重構(gòu)光模塊鍵合工藝的三大維度

1. LAB 技術(shù)概述激光輔助鍵合

（Laser - Assisted Bonding, LAB）是一種先進(jìn)的材料連接技術(shù)，它利用激光作為熱源或能量源，實(shí)現(xiàn)材料間的高精度連接。LAB 技術(shù)結(jié)合了激光的高能量密度、局部加熱和快速控制特性，因此在微電子封裝、半導(dǎo)體器件制造、光電子集成等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其適用于對(duì)熱敏感或需要高精度定位的材料連接。

2. 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量 LAB 的關(guān)鍵因素

A) 光斑整形技術(shù) ：為了實(shí)現(xiàn)良好的激光輔助鍵合效果，通常需要將高斯光斑整形為平頂光斑（見(jiàn)圖 1）。這樣可以有效避免鍵合過(guò)程中局部能量過(guò)高而對(duì)芯片造成損傷。同時(shí)，要求光斑的能量分布具有較高的銳利度，即光斑邊緣需要非常陡峭，以最大程度地減少激光能量對(duì)芯片周?chē)骷蚧宓臒嵊绊懀ㄒ?jiàn)圖 2）。此外，光斑的大小和形狀應(yīng)盡量與芯片的大小相匹配，避免多余的激光對(duì)芯片產(chǎn)生不必要的影響。

圖1：高斯光斑整形為平頂光，均勻的表面，光斑邊緣陡峭

圖2：芯片周邊溫度影響的測(cè)試

B）高速閉環(huán)溫控 ：溫度（溫度曲線(xiàn)）對(duì)鍵合的質(zhì)量起到及其重要的影響（見(jiàn)圖 3）。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榧す馑俣确浅？?，能夠短時(shí)間產(chǎn)生巨大的能量，這就要求溫控能夠在極短時(shí)間響應(yīng)，建議頻率是能夠達(dá)到 10kHz 左右。另外，溫控的準(zhǔn)確性和重復(fù)性也非常重要，一般搭配的溫控主要是利用紅外輻射測(cè)溫，而紅外輻射容易受環(huán)境噪音等影響，這樣就要測(cè)溫系統(tǒng)具備高可靠性，能夠很好的處理這些信號(hào)，保證溫控的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。同時(shí)不同芯片的發(fā)射率也不一樣，溫控還需要能夠?qū)崟r(shí)的調(diào)整。最后，推薦采用同軸的激光頭，這樣能夠精密的將激光 / 溫控 / 視覺(jué)有機(jī)的結(jié)合在一起，達(dá)到更佳的使用效果（見(jiàn)圖 4）。

圖3：高速閉環(huán)溫控中的實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)

圖4：同軸激光頭

C） 過(guò)程控制 ：過(guò)程控制在激光輔助鍵合中具有重要意義。不同芯片的升溫速度（升溫曲線(xiàn)）、降溫速度（降溫 / 退火曲線(xiàn)）以及鍵合時(shí)間等要求各不相同，這就需要能夠?qū)崟r(shí)高效地對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制。結(jié)合 AI 等相關(guān)技術(shù)，可對(duì)相關(guān)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，提升鍵合質(zhì)量。

三、LAB 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的回流爐工藝相比，LAB 技術(shù)能夠適用于更薄、更密、更大的芯片（這也是未來(lái)先進(jìn)封裝的趨勢(shì)），同時(shí)鍵合品質(zhì)更高，熱應(yīng)力更小，對(duì)周邊環(huán)境無(wú)影響，且更節(jié)能、占地小、運(yùn)營(yíng)成本低（見(jiàn)圖 5）。與熱壓焊對(duì)比，激光輔助鍵合具備效率更高，更節(jié)能，在鍵合過(guò)程中非接觸也能夠自我修正等優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖 6）。另外，應(yīng)用也更加靈活，激光可以從芯片的上面照射，也能夠從芯片的下面照射，也可以上下一起照射。

圖5：激光輔助鍵合示意圖

圖6：鍵合位置的自我修正

從各項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)看，LAB 技術(shù)在導(dǎo)熱系數(shù)、熱影響區(qū)、信號(hào)損耗、加工精度、量產(chǎn)良率、和工藝速度等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)工藝（具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1）。這表明 LAB 技術(shù)在提升光模塊性能和提高生產(chǎn)效率等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，有望成為未來(lái)光模塊制造的主流工藝之一。

表1： LAB 與傳統(tǒng)工藝性能對(duì)比

四、案例分析

1. 國(guó)外某公司在芯片制造過(guò)程中，采用 LAB 技術(shù)進(jìn)行鍵合。芯片拾取在硅晶元上后，從底部利用激光系統(tǒng)從晶元底部加熱進(jìn)行鍵合，這一工藝使得鍵合效率得到了大幅度提升，同時(shí)對(duì)周邊器件無(wú)影響，有效提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率（見(jiàn)圖 7）。

圖7：芯片制造過(guò)程中采用 LAB 技術(shù)進(jìn)行鍵合

2. 國(guó)內(nèi)某公司在高速光模塊制造中，將倒裝芯片鍵合到基板上時(shí)應(yīng)用了 LAB 技術(shù)（見(jiàn)圖 8）。實(shí)踐表明，LAB 技術(shù)能夠大幅度提升鍵合效率，并且具有高加工精度、無(wú)翹曲應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，從而顯著提高了產(chǎn)品的良率，降低了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

五、結(jié)論：LAB 定義 Tbps 時(shí)代的制造范式

激光輔助鍵合（LAB）技術(shù)憑借“ 精度 - 效率 - 智能” 三位一體的優(yōu)勢(shì)，已成為推動(dòng)光通信向 Tbps 時(shí)代演進(jìn)的核心引擎。從 CPO 熱管理到硅光集成，LAB 技術(shù)不僅有效解決了傳統(tǒng)工藝的固有瓶頸，更開(kāi)辟了光 - 電 - 算深度融合的制造新路徑。隨著人工智能算力需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，LAB 技術(shù)將在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，深度重構(gòu)產(chǎn)業(yè)格局，并有望推動(dòng)中國(guó)企業(yè)在高端光模塊市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)“ 換道超車(chē)”，提升我國(guó)在光通信領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新提供有力支撐。

【本文轉(zhuǎn)自《一步步新技術(shù)》雜志，作者許靈敏，黃燕雄，龍大為，Julian Mergenthaler，來(lái)自騁電電子科技（深圳）有限公司?！?/strong>