Das optische Modul (Abbildung 1) ist eine wichtige Komponente im optischen Kommunikationssystem. Die Hauptfunktion besteht darin, die photovoltaische Umwandlung und die Überwachung und Verwaltung von Kommunikationssignalen und anderen Funktionen zu realisieren. In heutigen Glasfasernetzen nehmen die Anwendungsszenarien von optischen Transceivern zu. Wenn wir beispielsweise mit einem Mobiltelefon telefonieren, findet eine Funkverbindung zwischen dem Signal des Mobiltelefons und der Basisstation statt. Das optische Modul wird benötigt, wenn die Basisstation über eine Glasfaserverbindung mit dem Server verbunden ist. Optische Transceiver werden auch für Glasfaser-Breitbandnetze bis ins Haus und für die Verbindung einer großen Anzahl von Switches in Rechenzentren benötigt.

Abbildung 1. Optischer Transceiver (400G QSFP-DD SR8)

Marktnachfrage nach optischen Modulen

Laut Lightcounting wird der weltweite Markt für optische Module im Jahr 8.132 voraussichtlich 2022 Milliarden US-Dollar erreichen und von 13.7 bis 2021 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 2026 % wachsen. Unter ihnen hat der Anteil der optischen Module für Rechenzentrumsanwendungen diesen Wert überschritten des Telekommunikationsmarktes für optische Module, und es wird erwartet, dass es bis 55 mehr als 2022 % einnehmen wird. Abbildung 2 zeigt die globale Markt- und Investitionsanalyse für optische Module.

 

Abbildung 2. Globaler Markt und Investitionsausgaben für optische Module. (a) Anwendungsbereiche des globalen Marktes für optische Module. (b) Investitionsausgaben chinesischer Cloud-Anbieter.

Die Gesamtinvestitionen für Rechenzentren nehmen weiterhin schnell zu. Laut der langfristigen Prognose von Cignal AI werden die Ausgaben für Computing- und Speicher-Cloud-Infrastrukturen von 12.6 bis 2021 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 2026 Prozent steigen. Öffentliche Cloud bezieht sich auf Cloud-Dienste, die Benutzern von Drittanbietern über das öffentliche Internet bereitgestellt werden, wo Benutzer auf die Cloud zugreifen und verschiedene Dienste nutzen können, einschließlich und nicht beschränkt auf Computing, Speicherung, Netzwerk usw.) Mit der globalen Expansion von Giganten und Durch die rasante Entwicklung der KI in verschiedenen Branchen behalten die Investitionen in Rechenzentren eine starke Dynamik bei, wodurch der Boom des Marktes für optische Module für Rechenzentren weiter zunimmt.

Abbildung 3. Anwendungsszenario des optischen Moduls im Telekommunikationsmarkt und Rechenzentrum. (a) 5G-Telekommunikationsnetzarchitektur; (b) Rechenzentrums-Ridge-Server-Architektur

COB-Verpackungstechnologie

Entsprechend den unterschiedlichen Anwendungsszenarien und Anforderungen können optische Module grob in Carrier-Grade- und Rechenzentrums-Optikmodule unterteilt werden. Der optische Transceiver der Carrier-Klasse wird unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt und ist schwierig zu ersetzen und zu warten. Der optische Transceiver des Rechenzentrums wird in einer relativ milden Umgebung eingesetzt und ist bequem zu warten. Beispielsweise können optische Carrier-Grade-Module, die in Basisstationen im Freien verwendet werden, bei starker Sonneneinstrahlung einer Arbeitsumgebung mit hohen Temperaturen von 80 ° C ausgesetzt sein, während die Umgebungstemperatur in den Winternächten im Norden bis zu -40 ° C betragen kann . Gleichzeitig können sich diese Basisstationen, um eine Signalabdeckung zu gewährleisten, an bergigen und unzugänglichen Orten befinden, was die Durchführung regelmäßiger Wartungsarbeiten erschwert. All diese Eigenschaften bestimmen die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeitssicherung von optischen Modulen der Carrier-Klasse.

Im Anwendungsszenario eines Rechenzentrums kann sich das Rechenzentrum in einem Technikraum mit Luftregelung, Temperaturregelung und Feuchtigkeitsregelung befinden. Ansässiges Wartungspersonal kann jederzeit Wartungsarbeiten durchführen. Daher ist die Zuverlässigkeitsanforderung relativ gering. Unter Berücksichtigung des Anwendungsszenarios, der Anforderungen und der Kosten wurden verschiedene Verpackungstechnologien für optische Module entwickelt.

Derzeit verwenden optische Carrier-Grade-Module meist hermetische To-Can- oder BOX-Verpackungstechnologie. Optische Module für Rechenzentren verwenden meistens nicht-hermetische COB-Verpackungstechnologie, wie in Abbildung 4 gezeigt. Der vollständige Name von COB lautet Chip-on-Board, d. h. Chip-on-Board-Verpackung. Der nackte Chip wird mit leitfähigem oder nicht leitfähigem Kleber auf der Leiterplatte befestigt, und dann wird die elektrische Verbindung durch Bleibonden hergestellt, und der Chip und der Bonddraht werden mit Kleber umwickelt. Die Verpackungstechnologie wurde zuerst in großem Umfang bei der Verpackung von LEDs verwendet und später bei der Verpackung von optischen Modulen eingeführt.

Abbildung 4. (a) Diagramm des optischen Moduls des BOX-Pakets. (b) Diagramm des optischen Moduls des COB-Pakets

Technische Vorteile der COB-Verpackung von optischen Modulen

• Bessere Highspeed-Signalverbindungsleistung

Bei hermetisch abgedichteten optischen Transceivern in Carrier-Qualität wird der Laser über FPC (Flexible Printed Circuit) und Hochfrequenzkeramik mit der Leiterplatte verbunden, bevor er über Golddraht mit dem Laser verbunden wird. Es ist schwierig, eine Impedanzkontinuität an mehreren Verbindungspunkten zu garantieren, und ein Verlust der Signalintegrität ist unvermeidlich. Im COB-Gehäuse kann der Laser durch das Golddrahtbonden direkt mit der Leiterplatte verbunden werden, was die Impedanzsprünge stark reduziert und die Verbindung von Hochgeschwindigkeitssignalen von der Leiterplatte zum LD besser garantiert und somit einen größeren Augenabstand zeigt Diagrammvorlage und höhere Empfindlichkeitsleistung.

• Möglichkeit, Größe und Kosten zu reduzieren

Das COB-Paket spart Platz, da es eine Hochfrequenz-Keramikbox, flexible Kabel und andere Komponenten einspart. Seine Vorteile sind heute offensichtlicher, da optische Module immer mehr miniaturisierte Gehäuse anstreben. Nehmen Sie als Beispiel ein optisches 400G-QSFP-DD-Modul mit EML-Laser (Abbildung 5). Es erfordert eine große Anzahl elektrischer Chips wie DML-Vorspannung, EA-Vorspannung, EA-Modulation, DSP usw. Der optische Teil erfordert Komponenten wie EML B. Isolator, Linse usw. Wenn das hermetische Gehäuse verwendet wird, nehmen die optischen Komponenten einen großen Raum ein, was den Anordnungsraum der elektrischen Komponenten stark komprimiert und eine große Herausforderung für das Moduldesign darstellt. Bei der Verwendung eines COB-Gehäuses kann der eingesparte Platz die Elektrik dazu bringen, ein redundanteres Design zu verbessern, z. B. das Hinzufügen von mehr Filterkondensatoren, ein größeres Hochfrequenz-Signalisolationslayout und somit eine Verbesserung der Modulleistung.

Abbildung 5. Diagramm des optischen 400G-Moduls, geringe Größenanforderungen und eine große Anzahl von Komponenten stellen das Gehäusedesign vor Herausforderungen

In Bezug auf die Kosten spart das COB-Paket Komponenten wie Hochfrequenz-Keramikbox und flexibles Kabel sowie Prozessschritte wie stickstoffgefülltes Schweißen und Versiegeln, BOX-Lecksuche, FPC-Schweißen und separates Testen optischer Geräte, wodurch Material eingespart werden kann Kosten und Produktionskosten.

Nachteile der COB-Verpackung für optische Module

• Reduzierte Lebensdauer empfindlicher Geräte

In COB-Gehäusen sind die optischen Geräte und einige elektrische Chips wie Treiber und TIAs direkt freigelegt, was sich nachteilig auf die Lebensdauer auswirkt. In der hermetischen Verpackung sind LDs in einer mit Stickstoff gefüllten Box versiegelt, die von der äußeren Umgebung isoliert ist und den stabilen Betrieb von LDs besser schützt.

In den letzten Jahren haben Modulhersteller auch einige begrenzte hermetische Versiegelungstechniken entwickelt, um die Lebensdauer von LD in COB-Modulen zu verlängern, wobei sie sich auf beide Verpackungstechnologien stützen. Wenn das LD beispielsweise in einem halboffenen Metallgehäuse montiert ist, kann die PCB durch die Öffnungen in das Metallgehäuse eintreten, um sich direkt mit dem LD zu verbinden, während das Metallgehäuse mit Klebstoff versiegelt werden kann, um ein gewisses Maß an Luftdichtheit bereitzustellen.

• Nicht förderlich für fehlerhafte Produktnacharbeit

Im BOX-Gehäuse können optische Geräte vollständig von der Leiterplatte getrennt und separat getestet werden. Jeder Teil des Problems kann separat ersetzt und repariert werden.

Da beim COB-Modul das optische Gerät direkt mit der Leiterplatte verbunden ist, kann der Leistungstest erst nach Abschluss der gesamten Produktion durchgeführt werden. Bei Defekten ist es schwieriger zu prüfen, ob es sich um einen elektrischen Chip oder einen optischen Chip handelt, und es kommt eher zu Ausschuss, wenn das Gerät überarbeitet und ausgetauscht wird. Es kann zu einem optischen Chipschaden kommen, der zum Verschrotten des gesamten Moduls führt, was die Ausschussrate des gesamten Produktionsprozesses gewissermaßen erhöht. Daher sind der COB-Verpackungsprozess, die Prozessstabilität und die Ausbeuterate besonders wichtig.

Wichtige technische Schritte für das COB-Packaging von optischen Modulen

Die Hauptprozessschritte von optischen Modulen im COB-Gehäuse umfassen Die-Bonding, Drahtbonden, optische Kopplung und Tests (Abbildung 6).

Abbildung 6. COB-Verpackungsprozess eines optischen Moduls

Die Bonding besteht darin, verschiedene Arten von Chips auf die Leiterplatte zu kleben, wie z. Bei der Montage sollten wir darauf achten, ob die Positionsgenauigkeit den Anforderungen entspricht, ob die Chipbindung fest ist usw. Für den Laser ist der Stromverbrauch des Treibers groß, der Chip mit hoher Wärmeentwicklung, wir müssen auch auf den Kontakt achten Wärmeableitungsleistung nach der Montage.

Drahtbonden bezieht sich auf die elektrische Verbindung zwischen den Pins des Chips und den Pads auf der Leiterplatte durch Drähte, normalerweise unter Verwendung der Golddrahtbondtechnologie (Abbildung 7). Dieser Schritt sollte darauf achten, ob die Drahtverbindung in gutem Kontakt ist und ob eine virtuelle Verbindung besteht. Es wird normalerweise durch Drahtzug überprüft. In optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen sind die Linien oft komplex und erfordern viel Kreuzschlagen, was Aufmerksamkeit erfordert, ob es Probleme wie kollabierte Bleiüberlappungen gibt. Beim Anschluss von Hochgeschwindigkeits-Signalpins sollte auf die Länge und Anzahl der Leitungen geachtet werden, die im Allgemeinen verwendet werden, um die Leitungslänge zu reduzieren und die Anzahl der Leitungen zu erhöhen, um die Signalintegrität zu verbessern.

Figure 7. Drahtbonden

Kopplung (Abbildung 8) ist die längste Arbeitszeit und der wahrscheinlichste fehlerhafte Schritt bei der Verpackung optischer Module. Für optische Multimode-Module wird üblicherweise ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL) verwendet, der durch den Spiegel in die Multimode-Faser eingekoppelt wird.

Der Lichtweg ist einfach, die Toleranz groß und der Prozess relativ einfach. Singlemode-Fasern sind viel komplizierter, da der Kerndurchmesser von Singlemode-Fasern mit nur 9 μm kleiner ist als der von Multimode-Fasern, was eine Linse zur Fokussierung der Kopplung erfordert. In dem Modul, das eine Multiplex-Kopplung benötigt, wie z. B. LR4, ist es notwendig, Wellenelemente hinzuzufügen und aufzuteilen, was die Komplexität des optischen Pfads weiter erhöht. Ein wichtiges Hilfsmaterial zum Koppeln ist UV-härtbarer Klebstoff, der hauptsächlich zum Verkleben von Koppellinsen verwendet wird. Es zeichnet sich durch eine schnelle Aushärtung des Klebers nach UV-Bestrahlung, eine geringe Schrumpfrate aus und eignet sich zum Kollimieren von Koppellinsen mit hohen Anforderungen an die Klebe- und Fixiergenauigkeit.

Abbildung 8. Kupplung in COB-Verpackung

Das Testen ist der letzte Schritt in der Produktion von optischen Modulen, der hauptsächlich in Leistungstests und Zuverlässigkeitstests unterteilt wird. Zu den üblichen Leistungstestpunkten gehören Augendiagrammspanne, Extinktionsverhältnis, Sendeleistung, Empfangsempfindlichkeit usw. Zu den Zuverlässigkeitstestpunkten gehören normalerweise Hoch- und Niedertemperatur-Alterungstest, Hoch- und Niedertemperatur-Zyklusschocktest, Vibrationstest, Mehrfachstecktest usw.

Trends in der Verpackungstechnologie für optische Module im Rechenzentrum

Insgesamt geht die Nachfrage nach optischen Modulen für Rechenzentren in Richtung miniaturisierter Gehäuse, höherer Übertragungsrate und niedrigerer Kosten. Momentan, 100G QSFP28 optische Module wurden in Rechenzentren weit verbreitet verwendet, optische 400G-QSFP-DD-Module waren in großen Rechenzentren im Handel erhältlich, und 800G QSFP-DD800 optische Module befinden sich in der frühen Phase der Kommerzialisierung. Angesichts der Nachfrage nach höheren Geschwindigkeiten sieht sich die Verpackung herkömmlicher optischer Module mit immer mehr Schwierigkeiten konfrontiert, einschließlich der Zunahme der Gehäusekomplexität, der geringeren Ausbeute, die zu höheren Kosten und der begrenzten Gerätebandbreite führt. In diesem Zusammenhang wird eher die Kommerzialisierung neuer Technologien wie optische Siliziummodule und co-packaged optics (CPO) erwartet.

Die Anwendung von Silizium-Photonik in optischen Modulen zielt darauf ab, den Prozess zu vereinfachen und Kosten zu reduzieren, indem ursprünglich diskrete optische Komponenten wie Modulatoren, Detektoren, MUX/DeMUX, Linsen, Prismen usw. durch einen hochintegrierten Silizium-Photonik-Chip integriert werden. Derzeit sind Silizium-Photonik-Chips in der Lage, Detektoren, Hochgeschwindigkeitsmodulatoren, Wellenleiter, WDM und andere Geräte auf demselben Silizium-basierten Substrat zu integrieren, und es wird erwartet, dass sie mehr elektrische Chips wie CDR und TIA integrieren können die Zukunft, die die Integration optischer Module erheblich verbessert.

400 G QSFP-DD Silizium-Photonik-Module kommen bereits 2022 in großen Mengen auf den Markt. Das Marktforschungsunternehmen Yole prognostiziert, dass Silizium-Photonik-Module bis 3.67 2025 Milliarden US-Dollar erreichen werden, was sie zu einem bedeutenden Teil des Marktes für optische Module macht. Abbildung 9 zeigt die verschiedenen Arten von Silizium-Photonik-Bauelementen.

Abbildung 9. Silizium Photonik Low-Level-Lichtlaser

Die Co-Packaging-Optik-Technologie hat in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen, was große Vorteile gegenüber herkömmlichen steckbaren optischen Modulen in Bezug auf elektrische Verbindungsverluste bietet. Durch das Zusammenpacken des photoelektrischen Chips und des Schaltchips kann die CPO-Technologie die Länge des Hochfrequenzdrahts erheblich verkürzen und so das Problem einer ernsthaften Dämpfung des elektrischen Signals bei höheren Geschwindigkeiten lösen. CPO Technologie hat auch große Vorteile gegenüber der steckbaren Form in Bezug auf Bandbreite, Größe, Gewicht und Stromverbrauch.

Die CPO-Technologie weist jedoch noch einige Probleme auf, die weiter gelöst werden müssen, darunter der Prozess für hochdichte photoelektrische Leiterplatten, der hochpräzise Verpackungsprozess für photoelektrische Chips und das Wärmeableitungsdesign sowie die Zuverlässigkeit hochintegrierter photoelektrischer Chips. CIR prognostiziert, dass der CPO-Markt im Jahr 5.4 voraussichtlich 2027 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Abbildung 10 zeigt die Entwicklung der On-Board-Verbindungstechnologie.

Abbildung 10. Evolution der Bordanschlusstechnik