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Sunyu Photonics破局PIC量產(chǎn)瓶頸:基于拋光FAU探頭的晶圓級邊緣耦合測試平臺

發(fā)布時間:2025-08-23 08:11:18 熱度:879

8/23/2025,光纖在線特邀編輯Helen
共封裝光子(CPO)作為突破AI算力瓶頸的關鍵技術,通過將光引擎與芯片一體封裝,大幅提升傳輸速率與能效,已成為超算與AI算力中心的核心發(fā)展方向。光子集成電路(PIC)作為CPO及傳統(tǒng)光芯片封裝中的功能載體,其性能直接影響系統(tǒng)表現(xiàn)。PIC晶圓級測試對CPO尤為重要,通過驗證其穩(wěn)定性、一致性和可靠性,為高效集成與良率提升奠定基礎。當前,面對多物理場、高密度集成等挑戰(zhàn),晶圓測試仍缺乏系統(tǒng)化、高效、高精度的解決方案,成為制約CPO及高端PIC技術規(guī)?;瘧玫漠a(chǎn)業(yè)瓶頸,亟需突破。

一、PIC 晶圓測試的挑戰(zhàn)

PIC 晶圓測試是確保PIC器件性能與可靠性的核心環(huán)節(jié),旨在封裝前識別和剔除性能不合格的芯片,避免為不良品支付昂貴的封裝和測試成本,并為晶圓工藝改進和良率提升提供直接的、基礎性的數(shù)據(jù)支持。與傳統(tǒng)的電芯片測試和單PIC芯片相比,PIC晶圓測試在以下幾個方面面臨挑戰(zhàn)。

1.光學對準精度要求極高  
光信號的耦合效率高度依賴于光纖探針與波導端面之間在六個自由度(X、Y、Z 位移和 Rx、Ry、Rz 旋轉(zhuǎn))上的亞微米級精確對準,而且必須保證光信號耦合的高重復性。傳統(tǒng)電學探針僅需垂直接觸,而光學測試需以非正交角度逼近,對準過程復雜且易發(fā)生碰撞,對機械系統(tǒng)與控制算法提出了極高要求。

2.工藝變異引入測量干擾  
在從單芯片研發(fā)擴展至整片晶圓測試時,硅厚度不均勻、刻蝕線寬波動、套刻誤差以及晶圓翹曲等工藝變異成為不可忽視的因素。這些變異導致每個芯片的最佳耦合位置發(fā)生偏移。若測試系統(tǒng)無法自動識別并補償這些偏差,將難以區(qū)分器件真實性能與耦合誤差,從而導致良率誤判。
3.多域系統(tǒng)集成與協(xié)同復雜  
光學測試需整合高精度運動平臺、光學探頭、電學儀器、機器視覺與溫控模塊等多個子系統(tǒng)。各系統(tǒng)需在微秒級別實現(xiàn)硬件觸發(fā)與數(shù)據(jù)同步。缺乏統(tǒng)一的軟件架構與通信標準進一步增加了系統(tǒng)集成與后期維護的復雜度與成本。

4.測試吞吐量成為量產(chǎn)瓶頸  
光學耦合是一個串行且耗時的過程。每個測試點均需進行光功率搜索與優(yōu)化,傳統(tǒng)手動或半自動方案每點耗時可達數(shù)分鐘,無法滿足量產(chǎn)對效率的要求。

5.校準依賴性強,重復性差  
光學測試結(jié)果極易受環(huán)境擾動與機械重復性的影響,晶圓重復裝卸會引入位姿偏差。若缺乏標準化校準流程(SoP),測試數(shù)據(jù)的可比性與可靠性將難以保證。


二、PIC 晶圓測試中的光學耦合方式與光探針類型

(一)光學耦合方式

PIC中光信號一般是水平傳輸?shù)?,在CPO等光引擎中,PIC與其他有源、無源器件的耦合也是水平耦合的。為了評估PIC中的光路功能和性能,PIC 晶圓測試中的光耦合主要包括表面耦合與邊緣耦合兩種方式,取決于材料平臺與芯片結(jié)構。

- 表面耦合(基于衍射光柵的垂直耦合)  
通過引入衍射光柵,將晶圓內(nèi)水平傳輸?shù)拇郎y光信號轉(zhuǎn)向90°,垂直于晶圓表面進行耦合。這種方式利用光柵的衍射效應,將周期性光柵制作于芯片表面波導上。在輸入端口,入射光信號以垂直方式入射到晶圓表面,當滿足相位匹配條件時,光可高效耦合入水平的光波導。在輸出端口,水平光波導中的出射光信號通過衍射光柵后,實現(xiàn)垂直于晶圓表面輸出。該方式在硅光與氮化硅平臺上工藝成熟、應用廣泛,測試系統(tǒng)實現(xiàn)相對比較容易,但其主要劣勢在于:1)帶寬受限與耦合損耗較大,提高帶寬常需采用多光柵復用等復雜方案。2)耦合光柵占用晶圓面積帶來一定的成本。3)在PIC芯片與其他光學元器件水平耦合時,需要通過刻蝕等工藝將相關的衍射光柵去除,以實現(xiàn)水平波導端面暴露,帶來額外成本和性能精度誤差。

- 邊緣耦合  
適用于波導端面暴露或嵌入深槽的結(jié)構(如 InP 邊緣發(fā)射器或硅光倒錐結(jié)構)。入射光信號和出射光信號直接在波導端面與光探針陣列進行高精度耦合,由測試系統(tǒng)基于光探針的光信號進行測量。光探針一般通過拋光陣列光纖或 3D 打印微透鏡等方式實現(xiàn)。這種方式與PIC與其他元器件的耦合方式一致,測試結(jié)果更加直接、準確。邊緣耦合具有帶寬高、損耗低的優(yōu)勢。邊緣耦合的難點是如何實現(xiàn)精準的光探針對準和提高耦合效率。在晶圓層面實現(xiàn)邊緣耦合還需要晶圓上在芯片輸入/輸出端面刻蝕深槽。
由于邊緣耦合具有直接、準確、綜合成本低等優(yōu)點,且在晶圓上為芯片測試預刻蝕耦合槽成本不高,已成為高帶寬 PIC 測試的主流趨勢。

(二)光探針類型

常用的光探針主要有以下三類:

1.平面光波導(PLC) 探針  
基于硅或氮化硅材料,將光路精確路由至芯片邊緣,模場尺寸可與 PIC 波導匹配,易于實現(xiàn)高端口密度與并行測試,適用于大規(guī)模量產(chǎn)。但其制造成本高,需針對特定 PIC 布局定制,設計周期長,靈活性較差。

2. 3D 打印光學探針  
利用雙光子聚合技術,在光纖端面集成 TIR 反射鏡和非球面透鏡等微光學結(jié)構,可實現(xiàn)高效精準的邊緣耦合。但其聚合物材料熱穩(wěn)定性較差,通道易發(fā)生漂移,限制了其在長期穩(wěn)定性要求高的場景中的應用。

2.拋光光纖陣列單元(FAU)  
通過精密加工控制光纖端面的曲面形貌與光潔度,實現(xiàn)與納米波導模場的最佳匹配,插入損耗極低。FAU 結(jié)構全玻璃/硅材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)極小,在溫度波動或機械應力下仍能保持穩(wěn)定的光學性能。FAU的淺插入深度允許使用尺寸更小的耦合溝槽,可簡化刻蝕工藝并降低成本,同時提升了自動化操作中的安全性,如圖1。此外,設計測試平臺需優(yōu)化FAU角度,以確保安全插入溝槽、光路方向正確以及光纖通道與晶圓上的光端口精確對準。

      
圖1 應用于PIC晶圓邊緣測試的FAU光探頭與PIC溝槽之間的耦合示意圖


三、Sunyu Photonics公司的系統(tǒng)性創(chuàng)新解決方案

晶圓級光子集成電路測試需要整合光學、電學和機械系統(tǒng)。多域的系統(tǒng)協(xié)同工作,是實現(xiàn)高效率、高可靠測試的關鍵所在。針對多領域協(xié)同帶來的巨大挑戰(zhàn),Sunyu Photonics 公司推出了一套基于邊緣耦合模式的高度集成、智能自動化的測試系統(tǒng),顯著提升了測試的重復性、吞吐量和可靠性,為PIC光子芯片的研發(fā)與量產(chǎn)提供了有力支撐。

1.應用于邊緣耦合的拋光FAU的優(yōu)化設計 
采用邊緣耦合技術路線,充分發(fā)揮其高通真度、高帶寬、低損耗的優(yōu)勢。采用自主優(yōu)化的拋光FAU作為核心光學探頭,其卓越的熱機械穩(wěn)定性(30分鐘內(nèi)光功率波動<0.1 dB,如圖2所示)和可重復的耦合特性,為自動化量產(chǎn)測試奠定了堅實基礎。


圖2 經(jīng)過拋光處理的 FAU 光探頭在邊緣測試中的耦合穩(wěn)定性


2.多層次全自動校準流程
校準是確保測試結(jié)果準確性的關鍵步驟。在晶圓級測試中,校準流程需要覆蓋光學探針、運動平臺和測試儀器等多個方面。通過精確的校準,可以消除系統(tǒng)誤差,提高測試結(jié)果的可靠性和重復性。校準流程的設計和實施,是測試系統(tǒng)性能的重要保障。Sunyu Photonics集成了一套完善的校準流程,作為高重復性測試的基石。該校準流程保障了即使重新裝片,測試差異仍可控制在 0.2 dB 以內(nèi)。
校準流程通常包括頂相機校準、運動平臺校準、晶圓校準和Z平面校準等步驟。頂相機校準用于確定全局坐標系和角度方向,確保機器視覺對準的準確性。運動平臺校準則通過高精度定位技術,確保平臺的位置精度。晶圓校準和Z平面校準則用于補償晶圓表面的不平整,確保測試過程中的穩(wěn)定對準。

1)視覺與運動基礎校準:包括相機標定與平臺定位精度校準(±1.5 μm),建立全局坐標系。
2)Z 軸平整度校準:通過采集多點構建晶圓表面三維高度圖,實時補償翹曲帶來的 Z 向變化。
3)FAU 旋轉(zhuǎn)中心(Pivot)校準:通過六軸操縱器進行小角度旋轉(zhuǎn)并迭代計算,確定虛擬旋轉(zhuǎn)中心,確保角度調(diào)整時不引起光纖末端的橫向漂移,有效避免碰撞。
4)FAU 角度校準:依次校準插入角(Rz)、入射角(Ry)和陣列對齊角(Rx),確保光路正向耦合入波導。
全自動校準體系能有效補償晶圓工藝變異和機械重復性誤差,確保每次測試均在最佳狀態(tài)下進行,小于0.1 dB次間(run-to-run)差異實現(xiàn)了極高的短期測試重復性,小于0.2 dB的裝載間(load-to-load)差異則反映了系統(tǒng)長期重復性和魯棒性以及軟件算法、校準流程、自動化水平的綜合實力。

3.智能軟件平臺與高速算法
Navigo是Sunyu Photonics公司專有的PIC測試集成軟件系統(tǒng),專門設計應對自動化PIC集成光子晶圓測試中的多物理域參數(shù)交互及過程控制。Navigo無縫管理運動臺、光學探針、電氣儀器和視覺系統(tǒng)之間的復雜交互,確保在光學、電氣、機械和熱域之間協(xié)調(diào)操作,該軟件平臺構成整個自動化測試系統(tǒng)的“智能大腦”。其集成的高速梯度搜索算法,將光學對準時間縮短至3-4秒,徹底解決了邊緣耦合的效率瓶頸。實測數(shù)據(jù)顯示,系統(tǒng)可在125分鐘內(nèi)完成520個測試點,平均每點僅需14秒(包含平臺移動、光纖對準和波長掃描),可顯著提升PIC的量產(chǎn)效率UPH(每小時產(chǎn)量)。

1)低代碼流程開發(fā):通過圖形化界面拖拽組件,工程師可快速構建包含波長掃描、偏振控制等復雜測試序列,顯著降低開發(fā)門檻與時間成本。
2)實時數(shù)據(jù)處理與反饋:結(jié)合高速搜索與優(yōu)化算法,系統(tǒng)能在毫秒級別完成光功率優(yōu)化與數(shù)據(jù)采集,大幅提升測試吞吐量。
3)系統(tǒng)集成與通信控制:通過統(tǒng)一的軟件架構協(xié)調(diào)多子系統(tǒng)運作,確保硬件觸發(fā)與數(shù)據(jù)同步的高效與穩(wěn)定。

Navigo模塊化的可擴展軟件平臺專為實現(xiàn)復雜光子集成電路晶圓級測試而設計,測試流程如圖3所示。


圖3 基于云平臺的Navigo模塊化可擴展軟件架構


4.高穩(wěn)定性硬件平臺與自動化擴展 
PS300測試平臺提供亞微米級定位精度(<±1.5 μm)和高機械穩(wěn)定性??蛇x配的全自動晶圓加載器,實現(xiàn)了無人化操作,杜絕人為誤差,確保量產(chǎn)環(huán)境下的測試一致性與高效率。

光子集成電路(PIC)的晶圓級測試是一項涵蓋精密機械、光學設計、自動控制與軟件算法等多學科交叉的復雜系統(tǒng)工程。面對光學對準、工藝變異、系統(tǒng)集成、測試效率與重復性等核心挑戰(zhàn),Sunyu Photonics的解決方案直面PIC晶圓測試的核心痛點,通過光電軟機一體化創(chuàng)新,成功破解了邊緣耦合技術在精度、效率與可靠性方面的產(chǎn)業(yè)化難題,為PIC大規(guī)模量產(chǎn)提供了至關重要的測試保障,有望加速整個光子集成產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程。


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