AI熱潮專題 | 是時候討論高速光模塊性能所面臨的新挑戰(zhàn)了

  ICC訊 毫無疑問，2023年是AI發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折年，大模型和生成式AI的發(fā)展正在深刻改變計算范式、產(chǎn)業(yè)動量以及算力服務格局，其快速發(fā)展推動了數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴大。從感知智能到生成式智能，AI算力需求的快速增長進一步拉動了AI服務器市場的增長。

  在中國，預計2023年中國AI服務器市場規(guī)模將達到91億美元，同比增長82.5%，2027年將達到134億美元，五年年復合增長率達21.8%!

  不僅是建設規(guī)模，數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵也在發(fā)生變化。當2022年ChatGPT開啟AIGC這一全新業(yè)態(tài)后，AI發(fā)展開始進入以多模態(tài)和大模型為特色的A12.0時代這些需求也改變了工作負載的形態(tài)。2023年，大模型的興起推動了訓練服務器的增長速度。由于AI的應用需要大量的數(shù)據(jù)支持，因此數(shù)據(jù)中心的存儲容量也在不斷增長。

  這些龐大算力的實現(xiàn)需要數(shù)據(jù)中心對海量數(shù)據(jù)處理能力的支撐，而這離不開高速數(shù)據(jù)通信。

  高速光模塊的演進

  在數(shù)據(jù)中心中,支撐整個海量數(shù)據(jù)處理的除了計算單元(芯片、服務器)，還有高速數(shù)據(jù)傳輸通信單元，其中一個關鍵器件是高速光通信模塊。在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增長、葉脊架構廣泛應用的背景下，數(shù)通光模塊的需求增速正在進入上升通道。

  Lightcounting預計，未來5年全球光模塊市場規(guī)模將的復合年增長率為11%，預測2027年全球光模塊市場將突破200億。在算力中心階段，光模塊速率開始向 400G/800G 過渡，而全球已有不少龍頭廠商開始研發(fā)1.6T系列。Omdia預測，未來幾年隨著帶寬需求的不斷提升，雖然100、200、400G光模塊仍將保有最大的市場占有量，但是800G光模塊將在2025年實現(xiàn)規(guī)模部署。事實上，國內(nèi)光模塊的龍頭廠商也都已紛紛布局量產(chǎn)800G光模塊產(chǎn)品，而在2023年3月的OFC大會上，頭部等廠商甚至推出了下一代1.6T產(chǎn)品的演示。

  作為光纖通信設備中實現(xiàn)光信號傳輸?shù)墓怆娹D(zhuǎn)換的核心器件，光模塊中的核心器件是實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換的光收發(fā)器件，主要包括光發(fā)射器件 TOSA、光接收器件 ROSA 和光發(fā)射接收器件 BOSA等，另外還包括透鏡、分路器、合束器等無源器件及外圍電路。

  從封裝工藝看，綜合應用場景、要求、成本等多方面的考慮,光模塊演化出了不同的封裝技術。目前常見的光器件的封裝有To-can、BOX/Butterfly、COB等。其中,電信級光模塊多采用氣密性的To-can或BOX封裝技術，數(shù)據(jù)中心光模塊則多采用非氣密性的COB封裝技術。

  另外，隨著硅光技術的發(fā)展，通過高度集成化的硅光芯片，將原本分立的元器件集成在一起，實現(xiàn)了工藝的簡化、成本的降低。目前，硅光芯片已經(jīng)能夠?qū)⑻綔y器、高速調(diào)制器、波導、合分波器等器件集成在同一硅基襯底上,預期將來還能夠集成CDR、TIA等更多電芯片，大大提升光模塊的集成度。但不論何種封裝和集成方式，影響光模塊性能的關鍵都和內(nèi)部異質(zhì)元器件精準的組裝和穩(wěn)定的工作密不可分。

  在COB以及應用硅光技術的制程中,諸如時鐘恢復芯片、激光器驅(qū)動芯片、跨阻放大器芯片、激光器芯片、探測器芯片等，會用銀膠直接將芯片貼裝在PCB上(Die bonding)，這一工藝不僅要注意位置精度是否滿足要求、芯片粘接是否牢固等，對于激光器、驅(qū)動器功耗較大、發(fā)熱量高的芯片，還需要關注貼片后接觸散熱性能情況，因為工作溫度過高會增加光模塊的老化、脆化和氧化等現(xiàn)象，從而縮短其使用壽命。

  漢高公司一直和光模塊行業(yè)領導者密切合作，為后者提供創(chuàng)新優(yōu)化的光通信應用粘合劑和熱管理材料，以解決與器件集成相關的挑戰(zhàn)。

  漢高全球光通信市場戰(zhàn)略經(jīng)理Farida Jensen表示：這些粘合劑和熱管理方案要能夠在提升光模塊的最大功率輸出的同時，降低設備溫度以優(yōu)化性能，降低功耗，降低故障率，并延長工作壽命。

  核心材料的創(chuàng)新

  漢高最新的幾種材料方案滿足了上述這些要求，包括高性能、高可靠性的主動耦合膠;高導熱且無樹脂析出的芯片粘接膠;折射率匹配、耐高溫且穩(wěn)定的光路膠；更高的導熱率、低析出且低滲油的單組分導熱凝膠以及更高導熱系數(shù)的非硅導熱墊片。

  漢高亞太區(qū)通訊數(shù)據(jù)中心及電源工業(yè)自動化銷售總監(jiān)林翊表示：漢高提供的粘合劑和熱管理解決方案具有卓越的穩(wěn)定性及可靠性、低析出、低滲油、低釋氣、更高的導熱率更低的熱阻抗、以及更低的固化溫度/更快的固化特性適用于更薄的膠層界面散熱，可在更高的溫度下提供強大的可靠性，以幫助客戶實現(xiàn)下一代光學設計和設備。

  這些創(chuàng)新的材料解決方案為全球下一代高帶寬/高速光通信設備穩(wěn)定運行提供了保障。

  漢高芯片粘接膠

  例如解決散熱問題的導電芯片貼片膠。隨著光模塊更高的集成以及高功率的芯片、激光器的迭代，其內(nèi)部升溫將會影響芯片、激光器的穩(wěn)定工作，最終導致光模塊的失效。解決高散熱問題對芯片貼片導電膠提出了更高的導熱性能及不同尺寸芯片粘接性能的要求。

  林翊表示，漢高在半導體封裝領域可以提供130多種導電芯片貼片膠，其中一款是含有納米銀材料的超高導熱，低熱阻的無壓燒結銀材料LOCTITERABLESTIK ABP 8068TB，具有絕佳導電及導熱性能，已經(jīng)被廣泛應用于光芯片的粘接。

  對位耦合膠及超高導熱界面材料

  為了滿足高帶寬、高速光學元件的嚴苛預固定和耦合需求，尤其是光收發(fā)器組件(TOSA/ROSA)的超高運行標準，新型的透鏡主動耦合UV膠誕生。在這種應用中，所有光學組件和光纖必須實現(xiàn)超高精度的對齊并需要一次性精確固定。為達到此目的，必須使用具有低收縮和低熱膨脹特性的材料進行固定。任何偏移都可能導致透光率和光學信號的下降或失效林翊介紹道，為了實現(xiàn)精確的耦合和尺寸穩(wěn)定性，確保光信號的穩(wěn)定可靠對粘接材料提出了更高的要求這些要求包括UV快速固化、低熱膨脹系數(shù)(CTE)固化后體積收縮率低于1%、以確保透鏡精準耦合、能在多種基材上可靠牢固地粘附、以及在高低溫循環(huán)和高溫高濕( 85°C/85%RH)條件下保持穩(wěn)定等。

  為了響應這一需求，漢高即將推出一款新的高性能雙重固化粘合劑，即透鏡主動耦合UV膠。這款膠具有低于1%的固化收縮率，能夠保持光學組件的關鍵對齊，從而實現(xiàn)最大的光耦合效率。此外，其低熱膨脹系數(shù)(CTE)為18 ppm，能夠在高低溫循環(huán)中保持更高的光學元件對齊穩(wěn)定性。這些優(yōu)越的特性使得這款新型UV膠成為滿足高精度光學元件合需求的理想選擇。

  TIM界面材料組合是漢高研發(fā)的專用于解決超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心高速光模塊散熱問題的方案，可提供高效的導熱性能，包括高導熱系數(shù)的液態(tài)填隙材料(12W以上，在保證高導熱系數(shù)的同時，兼顧高流速、低模量及低壓縮應力)，導熱凝膠(10W)等。

  考慮到下一代封裝技術，比如CPO，其關鍵在于硅平臺和2.5D/3D封裝技術的進步。事實上，熱管理已經(jīng)成為高速光模塊穩(wěn)定性的一個關鍵課題。

  Farida Jensen認為，硅光和3D封裝的進步將越來越多地應用到具有高導熱性、高溫穩(wěn)定性和在某些情況下具有低溫穩(wěn)定性的粘合劑和熱管理解決方案并且這些材料在多次回流焊過程中要能夠保證優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。此外，有些材料還需要與浸沒冷卻產(chǎn)品和解決方案兼容，并通過長時間的可靠性測試(5000小時)。另一個要注意的趨勢是，客戶也在尋求越來越可持續(xù)和環(huán)保的材料解決方案。

  本文由電子行業(yè)自媒體陸楠老師和漢高工業(yè)電子共同創(chuàng)作