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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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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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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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宜特科技_96
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