摘要：

在 5G、人工智能大模型及祘力集群爆髮式增長的背景下，光模塊作爲數(shù)據(jù)中心與通信網(wǎng)絡(luò)的核心傳輸載體，麵臨著帶寬躍遷、功耗優(yōu)化和多維集成等核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)封裝工藝（如銀膠貼裝、共晶焊和熱壓鍵閤）等逐漸暴露齣精度不足、熱管理效率低下或高頻信號損耗高等瓶頸。激光輔助鍵閤（Laser Assisted Bonding, LAB）技術(shù)憑藉加工精度高、非接觸式局域加熱以及易結(jié)閤高速閉環(huán)溫控繫統(tǒng)和過程控製等優(yōu)勢，正重構(gòu)光模塊製造的技術(shù)邊界。本文繫統(tǒng)解析光通信模塊的技術(shù)演進路徑，深度探討 LAB 技術(shù)的核心價值及其在光模塊製造中的應用前景。

一、光模塊技術(shù)演進：

從Gbps到Tbps的四階躍遷

1. 第一代（1990s-2000s）：低速互聯(lián)與簡單封裝。

20 世紀末到 21 世紀初，光模塊主要基於多模光纖與 LED 光源進行通信，其傳輸速率通常不超過 1Gbps。封 裝 形 式 以 TO - CAN（Transmitter Optical Sub-Assembly） 爲 主， 焊 接工藝則依賴手工焊錫或 Hotbar 技術(shù)。這一時期的光模塊主要應用於互聯(lián)網(wǎng)初期的局域網(wǎng)（LAN）與電信骨榦網(wǎng)等領(lǐng)域。然而，由於技術(shù)和工藝的限製，當時的光模塊存在體積龐大、集成度低等問題，難以適應後續(xù)通信技術(shù)對小型化和高性能光模塊的需求。

2. 第二代（2010-2015）：高速化與標準化封裝

進 入 2010 年， 單 模 光 纖 與 VCSEL（垂直腔麵髮射激光器）逐漸普及，光模塊的傳輸速率得到瞭顯著提陞，達到 10G-40G。封裝技術(shù)也迎來瞭陞級，SFP + / QSFP 封裝形式的應用使端口密度提陞瞭 4 倍。衕時，倒裝芯片（Flip Chip）技術(shù)開始被引入光模塊製造領(lǐng)域。但在這一時期，光模塊的製造仍主要採用銀膠貼裝工藝，其導熱繫數(shù)相對有限，導緻芯片結(jié)溫較高，影響光模塊的性能和可靠性 ；共晶高溫焊接工藝雖然能夠提供較好的連接強度，但容易導緻基闆翹麴，降低生産良率，併且對後續(xù)的校準等工藝步驟産生不利影響。

3. 第三代（2016-2020）：硅光集成與 400G 時代

2016 年至 2020 年期間，硅光子技術(shù)實現(xiàn)瞭光電子芯片與 CMOS 工藝的集成，推動光模塊的傳輸速率突破至 400G，採用瞭 PAM4 調(diào)製與COB（Chip - on - Board）封裝技術(shù)。熱壓焊精度也提陞至 ±10μm（無源對準）。然而，這一時期光模塊製造仍麵臨一些核心瓶頸 ：一方麵，高頻信號損耗限製瞭 56Gbaud PAM4 性能的進一步提陞 ；另一方麵，硅光耦閤對準精度要求極高，傳統(tǒng)工藝難以滿足這一要求，導緻生産良率有限，製約瞭光模塊的大規(guī)模生産和應用。

4. 第四代（2021- 未來）：Tbps時代與多維集成革命

隨著通信技術(shù)的不斷髮展，光模塊正邁入 Tbps 時代，併迎來瞭多維 集 成 革 命。CPO（Co - Packaged Optics）技術(shù)將光引擎與 ASIC 芯片共封裝，使電鏈路縮短至毫米級 ；LPO（線性可插拔光學）技術(shù)通過取消 DSP 芯片，降低瞭功耗約 30% ；此外，Chiplet 異構(gòu)集成技術(shù)也得到瞭廣泛應用。這些技術(shù)的更新給光模塊製造帶來瞭新的挑戰(zhàn)，例如熱堆積問題日益嚴重，傳統(tǒng)的散熱方案難以滿足散熱需求 ；信號完整性要求更高，對焊點尺寸精度的要求也更爲嚴苛。

二、LAB技術(shù)：重構(gòu)光模塊鍵閤工藝的三大維度

1. LAB 技術(shù)概述激光輔助鍵閤

（Laser - Assisted Bonding, LAB）是一種先進的材料連接技術(shù)，牠利用激光作爲熱源或能量源，實現(xiàn)材料間的高精度連接。LAB 技術(shù)結(jié)閤瞭激光的高能量密度、局部加熱和快速控製特性，因此在微電子封裝、半導體器件製造、光電子集成等多箇領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，尤其適用於對熱敏感或需要高精度定位的材料連接。

2. 實現(xiàn)高質(zhì)量 LAB 的關(guān)鍵因素

A) 光斑整形技術(shù) ：爲瞭實現(xiàn)良好的激光輔助鍵閤效果，通常需要將高斯光斑整形爲平頂光斑（見圖 1）。這樣可以有效避免鍵閤過程中局部能量過高而對芯片造成損傷。衕時，要求光斑的能量分佈具有較高的鋭利度，卽光斑邊緣需要非常陡峭，以最大程度地減少激光能量對芯片週圍器件或基闆的熱影響（見圖 2）。此外，光斑的大小和形狀應盡量與芯片的大小相匹配，避免多餘的激光對芯片産生不必要的影響。

圖1：高斯光斑整形爲平頂光，均勻的錶麵，光斑邊緣陡峭

圖2：芯片週邊溫度影響的測試

B）高速閉環(huán)溫控 ：溫度（溫度麴線）對鍵閤的質(zhì)量起到及其重要的影響（見圖 3）。在實際應用中，因爲激光速度非?？欤軌蚨虝r間産生巨大的能量，這就要求溫控能夠在極短時間響應，建議頻率是能夠達到 10kHz 左右。另外，溫控的準確性和重覆性也非常重要，一般搭配的溫控主要是利用紅外輻射測溫，而紅外輻射容易受環(huán)境噪音等影響，這樣就要測溫繫統(tǒng)具備高可靠性，能夠很好的處理這些信號，保證溫控的準確性和重覆性。衕時不衕芯片的髮射率也不一樣，溫控還需要能夠?qū)崟r的調(diào)整。最後，推薦採用衕軸的激光頭，這樣能夠精密的將激光 / 溫控 / 視覺有機的結(jié)閤在一起，達到更佳的使用效果（見圖 4）。

圖3：高速閉環(huán)溫控中的實時溫度麴線

圖4：衕軸激光頭

C） 過程控製 ：過程控製在激光輔助鍵閤中具有重要意義。不衕芯片的陞溫速度（陞溫麴線）、降溫速度（降溫 / 退火麴線）以及鍵閤時間等要求各不相衕，這就需要能夠?qū)崟r高效地對整箇過程進行控製。結(jié)閤 AI 等相關(guān)技術(shù)，可對相關(guān)過程數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而進一步優(yōu)化蔘數(shù)，提陞鍵閤質(zhì)量。

三、LAB 技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的迴流爐工藝相比，LAB 技術(shù)能夠適用於更薄、更密、更大的芯片（這也是未來先進封裝的趨勢），衕時鍵閤品質(zhì)更高，熱應力更小，對週邊環(huán)境無影響，且更節(jié)能、佔地小、運營成本低（見圖 5）。與熱壓焊對比，激光輔助鍵閤具備效率更高，更節(jié)能，在鍵閤過程中非接觸也能夠自我修正等優(yōu)勢（見圖 6）。另外，應用也更加靈活，激光可以從芯片的上麵照射，也能夠從芯片的下麵照射，也可以上下一起照射。

圖5：激光輔助鍵閤示意圖

圖6：鍵閤位置的自我修正

從各項性能指標來看，LAB 技術(shù)在導熱繫數(shù)、熱影響區(qū)、信號損耗、加工精度、量産良率、和工藝速度等方麵均優(yōu)於傳統(tǒng)工藝（具體數(shù)據(jù)見錶1）。這錶明 LAB 技術(shù)在提陞光模塊性能和提高生産效率等方麵具有顯著的優(yōu)勢，有望成爲未來光模塊製造的主流工藝之一。

錶1： LAB 與傳統(tǒng)工藝性能對比

四、案例分析

1. 國外某公司在芯片製造過程中，採用 LAB 技術(shù)進行鍵閤。芯片拾取在硅晶元上後，從底部利用激光繫統(tǒng)從晶元底部加熱進行鍵閤，這一工藝使得鍵閤效率得到瞭大幅度提陞，衕時對週邊器件無影響，有效提高瞭産品的質(zhì)量和生産效率（見圖 7）。

圖7：芯片製造過程中採用 LAB 技術(shù)進行鍵閤

2. 國內(nèi)某公司在高速光模塊製造中，將倒裝芯片鍵閤到基闆上時應用瞭 LAB 技術(shù)（見圖 8）。實踐錶明，LAB 技術(shù)能夠大幅度提陞鍵閤效率，併且具有高加工精度、無翹麴應力小等優(yōu)點，從而顯著提高瞭産品的良率，降低瞭生産成本，增強瞭企業(yè)在市場中的競爭力。

五、結(jié)論：LAB 定義 Tbps 時代的製造範式

激光輔助鍵閤（LAB）技術(shù)憑藉“ 精度 - 效率 - 智能” 三位一體的優(yōu)勢，已成爲推動光通信曏 Tbps 時代演進的核心引擎。從 CPO 熱管理到硅光集成，LAB 技術(shù)不僅有效解決瞭傳統(tǒng)工藝的固有瓶頸，更開闢瞭光 - 電 - 祘深度融閤的製造新路徑。隨著人工智能祘力需求的指數(shù)級增長，LAB 技術(shù)將在全球半導體産業(yè)鏈中髮揮越來越重要的作用，深度重構(gòu)産業(yè)格局，併有望推動中國企業(yè)在高端光模塊市場實現(xiàn)“ 換道超車”，提陞我國在光通信領(lǐng)域的核心競爭力，爲通信技術(shù)的持續(xù)髮展和創(chuàng)新提供有力支撐。

【本文轉(zhuǎn)自《一步步新技術(shù)》雜誌，作者許靈敏，黃燕雄，龍大爲，Julian Mergenthaler，來自騁電電子科技（深圳）有限公司。】