Μέθοδος οπτοηλεκτρονικής ενσωμάτωσης

Οπτοηλεκτρονικόςμέθοδος ενσωμάτωσης

Την ενσωμάτωσηφωτονικήΚαι η ηλεκτρονική είναι ένα βασικό βήμα για τη βελτίωση των δυνατοτήτων των συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών, επιτρέποντας ταχύτερους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και πιο συμπαγή σχέδια συσκευών και ανοίγοντας τεράστιες νέες ευκαιρίες για σχεδιασμό συστήματος. Οι μέθοδοι ενσωμάτωσης χωρίζονται γενικά σε δύο κατηγορίες: μονολιθική ολοκλήρωση και ενσωμάτωση πολλαπλών τσιπ.

Μονολιθική ενσωμάτωση
Η μονολιθική ολοκλήρωση περιλαμβάνει την κατασκευή φωτονικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στο ίδιο υπόστρωμα, συνήθως χρησιμοποιώντας συμβατά υλικά και διεργασίες. Αυτή η προσέγγιση επικεντρώνεται στη δημιουργία μιας απρόσκοπτης διασύνδεσης μεταξύ φωτός και ηλεκτρικής ενέργειας μέσα σε ένα μόνο τσιπ.
Φόντα:
1. Μειώστε τις απώλειες διασύνδεσης: Η τοποθέτηση φωτονίων και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων σε στενή εγγύτητα ελαχιστοποιεί τις απώλειες σήματος που σχετίζονται με τις συνδέσεις εκτός τσιπ.
2, Βελτιωμένη απόδοση: Η αυστηρότερη ολοκλήρωση μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων λόγω των βραχύτερων διαδρομών σήματος και της μειωμένης λανθάνουσας κατάστασης.
3, μικρότερο μέγεθος: Η μονολιθική ενσωμάτωση επιτρέπει εξαιρετικά συμπαγείς συσκευές, οι οποίες είναι ιδιαίτερα επωφελείς για εφαρμογές περιορισμένου στο διάστημα, όπως κέντρα δεδομένων ή φορητές συσκευές.
4, Μειώστε την κατανάλωση ενέργειας: Εξαλείψτε την ανάγκη για ξεχωριστά πακέτα και διασυνδέσεις μεγάλων αποστάσεων, οι οποίες μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις απαιτήσεις ισχύος.
Πρόκληση:
1) Συμβατότητα υλικών: Η εύρεση υλικών που υποστηρίζουν τόσο τα ηλεκτρόνια υψηλής ποιότητας όσο και τις φωτονικές λειτουργίες μπορεί να είναι προκλητικές επειδή απαιτούν συχνά διαφορετικές ιδιότητες.
2, Συμβατότητα διαδικασίας: Ενσωμάτωση των ποικίλων διαδικασιών κατασκευής ηλεκτρονικών και φωτονίων στο ίδιο υπόστρωμα χωρίς να υποβαθμιστεί η απόδοση οποιουδήποτε συστατικού είναι ένα σύνθετο έργο.
4, σύνθετη παραγωγή: Η υψηλή ακρίβεια που απαιτείται για ηλεκτρονικές και φωτονικές δομές αυξάνει την πολυπλοκότητα και το κόστος κατασκευής.

Ενσωμάτωση πολλαπλών τσιπ
Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία στην επιλογή υλικών και διαδικασιών για κάθε λειτουργία. Σε αυτή την ενσωμάτωση, τα ηλεκτρονικά και φωτονικά εξαρτήματα προέρχονται από διαφορετικές διαδικασίες και στη συνέχεια συναρμολογούνται μαζί και τοποθετούνται σε ένα κοινό πακέτο ή υπόστρωμα (Εικόνα 1). Τώρα ας απαριθμήσουμε τους τρόπους σύνδεσης μεταξύ οπτοηλεκτρονικών τσιπς. Άμεση σύνδεση: Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει την άμεση φυσική επαφή και τη συγκόλληση δύο επίπεδων επιφανειών, που συνήθως διευκολύνεται από τις δυνάμεις μοριακής συγκόλλησης, τη θερμότητα και την πίεση. Έχει το πλεονέκτημα της απλότητας και ενδεχομένως πολύ χαμηλών συνδέσεων απώλειας, αλλά απαιτεί ακριβώς ευθυγραμμισμένες και καθαρές επιφάνειες. Σύζευξη ινών/πλέγματος: Σε αυτό το σχήμα, η συστοιχία ινών ή ινών είναι ευθυγραμμισμένη και συνδεδεμένη με την άκρη ή την επιφάνεια του φωτονικού τσιπ, επιτρέποντας τη συζήτηση του φωτός μέσα και έξω από το τσιπ. Το πλέγμα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για κάθετη σύζευξη, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα της μετάδοσης του φωτός μεταξύ του φωτονικού τσιπ και της εξωτερικής ίνας. Οι οπές του σιλικόν (TSVs) και οι μικρο-αντέσεις: οι οπές του σιλικόν είναι κατακόρυφες διασυνδέσεις μέσω ενός υποστρώματος πυριτίου, επιτρέποντας στα τσιπ να στοιβάζονται σε τρεις διαστάσεις. Σε συνδυασμό με τα σημεία Micro-Convex, βοηθούν στην επίτευξη ηλεκτρικών συνδέσεων μεταξύ ηλεκτρονικών και φωτονικών τσιπ σε στοιβαγμένες διαμορφώσεις, κατάλληλες για ενσωμάτωση υψηλής πυκνότητας. Οπτικό ενδιάμεσο στρώμα: Το οπτικό ενδιάμεσο στρώμα είναι ένα ξεχωριστό υπόστρωμα που περιέχει οπτικούς κυματοδηγούς που χρησιμεύουν ως ενδιάμεσος για τη δρομολόγηση οπτικών σημάτων μεταξύ των τσιπς. Επιτρέπει την ακριβή ευθυγράμμιση και πρόσθετη παθητικήοπτικά εξαρτήματαμπορεί να ενσωματωθεί για αυξημένη ευελιξία σύνδεσης. Hybrid Bonding: Αυτή η προηγμένη τεχνολογία συγκόλλησης συνδυάζει την άμεση συγκόλληση και την τεχνολογία μικρο-χτύπημα για την επίτευξη ηλεκτρικών συνδέσεων υψηλής πυκνότητας μεταξύ των τσιπ και των οπτικών διεπαφών υψηλής ποιότητας. Είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρο για την οπτικοηλεκτρονική συν-ενσωμάτωση υψηλής απόδοσης. Συγκόλληση συγκόλλησης: Παρόμοια με τη συγκόλληση με τσιπ, τα χτυπήματα συγκόλλησης χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρικών συνδέσεων. Ωστόσο, στο πλαίσιο της οπτοηλεκτρονικής ολοκλήρωσης, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην αποφυγή βλάβης στα φωτονικά συστατικά που προκαλούνται από τη θερμική τάση και στη διατήρηση της οπτικής ευθυγράμμισης.

Εικόνα 1 :: Σχέδιο σύνδεσης ηλεκτρονίων/φωτονίων

Τα οφέλη από αυτές τις προσεγγίσεις είναι σημαντικά: Καθώς ο κόσμος CMOS συνεχίζει να ακολουθεί βελτιώσεις στο νόμο του Moore, θα είναι δυνατή η γρήγορη προσαρμογή κάθε γενιάς CMOS ή BI-CMO σε ένα φτηνό φωτονικό τσιπ πυριτίου, αποκομίζοντας τα οφέλη των καλύτερων διαδικασιών στη φωτονική και τα ηλεκτρονικά. Επειδή η φωτονική γενικά δεν απαιτεί την κατασκευή πολύ μικρών δομών (τα βασικά μεγέθη περίπου 100 νανόμετρων είναι τυπικά) και οι συσκευές είναι μεγάλα σε σύγκριση με τα τρανζίστορ, οι οικονομικές εκτιμήσεις θα τείνουν να ωθήσουν τις φωτονικές συσκευές να κατασκευάζονται σε ξεχωριστή διαδικασία, που διαχωρίζονται από οποιαδήποτε προηγμένη ηλεκτρονική που απαιτούνται για το τελικό προϊόν.
Φόντα:
1, Ευελιξία: Διαφορετικά υλικά και διαδικασίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα για να επιτευχθούν η καλύτερη απόδοση των ηλεκτρονικών και φωτονικών εξαρτημάτων.
2, ωριμότητα διαδικασίας: Η χρήση ώριμων διαδικασιών παραγωγής για κάθε στοιχείο μπορεί να απλοποιήσει την παραγωγή και να μειώσει το κόστος.
3, Ευκολότερη αναβάθμιση και συντήρηση: Ο διαχωρισμός των εξαρτημάτων επιτρέπει την αντικατάσταση ή την αναβάθμιση μεμονωμένων εξαρτημάτων ή αναβαθμίζεται πιο εύκολα χωρίς να επηρεάζεται ολόκληρο το σύστημα.
Πρόκληση:
1, Απώλεια διασύνδεσης: Η σύνδεση off-chip εισάγει πρόσθετη απώλεια σήματος και μπορεί να απαιτεί πολύπλοκες διαδικασίες ευθυγράμμισης.
2, αυξημένη πολυπλοκότητα και μέγεθος: Τα μεμονωμένα εξαρτήματα απαιτούν πρόσθετες συσκευασίες και διασυνδέσεις, με αποτέλεσμα μεγαλύτερα μεγέθη και ενδεχομένως υψηλότερο κόστος.
3, Υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας: Οι μεγαλύτερες διαδρομές σήματος και η πρόσθετη συσκευασία μπορεί να αυξήσουν τις απαιτήσεις ισχύος σε σύγκριση με τη μονολιθική ολοκλήρωση.
Σύναψη:
Η επιλογή μεταξύ μονολιθικής και ενσωμάτωσης πολλαπλών τσιπ εξαρτάται από τις απαιτήσεις που σχετίζονται με την εφαρμογή, συμπεριλαμβανομένων των στόχων απόδοσης, των περιορισμών μεγέθους, των εκτιμήσεων κόστους και της ωριμότητας της τεχνολογίας. Παρά την πολυπλοκότητα της κατασκευής, η μονολιθική ενσωμάτωση είναι επωφελής για εφαρμογές που απαιτούν ακραία μικρογραφία, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας. Αντ 'αυτού, η ενσωμάτωση πολλαπλών τσιπ προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία στο σχεδιασμό και χρησιμοποιεί τις υπάρχουσες δυνατότητες παραγωγής, καθιστώντας την κατάλληλη για εφαρμογές όπου αυτοί οι παράγοντες αντισταθμίζουν τα οφέλη της αυστηρότερης ολοκλήρωσης. Καθώς η έρευνα εξελίσσεται, διερευνώνται επίσης υβριδικές προσεγγίσεις που συνδυάζουν στοιχεία και των δύο στρατηγικών για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος ενώ μετριάζουν τις προκλήσεις που σχετίζονται με κάθε προσέγγιση.