矽光子晶片封裝用之載板技術

 

刊登日期:2019/10/5
  • 字級

根據《Nature》文章報導,現今資料中心與整個ICT生態系統產生的總碳排放占全球2%以上,等同於全球航空業的燃料排放量。未來5G網路將隨著應用擴大,運算功能變得更強,也使得網路設備更加耗電。處理器IC之間的電訊號傳輸改由光訊號傳導,可能是人類手上能最快商業化,也最有機會大幅降低網路耗電量的技術方案。
 
本文將從以下大綱,點出IC運算耗電的現實困境,希望能喚醒國內工程師挑戰EOCB載板的研發魂。
‧ 前言
‧ PIC間單模態光傳輸回路的封裝發展
‧ PIC載板的設計與製作方式
‧ 結語
 
【內文精選】
前言
一篇在《Nature》報導的文章指出,根據統計,現今資料中心與整個ICT (Information and Communications Technology)生態系統(包括電信商設備、基地台、終端主機等)產生的碳排放占全球2%以上,等同於全球航空業的燃料排放量。光是全部資料中心的耗電量就達全球電力需求的1%(圖一),相當於伊朗國家的能源總消耗。這消息應該讓自以為愛地球的宅男宅女們傻眼了,在家裡用網路追劇或是打電玩,居然和坐飛機出國玩的享樂族一樣不環保。為何使用網路會這麼耗電呢?過去無線電視使用基地台播放類比訊號,基地台功率不會隨收看人數而變化,耗電量幾乎是固定的;缺點是大家只能在同一時段收看熱門影集。當數位化來臨開啟了中華電信MOD時代,家家戶戶隨時能點閱想看的電影,每一個點閱都產生獨立的資訊流,每個點閱都產生IC運算的耗電量。所以收看影片的網路總電費和點閱人數變成正比的關係,便利的背後付出的代價是昂貴的。
 
PIC間單模態光傳輸回路的封裝發展
關於短距離光互連技術的介紹,筆者已在過去工業材料雜誌發表過幾篇文章說明,這裡不再複述。不過,筆者需要解釋為何台灣IC、PCB和封測產業有能力將這技術方案加速實現,這不是單純的信念和喊口號而已。PIC (Photonic IC)晶片的成本結構並不像目前集積電路晶片一樣,可以靠昂貴的精密設備進行大量的自動化封裝與測試。矽光子晶片組包括電運算CPU和負責電光轉換的PIC晶片,這2個功能不同的晶片各自需要不同的封裝與測試設備。光傳輸訊號能幫IC運算省多少電,受限於這2個晶片可以整合到何種程度;只有持續拉近CPU與PIC晶片的距離,才能不斷減少高頻電訊號的損耗和廢熱。圖二是IBM在2017年第6屆Photonics Summit於Cadence發表的簡報所截取的內容:CPU與PIC晶片的整合終極目標是放在同一片載板上。由於晶片組整合的過程是正在進行式,各類型的封裝製程與材料標準都陸續在建立中,封裝與測試製程採用大量的人力與非自動化設備,很多產品都屬於客製化而尚無制式規格。
 
圖二、CPU與PIC晶片組的整合進
圖二、CPU與PIC晶片組的整合進
 
PIC載板的設計與製作方式
利用玻璃或是SOI基板作為PIC的載板,在日本和歐美已經進行了很長期的研究,但是這並非是筆者關注的焦點。因為只有採用有機樹脂載板,才能充分沿用台灣產業的研發製造經驗,大幅降低PIC封裝和測試的成本與提高產能。而這部分的研究在近幾年高頻樹脂基板材料應用擴大後,才陸續有PIC封裝用樹脂載板的成功案例發表。本文章主要介紹歐盟的ICTSTREAMS計畫,該計畫終極目標是希望實現一個具有16個插槽,能傳輸12.8 Tb/s資料頻寬的Server電路板;基板上的所有運算IC可以實現任意對任意的光訊號互連,如圖三。這計畫希望採用現今的製程工藝,將PCB結合有機光波導(Optical Waveguide)創造出能直接封裝PIC的EOCB (Electro-Optical Circuit Board)載板;此EOCB載板需同時具有光耦合連結位點和小的電連結Pads,如圖四所示。由於光連接點是由Si波導Taper與有機單模波導直接貼觸產生光通路,眾多的光通路需同時藉由貼觸位點一次完成連結,其間隙必須小於0.5 μm。目前有機波導塗佈工藝的厚度均勻性是在1 μm誤差以內,但是有機波導材料的優點是具有軟性,可以承受局部適量變形,所以貼合時在晶片上施壓,再利用Under Fill膠水固定,這樣可以確保每個光連接點間隙都小於0.5 μm。除了要求EOCB載板的表面平坦性、厚度均勻性之外,水平的熱膨脹率以及能跑高頻訊號,都是EOCB載板在設計製造時要注意的特性要求…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖三、ICT-STREAMS計畫架構示意圖
圖三、ICT-STREAMS計畫架構示意圖
 
作者:李文欽、楊偉達/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」394期,更多資料請見下方附檔。

分享