Módulo óptico (Figura 1) é um componente importante no sistema de comunicação óptica, a principal função é realizar a conversão fotovoltaica e o monitoramento e gerenciamento de sinais de comunicação e outras funções. Na rede de fibra óptica de hoje, os cenários de aplicação de transceptores ópticos estão aumentando. Por exemplo, quando fazemos uma chamada telefônica com um celular, há comunicação de rádio entre o sinal do celular e a estação base. O módulo óptico é necessário quando a estação base está conectada ao servidor por meio de um link de fibra óptica. Os transceptores ópticos também são necessários para redes de banda larga de fibra óptica até as residências e para a interconexão de um grande número de switches em data centers.

Figura 1. Transceptor óptico (400G QSFP-DD SR8)

Demanda do mercado por módulos ópticos

De acordo com a Lightcounting, o mercado global de módulos ópticos deve atingir US$ 8.132 bilhões em 2022 e crescer a uma taxa composta de crescimento anual de 13.7% de 2021 a 2026. Entre eles, a proporção de módulos ópticos de aplicativos de data center excedeu esse do módulo óptico do mercado de telecomunicações, e espera-se que ocupe mais de 55% em 2022. A Figura 2 mostra o mercado global e a análise de gastos de capital para módulos ópticos.

 

Figura 2. Mercado global e gastos de capital de módulos ópticos. (a) Áreas de aplicação do mercado global de módulos ópticos. (b) Despesas de capital de fornecedores chineses de nuvem.

Os gastos gerais de capital para data centers continuam a crescer rapidamente. De acordo com a previsão de longo prazo da Cignal AI, os gastos com infraestrutura de computação e armazenamento em nuvem crescerão a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 12.6% de 2021 a 2026. Mudanças nos estilos de vida de trabalho online na era pós-epidêmica, nuvem pública ( nuvem pública refere-se a serviços de nuvem fornecidos aos usuários por provedores terceirizados por meio da Internet pública, onde os usuários podem acessar a nuvem e desfrutar de vários serviços, incluindo, entre outros, computação, armazenamento, rede, etc.) Com a expansão global de gigantes e o rápido desenvolvimento da aterrissagem da IA ​​em vários setores, o investimento em data center mantém um forte impulso, fazendo com que o boom do mercado de módulos ópticos de data center continue a aumentar.

Figura 3. Cenário de aplicação do módulo óptico no mercado de telecomunicações e data center. (a) arquitetura de rede de telecomunicações 5G; (b) Arquitetura do servidor do centro de dados

Tecnologia de Embalagens COB

De acordo com os diferentes cenários e requisitos de aplicação, os módulos ópticos podem ser amplamente divididos em módulos ópticos de nível de operadora e de data center. O transceptor óptico de nível de operadora é aplicado em condições ambientais adversas e difíceis de substituir e manter. O transceptor óptico do data center é aplicado em um ambiente relativamente ameno e conveniente de manter. Por exemplo, os módulos ópticos usados ​​nas estações base externas podem enfrentar um ambiente de trabalho de alta temperatura de 80 ℃ quando a luz do sol é forte, enquanto a temperatura ambiente nas noites de inverno no norte pode ser tão baixa quanto -40 ℃ . Ao mesmo tempo, para garantir a cobertura do sinal, essas estações base podem estar localizadas em locais montanhosos e de difícil acesso, dificultando a manutenção regular. Todas essas características determinam os altos requisitos para garantia de confiabilidade de módulos ópticos de nível de operadora.

No cenário de aplicação de um data center, o data center pode estar em uma sala de equipamentos com controle de ar, controle de temperatura e controle de umidade. O pessoal de manutenção residente pode realizar a manutenção a qualquer momento. Portanto, o requisito de confiabilidade é relativamente baixo. Considerando o cenário de aplicação, requisitos e custos, diferentes tecnologias de empacotamento de módulos ópticos foram desenvolvidas.

Atualmente, os módulos ópticos de nível de operadora usam principalmente a tecnologia de embalagem hermética To-can ou BOX. Os módulos ópticos do data center usam principalmente a tecnologia de embalagem COB não hermética, conforme mostrado na Figura 4. O nome completo do COB é chip on board, ou seja, embalagem chip on board. O chip nu é anexado ao PCB com adesivo condutivo ou não condutivo e, em seguida, a conexão elétrica é realizada por ligação de chumbo, e o chip e o cabo de ligação são envolvidos com adesivo. A tecnologia de embalagem foi amplamente utilizada pela primeira vez na embalagem de LED e posteriormente introduzida na embalagem de módulos ópticos.

Figura 4. (a) Diagrama do módulo óptico do pacote BOX. (b) Diagrama do módulo óptico do pacote COB

Vantagens técnicas da embalagem COB do módulo óptico

• Melhor desempenho de conexão de sinal de alta velocidade

Com transceptores ópticos de nível de portadora hermeticamente selados, o laser é conectado ao PCB por meio de FPC (Flexible Printed Circuit) e cerâmica de alta frequência antes de ser conectado ao laser por meio de fio de ouro. É difícil garantir a continuidade da impedância em vários pontos de conexão e a perda da integridade do sinal é inevitável. No pacote COB, o laser pode ser conectado diretamente com o PCB através da ligação de fio de ouro, o que reduz muito as descontinuidades de impedância e garante melhor a conexão de sinais de alta velocidade do PCB para o LD, mostrando assim uma maior margem de olho modelo de diagrama e maior desempenho de sensibilidade.

• Capacidade de reduzir tamanho e custo

O pacote COB economiza espaço porque economiza caixa de cerâmica de alta frequência, cabo flexível e outros componentes. Suas vantagens são mais óbvias hoje, pois os módulos ópticos continuam a buscar pacotes mais miniaturizados. Tome um módulo óptico 400G QSFP-DD com laser EML como exemplo (Figura 5), ​​ele requer um grande número de chips elétricos, como polarização DML, polarização EA, modulação EA, DSP, etc. A parte óptica requer componentes como EML , isolador, lente, etc. Se for utilizado o pacote hermético, os componentes ópticos ocuparão um grande espaço, comprimindo muito o espaço de arranjo dos componentes elétricos e representando um grande desafio para o projeto do módulo. Ao usar o pacote COB, o espaço economizado pode fornecer eletricidade para melhorar o design mais redundante, como adicionar mais capacitores de filtro, maior layout de isolamento de sinal de alta frequência, melhorando assim o desempenho do módulo.

Figura 5. Painel do Diagrama de módulo óptico de 400G, requisitos de tamanho pequeno e um grande número de componentes trazem desafios para o design do pacote

Em termos de custo, o pacote COB economiza componentes, como caixa de cerâmica de alta frequência e cabo flexível, e etapas do processo, como soldagem e vedação com nitrogênio, detecção de vazamento de CAIXA, soldagem FPC e testes separados de dispositivos ópticos, o que pode reduzir o material custo e custo de produção.

Desvantagens da embalagem COB para módulos ópticos

• Vida útil reduzida de dispositivos sensíveis

No pacote COB, os dispositivos ópticos e alguns chips elétricos, como drivers e TIAs, são expostos diretamente, levando a efeitos adversos na vida útil. Enquanto na embalagem hermética, os LDs são selados em uma caixa preenchida com nitrogênio, que fica isolado do meio externo e protege melhor o funcionamento estável dos LDs.

Nos últimos anos, os fabricantes de módulos também desenvolveram algumas técnicas limitadas de vedação hermética para prolongar a vida útil do LD em módulos COB, com base em ambas as tecnologias de embalagem. Por exemplo, se o LD for montado em uma caixa metálica semi-aberta, o PCB pode entrar na caixa metálica através das aberturas para se conectar diretamente com o LD, enquanto a caixa metálica pode ser selada com cola para fornecer um certo grau de hermeticidade.

• Não propício ao retrabalho do produto defeituoso

No pacote BOX, os dispositivos ópticos podem ser completamente separados do PCB e testados separadamente. Qualquer parte do problema pode ser substituída e reparada separadamente.

No módulo COB, como o dispositivo óptico está conectado diretamente à placa PCB, o teste de desempenho só pode ser realizado após a conclusão de toda a produção. Em caso de defeitos, fica mais difícil verificar se a falha é do chip elétrico ou do chip óptico, e é mais provável que cause sucata quando o aparelho for retrabalhado e substituído. Pode haver um dano no chip óptico, resultando no sucateamento de todo o módulo, o que de certa forma aumenta a taxa de sucateamento de todo o processo produtivo. Portanto, o processo de embalagem COB, a estabilidade do processo e a taxa de rendimento são particularmente importantes.

Principais etapas técnicas para embalagem COB de módulos ópticos

As principais etapas do processo dos módulos ópticos do pacote COB incluem colagem de matriz, colagem de fio, acoplamento óptico e teste (Figura 6).

Figura 6. Processo de empacotamento COB do módulo óptico

Colagem de matriz é colar vários tipos de chips ao PCB, como chips de recuperação de relógio, chips de driver de laser, chips amplificadores de trans-impedância, chips de laser e chips detectores no módulo óptico do data center e adesivo condutor comumente usado diretamente conectado ao PCB. Na montagem, devemos prestar atenção se a precisão da posição atende aos requisitos, se a ligação do chip é firme, etc. Para o laser, o consumo de energia do driver é grande, chip de alta geração de calor, também precisamos prestar atenção ao contato desempenho de dissipação de calor após a montagem.

Ligação de fio refere-se à conexão elétrica entre os pinos do chip e os pads no PCB por meio de fios, geralmente usando tecnologia de ligação de fio de ouro (Figura 7). Esta etapa deve prestar atenção se a conexão do fio está em bom contato e se há conexão virtual. Geralmente é verificado puxando o fio. Em módulos ópticos de alta velocidade, as linhas geralmente são complexas e exigem muitos cruzamentos, o que requer atenção para saber se há problemas, como voltas de chumbo colapsadas. Para a conexão de pinos de sinal de alta velocidade, deve-se prestar atenção ao comprimento e número de condutores, que geralmente são usados ​​para reduzir o comprimento do condutor e aumentar o número de condutores para melhorar a integridade do sinal.

Figura 7. Ligação de fio

Acoplamento (Figura 8) é o tempo de trabalho mais longo e a etapa defeituosa mais provável na embalagem do módulo óptico. Para módulos ópticos multimodo, é comumente usado o laser emissor de superfície (VCSEL), que é acoplado à fibra multimodo através do espelho.

O caminho da luz é simples, a tolerância é grande e o processo é relativamente simples. A fibra monomodo é muito mais complicada porque o diâmetro do núcleo da fibra monomodo é menor que o da fibra multimodo, apenas 9μm, o que requer uma lente para o acoplamento de foco. No módulo que necessita de acoplamento multiplexado, como o LR4, é necessário adicionar e dividir elementos de onda, o que aumenta ainda mais a complexidade do caminho óptico. Um material auxiliar importante para o acoplamento é o adesivo curável por UV, que é usado principalmente para colar lentes de acoplamento. Caracteriza-se pela cura rápida da cola após irradiação ultravioleta, baixa taxa de encolhimento e adequada para colimação de lentes de acoplamento com altos requisitos de colagem e precisão de fixação.

Figura 8. acoplamento em embalagem COB

O teste é a etapa final na produção de módulos ópticos, que é dividida principalmente em testes de desempenho e testes de confiabilidade. Itens de teste de desempenho comuns incluem margem de diagrama de olho, taxa de extinção, potência de transmissão, sensibilidade de recepção, etc.

Tendências em tecnologia de embalagem de módulo óptico de data center

No geral, a tendência de demanda por módulos ópticos de data center é um pacote mais miniaturizado, maior taxa de transmissão e menor custo. Atualmente, 100G QSFP28 módulos ópticos têm sido amplamente utilizados em data centers, módulos ópticos 400G QSFP-DD estão disponíveis comercialmente em data centers de grande escala e 800G QSFP-DD800 módulos ópticos estão em fase inicial de comercialização. Diante da demanda por maior velocidade, o encapsulamento de módulos ópticos tradicionais enfrenta cada vez mais dificuldades, incluindo o aumento da complexidade do pacote, menor rendimento levando a aumento de custos e largura de banda limitada do dispositivo. Neste contexto, é mais esperada a comercialização de novas tecnologias como módulos ópticos de silício e óptica co-embalada (CPO).

A aplicação da fotônica de silício em módulos ópticos visa simplificar o processo e reduzir custos integrando componentes ópticos originalmente discretos, como moduladores, detectores, MUX/DeMUX, lentes, prismas, etc., através de um chip fotônico de silício altamente integrado. Atualmente, os chips fotônicos de silício têm sido capazes de integrar detectores, moduladores de alta velocidade, guias de onda, WDM e outros dispositivos no mesmo substrato à base de silício, e espera-se que sejam capazes de integrar mais chips elétricos como CDR e TIA em o futuro, aumentando consideravelmente a integração de módulos ópticos.

400G QSFP-DD os módulos fotônicos de silício já estão entrando no mercado em volume em 2022. A empresa de pesquisa de mercado Yole prevê que os módulos fotônicos de silício chegarão a US$ 3.67 bilhões até 2025, tornando-os uma parte significativa do mercado de módulos ópticos. A Figura 9 ilustra os vários tipos de dispositivos fotônicos de silício.

Figura 9. silício fotônica dispositivos

A tecnologia óptica co-empacotada vem ganhando cada vez mais atenção nos últimos anos, o que apresenta grandes vantagens sobre os módulos ópticos conectáveis ​​tradicionais em termos de perda de conexão elétrica. Ao empacotar o chip fotoelétrico e o chip de comutação juntos, a tecnologia CPO pode encurtar muito o comprimento do fio de alta frequência, resolvendo assim o problema de séria atenuação do sinal elétrico em velocidades mais altas. CPO A tecnologia também tem grandes vantagens sobre a forma conectável em termos de largura de banda, tamanho, peso e consumo de energia.

No entanto, a tecnologia CPO ainda tem alguns problemas a serem resolvidos, incluindo o processo de placa PCB fotoelétrica de alta densidade, processo de embalagem de chip fotoelétrico de alta precisão e design de dissipação de calor e a confiabilidade de chips fotoelétricos altamente integrados. A CIR prevê que o mercado de CPO chegue a US$ 5.4 bilhões em 2027. A Figura 10 mostra a evolução da tecnologia de conexão a bordo.

Figura 10. Evolução da tecnologia de conexão embarcada