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矽光子開發遇到什麼瓶頸?

宜特科技_96
・2025/11/18 ・2114字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自宜特小學堂〈矽光子開發為何這麼難?驗證手法是關鍵〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

談到「漏電」,你一定很熟悉;但「漏光」呢?在積體電路(Electrical Integrated Circuit, 簡稱EIC)的世界,短路、開路、金屬遷移,是工程師每天要面對的課題。然而,當「光」也被整合進晶片,遊戲規則就完全不同了。

在矽光子積體光路((Photonic Integrated Circuit, 簡稱PIC)的世界,要處理的不是電子,而是光子:耦合損耗、波導裂縫、散射與吸收,都可能成為隱形殺手。你不再只檢查電流是否順利通過,而是要量測不同波長下的衰減(Insertion Loss)、偏振依賴性(PDL),甚至追蹤隱藏在波導裡的漏光點。

在邁向 CPO(Co-Packaged Optics,共同封裝光學)的道路上,幾乎所有研發團隊都深有同感:前一步才剛突破設計,下一步卻又卡在測試或封裝。從漏光、光損,到可靠度與良率,每個環節出錯都可能拖慢你的進度。

矽光子開發為何卡關?

從宜特實際接案經驗來看,依照製程順序,可歸納出五大痛點:

  1. PIC 前段驗證不足:

由於缺乏PIC晶片封裝前的 Pre-test 介面,加上 Die-to-Die 對位精度難以掌握,往往導致後段整合良率下降。

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  1. 光學元件可靠度驗證難以量化: 

目前矽光子產品在可靠度驗證上存在兩大挑戰:一是光電二極體(Photodiode, PD,光檢測器)缺乏可程控、多通道的老化測試平台,導致其在高功率或長時間操作下的壽命特性難以量化;二是光學元件在進行溫度循環、濕熱、震動或灰塵等可靠度試驗時,對於Insertion Loss(IL,光損耗或插入損耗)的變化缺乏明確數據,也讓研發團隊在長期可靠度驗證上面臨更大風險。

  1. 晶片切割(Die Saw)s風險高: 

對於 Low-K 材料的 PIC 晶片而言,切割過程容易產生邊緣崩裂(chipping)與結構損傷,影響後續的可靠度與性能

  1. 缺陷分析與 CP 測試困難:

光損熱點與漏光位置難以快速定位,而波導、耦合器、調變器等結構缺陷的分析亦缺乏精準工具

  1. CPO 封裝挑戰嚴峻:

在 PIC、EIC 與 FAU (Fiber Array Unit) 的組裝過程中,封裝翹曲(warpage)問題常導致良率降低,成為工程師迫切需要突破的瓶頸以上這些問題,宜特早已準備好解答。從 Substrate/Socket 設計、光及電測試可靠度驗證結構分析,我們都可提供標準化、可擴充的測試方案,完整支援你的矽光子開發流程。

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Q1:PIC 在封裝前要怎麼測?沒有介面怎麼辦?
A1:很多團隊因為缺乏 Pre-test 介面,只能等到正式封裝後才知道結果,風險很大。宜特能設計客製化 Substrate 與 Chip Bonding 流程,支援晶片在封裝前就能進行高速光測試;同時透過精準 Die-to-Die 對位,幫助工程師在驗證階段就把握良率關鍵。

Q2:光檢測器(PD)怎麼模擬高功率與長期使用情境?
A2:多數客戶苦於沒有多通道、可程控的平台,無法進行長期老化測試。宜特打造定電流、定電壓模組,可同時測試多組PD。可程控雷射源,模擬高功率工作環境。並能提供完整的長期壽命驗證,針對光老化、PD stress 提供完整解決方案,確保 PD 元件的穩定度。

Q3:光學元件的可靠度要怎麼量化?IL 變化沒有標準依據怎麼辦?
A3:在溫度循環、濕熱、震動或落塵等可靠度測試中,IL 變化往往難以界定。宜特建立了全系列可靠度測試流程(TCT、熱循環、震動、落塵…),並以 IL 變化作為Pass/Fail判斷,讓風險數據化,設計決策更有依據。

Q4:遇到光損熱點或波導缺陷,該如何快速找到問題?
A4:傳統檢測常像「黑盒子」,缺陷難以被精準定位。宜特與光晶片量測設備商光焱展開合作,導入Enlitech NightJar光學檢測平台,透過晶圓層級光損 mapping,不只能找到漏光位置,此平台更能量化光衰數值並精準定位異常區域。同時,我們也能針對耦合器、波導、調變器與 PD 進行深度結構分析,完全攤開隱藏缺陷。

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Q5:CPO 封裝與晶片切割最怕良率掉,該怎麼避免?
A5:PIC + EIC + FAU 的組裝常因封裝翹曲(warpage) 而降低良率。宜特提供組裝前 Warpage 量測,在問題放大前預防風險。另外針對 Low-K PIC 晶片切割,我們具備雷射溝槽(Laser Grooving)和精密刀片切割(Blade Dicing,簡稱BD)技術,有效降低邊緣崩裂(chipping),提升晶片良率與可靠度。

少走彎路,才能快一步從電路跨向光路

隨著 AI 伺服器與高速交換器需求飆升,業界將加速導入 CPO(Co-Packaged Optics)與光電整合 (EIC+PIC) 的應用。宜特矽光子驗證一站式解決方案,從設計、光電測試、可靠度驗證到封裝挑戰,不僅協助你縮短研發時程,更確保每一步都有數據依據,少走彎路。

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我們了解你想要的不只是服務,而是一個更好的自己:) iST宜特自1994年起,以專業獨家技術,為電子產業的上中下游客戶, 提供故障分析、可靠度實驗、材料分析和訊號測試之第三方公正實驗室

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矽光子量產在即,但20年的老規範還能測CPO嗎?
宜特科技_96
・2026/07/01 ・3467字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自宜特小學堂〈矽光子可靠度驗證該依循哪個規範?當老規範GR-468遇上新科技,系統如何順利Bring-up?〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

台積電在 2026 年技術論壇中明確指出,隨著製程邁入 2 奈米奈米片(Nanosheet)時代,AI 算力的延續必須仰賴《晶片版三層蛋糕論》,涵蓋運算、異質整合與 3D IC,以及最關鍵的「光子(Photonics)」。誠如台積電高層所言:「談到運算能力,電子無可匹敵;但談到訊號傳輸,光子則更勝一籌 。」

未來資料中心的傳輸勢必由電子轉向光學,而台積電的矽光子先進封裝平台 COUPE(緊湊型通用光子引擎,Compact Universal Photonic Engine) 也已搭載到基板上,並宣告今年將進入量產階段。NVIDIA、Intel、Broadcom 等大廠也爭相搶進 CPO(Co-Packaged Optics,共同封裝光學)賽道。

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然而,當光電元件從「獨立模組」轉向「高度整合」的晶片封裝時,可靠度驗證的複雜度已不可同日而語。

面對工程師最常問的:「那規範在哪裡?」


實務上,目前業界針對 CPO 或矽光子產品還沒有單一且完全專屬的標準,最權威的依據仍是經典的 Telcordia GR-468。但在高度整合的趨勢下,這套傳統驗證邏輯正迎來前所未有的挑戰。

之前我們已從矽光子元件組成與決定效能的關鍵(閱讀更多:「光」革新突破半導體極限 矽光子晶片即將上陣),進而分享對應的解決方案(閱讀更多:矽光子開發遇到什麼瓶頸?),以及如何突破矽光子量產的核心難關(閱讀更多:矽光子CPO量產見曙光!從「漏電」到「漏光」如何迎刃而解?)。

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亦針對光子積體電路(PIC)的五大關鍵部件,詳細剖析其常見故障模式(閱讀更多:為什麼 AI 晶片需要「光」?拯救超貴晶片的「矽光子眼科醫生」大解密!)。
本文將從光通訊規範 Telcordia GR-468 的角度,分享如何終端系統應用,回推到模組、元件與製程層級,矽光子系統如何順利 Bring-Up(啟動調試)與量產導入。

一、Telcordia GR-468 究竟是什麼規範?還堪用嗎?

電信級 Telcordia GR-468 是由通訊權威機構 Telcordia Technologies (前身為為美國貝爾通訊研究公司 Bellcore)於 2004 年釋出的核心規範(GR-468-CORE)。儘管它問世已久,但其嚴謹的測試架構,至今仍是全球矽光子元件進入 AI 伺服器供應鏈時,最被系統客戶採用的可靠度驗證依據。

Telcordia GR-468 這項規範的核心價值在於其「跨領域的覆蓋力」

(一) 涵蓋完整光電鏈:包含雷射二極體(Laser Diode,簡稱 LD)、光電二極體(Photodiode,簡稱 PD)、電吸收調變器(Electro-Absorption Modulator,簡稱 EA Modulator)和 LED 等相關光電元件。

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(二) 封裝層級延伸:GR-468 依「組裝完成度」將待測物分為多個封裝層級(Assembly Level),測試對象可從晶圓到單一晶片,延伸至次模組,仍至整顆光模組,從不同層級對應不同測試條件與驗證深度。

GR-468規範示意圖,從晶圓到最終整合模組的完整生命週期,可分為五個驗證階梯。
GR-468規範示意圖,從晶圓到最終整合模組的完整生命週期,可分為五個驗證階梯。圖/宜特科技AI輔助生成製作。

(三) 環境模擬:GR-468 規範嚴格區分機房溫控環境(Central Office,簡稱 CO)與戶外無空調環境(Uncontrolled Environment,簡稱 UNC),不同環境對應不同溫度範圍與應力條件,讓驗證條件貼近真實系統場景,這正是系統端最在意、也最容易在早期被低估的風險來源。


例如,應用於資料中心機房的設備,長期處於溫控環境,溫度與濕度波動小,應力條件相對溫和,驗證重點在於長時間的穩定運作。而隨著 AI 應用場域的擴張,例如:馬斯克計畫將 AI 運算中心送入外太空,若設備處於戶外或無空調環境(Uncontrolled Environment, UNC),將面臨劇烈的溫度波動、濕熱與高環境應力,極端溫差將嚴苛考驗封裝材質與光學對位的穩定度。

(四) 定性與定量並重:Telcordia GR-468 除了可藉由「定性測試(Qualitative Tests)」判別是否符合規範(Pass 或 Fail)、是否可量產導入,亦可透過「定量測試(Quantitative Tests/ Aging Tests)」進行壽命推估(EOL)、可靠度模型建立與系統設計優化。

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GR-468 兼顧定性和定量測試,不只可判別是否可量產導入,亦可推估出系統壽命。
GR-468 兼顧定性和定量測試,不只可判別是否可量產導入,亦可推估出系統壽命。圖/宜特科技AI輔助生成製作。

以上這些 Telcordia GR-468 的設計,讓可靠度驗證能隨產品成熟度逐步展開,非常符合矽光子系統 Bring-Up 與量產導入節奏。

二、為什麼矽光子元件跑完規範,系統還是掛了?

看來 GR-468 規範仍然寶刀未老,但為何在實際應用中,許多跑完規範的矽光子系統仍無法順利運作呢?
宜特觀察發現,即便產品通過了 GR-468 規範中的環境應力測試,開發者在系統 Bring-up 或長期運作時,依然會頻繁遭遇莫名的訊號衰減。

這是因為在 CPO 架構下,光、電、熱、機械四者間的交互影響極其複雜。傳統「通過/不通過(Pass/Fail)」的判定邏輯,已不足以偵測高度整合後產生的深層失效模式。

以下是矽光子走向系統整合時,最令工程師頭痛的兩大硬傷:

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(一) 熱力學矛盾與 ELS(外置光源)的妥協:

負責核心運算的 GPU(圖形處理器)屬於高功耗熱源,運作溫度動輒攀升至 100°C,這與對熱極度敏感、工作溫度需壓制在 70°C 以下的光傳輸元件(雷射光源)產生了嚴重的熱力學矛盾。雷射光源受熱會導致啟動閾值電流指數型增加、波長變長(紅移),並加速元件內部缺陷擴散而縮短壽命。

為了化解這項矛盾,業界傾向 ELS(External Laser Source,外置光源),將雷射光源像電池一樣外掛。但這衍生了以下風險 :

1. 高功率運作的老化(Aging under High Power):

ELS 需供應極高光功率給多個矽光引擎,雷射在極高驅動電流下運作,內部的晶格缺陷會隨時間與高溫擴大,形成「暗線缺陷(Dark Line Defects)」,導致發光效率劇降。

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宜特建議可執行HTOL(高溫操作老化測試)。在 85°C 或更高溫下持續通電數千小時,觀察光功率衰退曲線,以推算出產品是否能支撐 10 年以上的系統壽命。

2. 連接介面的脆弱性:

ELS 增加了連接介面,保偏光纖(PM Fiber)的過度凹折,或是接頭沾染微塵、插拔產生機械微裂痕,都會導致插入損耗(IL)升高,成為系統潛在的故障點。

(二) 異質整合的「應力」拉扯(CTE Mismatch,熱膨脹係數失配):

矽光子晶片內含矽、三五族化合物、玻璃光纖與金屬,這些材料受熱後的膨脹程度(CTE)差異極大。例如矽晶片(2.6)與 PCB 板(15)甚至 UV 光學膠(50~100)之間巨大的應力差,在發熱時會產生劇烈拉扯:

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1. 次微米級的對位挑戰:

光纖陣列(FA)與矽光晶片耦合時,對位精度要求在次微米級。一旦受熱產生Warpage(翹曲)或應力拉扯,輕則光路偏移,重則導致結構 Delamination(剝離)。
宜特建議可透過 TC(溫度循環測試)。在 -40°C 到 +85°C 之間劇烈變換,確認光學膠是否裂開,並嚴格監控 IL(插入損耗)是否超標,而非僅看元件是否能通電。

2. 膠材劣化與水氣滲透:

高溫高濕環境會導致固定用的 UV Epoxy(光學膠)發生老化、膨脹或潛變,直接造成訊號損失。
宜特建議可執行 THB(溫濕度偏壓測試,即85/85測試)。在 85°C/85% RH 環境下施加電壓 1000 小時以上,確保膠材在極端環境下的結構強韌度。

隨著矽光子與 CPO 架構的快速發展,可靠度驗證不該只是為了拿一張合格證書,而是要支撐系統長期的穩定運作。


目前的 Telcordia GR-468 規範環境要求, 主要分成機房溫控環境(簡稱 CO)與戶外無空調環境(簡稱 UNC),但在光通訊業者對故障經驗實務累積下, 以及未來更嚴苛的 AI 運算環境(例如太空軌道資料中心)需求下,現有標準已漸顯不足,IPEC 協會 2025 年可靠度執行協議針對光模組納入抗硫化、鹽霧、落塵等更嚴苛的環境測試,以滿足對可靠度的極致要求,相關供應鏈必須及早做好準備。

本文出自 www.istgroup.com

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矽光子CPO量產見曙光!從「漏電」到「漏光」如何迎刃而解?
宜特科技_96
・2026/05/26 ・4267字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文轉載自宜特小學堂〈矽光子CPO量產見曙光!從「漏電」到「漏光」如何迎刃而解?〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

全球AI大廠傾注資源,頂尖工程師竭盡腦汁。為什麼矽光子迄今仍無法順利量產?從電路跨入光路,隔行如隔山。矽光子這場史詩級戰役,最終誰能戴上勝利桂冠?

2025年,AI高速運算的戰火持續升溫。全球AI供應鏈都面臨同一件事:

電子頻寬已逼近物理極限,光電整合已不是選項,而是必然。而在這波升級浪潮中,最受矚目的關鍵,就是矽光子(Silicon Photonics)技術與 CPO(Co-Packaged Optics)封裝。

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從 NVIDIA 宣布導入矽光子技術、Broadcom 加速乙太網路新品布局,到台積電全力推進 COUPE 光子引擎,這場「光速競賽」已經開跑。不只產業巨頭動起來,台灣政府也將矽光子列入「AI 新十大建設」之一,預計在2028年達成矽光子供應鏈自主。經濟部更投入 29 億元光電前瞻技術計畫,要讓高雄成為未來的矽光子核心基地。

但即使擁有全球最強的工程團隊和政府資源,要讓矽光子走向量產,仍面臨許多難關。因為當光路(Photonic Integrated Circuit,簡稱PIC)被整合進晶片,整套驗證流程從電路(Electrical Integrated Circuit,簡稱EIC)問題瞬間跨到 PIC光子問題。這讓許多研發團隊,即使突破架構設計,最後仍卡關在矽光子量測速度太慢,驗證時程跟不上設計週期;光損位置抓不準,確切數值無法取得;封裝後出現不可逆故障、良率難提升等挑戰。

之前我們已針對矽光子五大研發挑戰,分享對應的解決方案(閱讀更多:矽光子開發為何這麼難?驗證手法是關鍵)。本篇宜特小學堂,將帶你進一步拆解矽光子量產的核心難關,並分享我們如何協助工程師加速 CPO 研發,進而成功邁向量產。

一、矽光子為何成為 CPO 的核心技術?

矽光子元件,包含波導(Waveguide)、調變器(Modulator)、分波器(Demultiplexer/Mux)、耦合器(Coupler)以及多數的光電二極體(Photodiode,PD)皆能直接採用與半導體晶片相同的CMOS(互補式金屬氧化物半導體)製程製造(閱讀更多:「光」革新突破半導體極限 矽光子晶片即將上陣)。

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這意味著光子元件可沿用既有的晶圓產線大規模量產,並具備與電子電路(EIC)同封裝或同晶圓整合的能力。

當光(PIC)與電(EIC)整合於同一平台,即可突破電子互連的物理極限,實現:寬頻、低功耗、高速傳輸、高抗干擾能力,並有效避免電子互連中常見的 Skin effect(趨膚效應)、Crosstalk(串音)與IL(Insertion Loss,插入損耗)急遽上升等問題,使SerDes互連能耗可從 15–25 pJ/bit 降至 1–3 pJ/bit,同時大幅降低熱管理負擔。

二、技術再美好,落地卻不易:矽光子量產前的三大驗證挑戰

雖然矽光子具備高速與低功耗優勢,但對於原本習慣處理電子電路的工程師來說,隔行如隔山,PIC 代表的是全新的物理現象與測試方法。宜特觀察,目前產業在推動矽光子量產時,驗證階段普遍面臨三大關鍵挑戰:

 (一) 矽光子元件測試速度緩慢,嚴重拖累開發時程

首先,最令人苦惱的是,目前矽光子元件的測試速度,和電測相比有巨大的落差,遠遠跟不上當前高速介面與AI晶片的開發節奏。

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在量測IL、PDL(Polarization Dependent Loss,偏振依賴損耗)、Responsivity(光響應度)和Spectral Response(頻譜響應)時,都需逐波長掃描取樣。另外,與電路可快速直接用探針Probe測試完全不同,矽光子元件無論在光纖耦合、波導測試,或是調變器量測時,每測試一顆都要重新調焦、調整入光角度。種種因素導致目前矽光子元件測試速度相當緩慢。

(二)電路問題可以量測,光損問題卻常常只能「推測」?

目前業界的矽光子光學晶圓驗收測試(Optical Wafer Acceptance Test,簡稱OWAT),大多仍依賴光反射量測(Reflectometry)與頻譜分析(Spectral Analysis),去推斷可能漏光位置。但這種方法只能「推斷」,並非「精準」掌握。

多數晶圓廠只能進行總體插入損耗(Total IL)檢查,工程師能看到光效能變差,卻難以判斷光損的確切數值與來源。當缺乏確切位置與量化數值時,將導致設計、封裝與量產端就容易在同一問題上反覆卡關,難以有效收斂。

更困難的是,PIC的光訊號比電子訊號更敏感,而造成光損的因素也更分散且複雜,使光損不僅難以預測,更難以靠傳統光學量測方法進行來源定位。

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由於需要矽光子技術的多數應用,都是高速介面與AI運算相關的驅動與控制電路,因此所搭配的EIC往往採用5nm、3nm等先進製程,單顆晶片成本相當高昂。相較之下,PIC多以成熟製程生產,成本明顯較低。若等到異質整合階段(如PIC與EIC貼合、組成CPO模組)才驗出PIC的光損問題,將連帶造成整顆EIC無法回收,整組模組也只能報廢,損失將成倍放大。因此,PIC必須在晶圓階段就完成精準篩選。

因為風險極高,PIC晶片常被迫全檢(100% inspection),以避免在PIC與EIC貼合後才發現問題。然而全檢不僅耗時、成本極高,也無法從根本上改善矽光子量產階段的設計迭代效率。這些量測上的限制,正是矽光子從技術突破邁向大規模量產時所面臨的最典型、也最難纏的瓶頸之一。

(三)封裝後才發現隱藏熱源,造成低良率風險

由於矽光子元件高度整合、光與電距離極近,模組內部往往潛藏局部熱源。更棘手的是,這些微量熱源往往肉眼不可見,也無法透過傳統電測偵測。工程師通常只能從IL、PD Responsivity或BER變差等「結果」觀察到問題,但卻無法直接判斷熱源位置、強度與根本原因。

若未在wafer或晶片階段提前檢出,即時監測與定位,後續在封裝與上機運作後,便可能引發波導漂移、光損增加、熱光效應失衡、甚至元件提早老化等失效模式。整顆模組可能無法返修,只能報廢,造成CPO與光模組的良率大幅降低。

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三、宜特 × 光焱科技:矽光子驗證痛點的完整解方

為協助產業突破這些瓶頸,宜特與光晶片量測設備商-光焱科技(Enlitech)結盟,整合「宜特懂電、光焱懂光」的雙強實力,共同打造出一個從矽光子元件、晶圓到模組的光電整合量測平台。能幫助研發工程師,在開發階段就快速掌握光衰與缺陷位置,大幅縮短研發週期,加速矽光子技術邁向量產化。

(一)從「推測」正式進入「證據量測」時代:不只精準看出光損位置,連確切數值都能提供

宜特導入光焱科技Night Jar™ 矽光子測試解決方案 (Silicon Photonics Testing Solution),搭配全球獨家專利技術,可針對晶圓、晶片與模組進行高速光損(Insertion Loss)Mapping。

過去OWAT (Optical Wafer Acceptance Testing)只能告訴工程師「光進光出總光損多少」,Night Jar™ 則能告訴工程師哪個die、哪個結構異常、漏光位置在哪裡?漏光和光損精確數值是多少?

且Night Jar™ 量測流程如同操作OM 或X-ray一樣直覺,與目前業界光學設備相比,Night Jar™ 擁有更清晰的漏光影像、可視化光損分布、每個光子元件的定量光損值(Quantitative IL Value),亦可做到局部光損定位。

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這是傳統OWAT或一般光損儀器完全做不到的能力。

圖一:傳統OWAT光學量測示意圖。此法只能告訴工程師「總光損多少」,卻無法得知漏光位置和光損的精確數值。(圖片來源:宜特科技)
圖二:Night Jar™ 可讓使用者直接「看到」光損的位置與損失量,能夠「看到」光是從哪裏、哪個結構中溢出或損耗的。這對於故障分析和設計除錯非常重要。(圖片來源:光焱科技)

(二)速度與精度雙突破,終於可跟上研發需求


Night Jar™最大特色是其檢測速度極快,每秒即可完成一個區域的影像拍攝,整體效率比市面上快上一倍之多。而平台內建的高精度耦光對位模組(Alignment Module)精準度可達 0.2 nm,顯著提升量測的穩定性與重複性(Repeatability),使光損數據更可靠、更具工程分析價值。

圖三:光焱Night Jar™對於市面上矽光模組的實測能力。(圖片來源:光焱科技)

(三)從光損分布到熱源影像,同步掌握模組隱藏風險

透過Night Jar™的光損Mapping,我們能在研發早期精準標記異常光衰的區域。若進一步結合光熱影像(Optical-Thermal Imaging)分析,可同步揭露模組中的潛藏熱源(Hotspots),協助工程師在封裝前就掌握:熱漂移(Thermal Drift)、波導附近的局部過熱、調變器或雷射源的熱累積、光電二極體(PD)受熱造成的性能變動等,這是傳統電測或封裝後驗證難以達成的能力。

(四)精準光損定位後,進入更深入的物性與結構分析

當光衰位置被正確鎖定後,工程師便能將分析範圍聚焦在特定元件及區域,後續即可進行:PFA(Physical Failure Analysis,物性分析)和MA(Material Analysis,材料/結構分析)。

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透過 SEMDual-Beam FIBPlasma FIBTEMX-raySIMS 等手法,能將隱藏在波導、耦合器、調變器等元件內部的微缺陷完整揭露,加速設計收斂與製程優化。

(五)CPO模組可靠度測試:以 IL 變化為核心判斷依據

在光學元件通過前段量測後,組裝完成的CPO光電模組,如COUPE(Compact Universal Photonic Engine)等產品,可直接進入全項可靠度測試流程,包括:TCT(Temperature Cycling Test,溫度循環)、HAST / 濕熱測試、振動(Vibration)、落塵(Particle Contamination)等。所有測試均以IL變化量 作為通過與否的標準,確保模組能達到國際大廠規格。透過數據化與統計化量測,可有效量化風險,協助工程師做出更精準的設計與製程判定。

少走彎路,才能快一步,從電路跨向光路。要真正克服 CPO 光電整合的難題,在可靠度過關的情況下實現量產,這場仗,全世界都在看。而幫助你加快矽光子研發腳步的關鍵,就在於一站式的驗證手法。從Substrate和Socket 設計、光/電測試、可靠度驗證、故障分析和結構分析,到封裝挑戰的解決,流程越順,光速時代,就越快到來。

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本文出自 www.istgroup.com

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為什麼 AI 晶片需要「光」?拯救超貴晶片的「矽光子眼科醫生」大解密!
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・2026/05/07 ・3040字 ・閱讀時間約 6 分鐘

在 AI 時代,傳統靠「電」傳輸的技術遭遇瓶頸,導致 GPU 效能發揮不到兩成。科技界為此祭出「矽光子與 CPO」黑科技,將晶片的「大腦(運算晶片)」與「眼睛(光學元件)」完美結合。然而,若封裝後才發現這些「光學眼睛」出現故障,恐讓價值數千美金的晶片大腦一起陪葬報廢!本文將帶您輕鬆讀懂這項引領未來的技術,看工程師克服重重困難,打通AI量產的最後一哩路!

本文轉載自宜特小學堂〈別讓昂貴ASIC陪葬!掌握矽光子KGD驗證關鍵,打通CPO量產最後一哩路〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

NVIDIA 黃仁勳預期 2027 年 AI 基礎設施將達兆元規模,但傳輸瓶頸導致 GPU 使用率低於 20%。為突破限制,NVIDIA 與台積電積極佈局 CPO(共同封裝光學),透過 COUPE 技術實現光電 3D 異質整合,預計 2026 年邁入量產元年。

然而,從「電」轉「光」是全新的戰場。工程師面臨的不只是漏電,更是漏光、光耦合偏差與訊號衰減等棘手失效。當設計走向實體產品,最關鍵的挑戰,便是如何透過嚴謹的驗證,確保這項高價值技術的可靠度與壽命。

之前我們已從矽光子元件組成與決定效能的關鍵(閱讀更多:「光」革新突破半導體極限 矽光子晶片即將上陣),進而分享對應的解決方案(閱讀更多:矽光子開發為何這麼難?驗證手法是關鍵),以及如何突破矽光子量產的核心難關(閱讀更多:矽光子CPO量產見曙光!從「漏電」到「漏光」如何迎刃而解?)。

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本文將繼續帶領IC工程師轉換視角,從看診電性晶片的「神經內科醫生」變身為治療矽光子疾病的「眼科醫生」。我們將針對光子積體電路(PIC)的五大關鍵部件,詳細剖析其操作原理、常見故障模式以及尖端的故障分析(Failure Analysis, FA)技術,協助產業界打通矽光子量產的任督二脈。

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一、把大腦跟眼睛包在一起:什麼是 CPO

CPO(共同封裝光學)的核心概念,是將原本獨立的光收發模組與高階交換器晶片(或運算晶片)整合在同一個封裝載板上,大幅縮短電訊號傳輸距離,進而降低功耗與延遲。簡單來說,就是把晶片的「大腦」跟「眼睛」裝在同一個小盒子裡。在這個架構下有三個核心好夥伴:

  1. ASIC(大腦):負責高階運算的系統大腦。
  2. EIC(神經橋樑):負責放大訊號,擔任大腦與眼睛之間的翻譯官。
  3. PIC(眼睛):負責把電訊號變成光,用光速把資訊傳遞出去。

這種「異質整合」把大家拉得非常近,可以大幅降低延遲和功耗,但也帶來極大的「光電整合」的品質挑戰。

圖一:CPO 三大核心架構—ASIC、EIC 和 PIC。(圖片來源:iST 宜特-AI 輔助生成製作)

二、光學晶片的5 大嬌貴器官(PIC)與常見「疾病」

相較於業界已熟稔的 ASIC 與 EIC電路故障模式,PIC (光路) 才是CPO驗證中最陌生的戰場。PIC 這個光學元件裡面有五個關鍵部位,它們各有各的脾氣,如果生病了就會引發大災難;要精準定位並排除這些微觀病灶,極為仰賴尖端的故障分析(FA)技術,才能在量產前完成最後的風險收斂。

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圖二:PIC 晶片五大關鍵部件示意圖,每個部件都有獨特的物理機制與故障模式(圖片來源:iST 宜特-AI 輔助生成製作)
  • 光柵耦合器 (Grating Couplers, GC) :
    「光的專屬漏斗」,負責讓外部的光精準進入晶片。 對位只要稍微偏一點點,或是掉進一顆小灰塵,光就會漏掉。

    宜特實驗室可透過掃描式電子顯微鏡(SEM)、能量色散X射線光譜儀(EDX)、聚焦離子束(FIB)穿透式電子顯微鏡(TEM),進行微觀缺陷分析,並透過切片檢查確認雷射與光柵耦合的實體完整性。

  • 光波導 (Waveguides, WG) :
    可說是「光的高速公路」,讓光在晶片裡奔跑的專屬通道。如果通道牆壁不夠平滑(側壁粗糙),光在奔跑時就會一直撞壁散失掉。

    宜特科技可透過精細的切片分析(Cross-section),以觀察波導傳輸通道的結構尺寸是否合乎設計,並檢視是否有導致光訊號散失的結構變異或缺陷。

  • 熱調諧器 (Heaters) :
    可說是「溫度調節器」,透過加熱來改變光的特性。但很容易因為和其他元件靠太近而漏電,或是被靜電(ESD)打到直接燒毀。宜特實驗室針對漏電點進行橫截面檢查,並配合精密層次去除 (Delayer) 分析,逐層尋找燒毀或漏電的確切位置。

  • PN接面調變器 (PN Junction Modulator) :
    就像是「摩斯密碼發報機」,負責把電腦的「0 與 1」電訊號,變成「亮與暗」的光訊號。但偏偏它非常怕熱,溫度太高就會引發「熱飄移」導致失效,或者被靜電永久擊穿。

    在宜特科技實驗室中,可透過掃描電容顯微鏡(SCM)或原子力顯微鏡(AFM),將載子濃度與摻雜輪廓具象化,以確認是否符合原始設計。當然,PN 接面的切片檢查也是不可或缺的一環。

  • 鍺光電偵測器 (Ge Photodiodes, PD) :
    可想像成是「光的終點接收站」,負責在終點把「光」變回「電」。最致命的傷叫做「暗電流」(明明沒光卻偷偷漏電),這通常是因為材料裡混進了金或鋁等金屬微粒污染造成的。

    鍺光電偵測器的分析極具挑戰性。宜特科技透過電子束誘發電流(EBIC)技術進行高解析度的電性故障定位,再輔以穿透式電子顯微鏡(TEM)、能量色散X射線光譜儀(EDX)以及二次離子質譜儀(SIMS)進行深度的晶格缺陷與金屬污染分析,確保找出導致鍺光電偵測器失效的真兇。

三、為什麼量產這麼難?工程師面臨的終極大魔王

當這些技術要真正做成產品賣到市場上時,會遇到兩個超可怕的陷阱:

  • 大魔王一:「盲人穿針」的對準難題:
    要把光順利打進比「頭髮還要細」的通道裡,誤差必須小於 0.5 微米。這就像是矇著眼睛穿針線,非常耗時,嚴重拖慢了產品出廠的速度。

  • 大魔王二:「一顆老鼠屎壞了一鍋粥」的陷阱:
    因為 CPO 技術是把便宜的光學小零件,跟價值高達數千美金的 AI 大腦(ASIC)封裝死在一起。如果便宜的光學零件壞了,而且是在封裝後才發現,那整顆昂貴的 AI 晶片就只能直接當垃圾丟掉,這會讓公司的利潤瞬間歸零。

四、 解決方案:幫晶片做全套的「健康檢查」

為了解決這個把昂貴晶片陪葬的風險,業界現在採用了一套非常嚴格的標準(例如 Telcordia GR-468)。從晶圓剛出生的嬰兒期(Level 1)到最後組裝完成的成年期(Level 5),都要進行非常精密的「定性與定量」動態健康監測。

只要能精準掌握這些微小的病灶,找出漏光、漏電的真兇,我們就能打通這項技術的最後一哩路,迎來速度更快、更省電的AI新世代!

本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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