共封裝光學（CPO）封裝工藝全流程及核心市場應用發展情況分析

第一部分：CPO技術概述

1.1 什么是CPO？
共封裝光學（CPO）是一種先進的封裝技術，它將硅光芯片（或傳統III-V族光芯片）、電子芯片（通常是ASIC，如交換芯片、CPU/GPU）在同一基板或插槽上高密度地集成在一起。它與傳統可插拔光模塊（如QSFP-DD）的關鍵區別在于：光引擎被從設備前面板移出，并放置在高性能計算芯片（ASIC）的附近，通過極短的高密度互連（如硅中介層、硅光平臺）進行連接，從而顯著減少尺寸、功耗和延遲。

1.2 為什么需要CPO？——核心驅動力：功耗與帶寬墻
隨著AI/ML、HPC、云計算和數據中心流量的爆炸式增長，傳統可插拔光模塊的功耗和帶寬密度即將達到極限。特別是用于CPO的交換芯片ASIC的功耗已超過800W，其SerDes（串行器/解串器）部分的功耗占比高達30%-50%。將高速電信號傳輸到前面板的光模塊需要經歷長距離的PCB走線，這會帶來巨大的信號完整性問題和高功耗。CPO通過將光互連緊靠ASIC，極大地縮短了高速電通道的長度，從而大幅降低功耗（可降低~30-50%）、提高帶寬密度、降低單位比特成本并減少延遲。

第二部分：CPO封裝工藝全流程詳解

CPO的封裝流程極其復雜，涉及硅光、先進封裝、高頻/高頻熱設計等多個領域的融合。其核心流程可概括為以下幾個關鍵階段：

流程總覽圖:
[光芯片/電芯片制備] -> [基板/中介層制備] -> [芯片貼裝與互連] -> [光學耦合與對準] -> [封裝與散熱] -> [測試與老化]

2.1 光芯片與電芯片制備

• 光芯片 (Optical Chip):

• 主流技術路徑： 硅光（SiPh）和III-V族（如InP）材料體系。硅光因其CMOS工藝兼容性、高集成度和低成本潛力成為主流選擇。

• 制備： 在硅晶圓上通過光刻、蝕刻、沉積等標準CMOS工藝制作光波導、調制器、光電探測器（PD）、光柵耦合器或邊緣耦合器等元件。

• 光源： 硅本身不發光，因此需要外部光源。目前主流方案是通過異質集成將III-V族材料制成的外置激光器（通常封裝在單獨的激光芯片上）的光耦合到硅光芯片中。

• 電芯片 (Electrical Chip):

• 核心： 高性能計算ASIC（如交換機ASIC、AI加速器）。這些芯片通常采用最先進的制程節點（如5nm、3nm）制造，集成數百個高速SerDes通道。

• 關鍵特性： 需要針對CPO進行協同設計，例如優化SerDes架構（可能采用更低功耗的NRZ或PAM4調制）、布局以方便與光引擎連接。

2.2 基板/中介層 (Substrate/Interposer) 制備
這是實現高密度電互連的基石。

• 材料： 硅中介層（Silicon Interposer）、玻璃基板、或具有再布線層（RDL）的有機基板。

• 工藝： 在基板上通過半導體工藝制作硅通孔 (TSV) 和高密度走線。TSV用于實現基板上下表面的垂直互連，而微米級的走線用于連接ASIC的凸點（Bump）和光引擎的凸點。

• 功能： 充當ASIC和光引擎之間的“高速公路”，提供數千條超短、低損耗的電連接通道。

2.3 芯片貼裝 (Die Attachment) 與互連 (Interconnection)
這是將不同芯片集成到基板上的關鍵步驟。

• 貼裝： 使用高精度取放設備（Pick & Place）將ASIC芯片和光引擎芯片（可能是一個或多個）貼裝到基板的指定位置。

• 互連技術：

• 主流： 混合鍵合 (Hybrid Bonding) 和 微凸塊 (Microbumps)。

• 混合鍵合： 是前沿技術，直接通過銅-銅鍵合實現芯片與基板的連接，間距可小于10μm，提供了最高的互連密度和帶寬，但工藝難度和成本極高。

• 微凸塊： 目前更成熟的技術，使用微小的焊料凸點進行連接，間距通常在35-55μm范圍。

2.4 光學耦合與對準 (Optical Coupling & Alignment)
這是CPO工藝中最難、最關鍵的環節之一，直接決定光鏈路性能。

• 挑戰： 將來自外部激光器或光纖的光高效地耦合到微米級別的硅光波導中。

• 耦合方式：

• 邊緣耦合 (Edge Coupling): 光纖對準芯片側面。耦合效率高，但對準精度要求極高（亞微米級），且不適合晶圓級測試。

• 光柵耦合器 (Grating Coupler): 光纖從芯片上方垂直對準光柵。放寬了對準精度要求（±2.5μm），便于晶圓級測試和封裝，但會引入較大損耗和波長敏感性。

• 對準與固定： 使用主動或被動對準技術，找到最大光功率傳輸點，然后用紫外（UV）膠水或激光焊接永久固定。這是一個高精度、耗時的過程。

2.5 封裝與散熱 (Packaging & Thermal Management)

• 封裝： 將集成好的模塊密封在一個保護外殼內，提供機械保護、環境隔離和電氣接口。需要充分考慮射頻信號和光信號的屏蔽。

• 散熱： CPO的最大挑戰之一。ASIC和激光器都是巨大的熱源，而硅光器件（如調制器）的性能對溫度極其敏感。必須采用先進的散熱解決方案，如微通道液冷（Microchannel Liquid Cooling）、均熱板（Vapor Chamber）和定制散熱器，將熱量高效地從芯片內部帶走，并維持整個模塊的溫度穩定。

2.6 測試與老化 (Testing & Burn-in)

• 挑戰： CPO模塊集成后，傳統的芯片級測試（如探針卡測試）無法進行，幾乎所有測試都必須在封裝后進行。

• 方法： 需要開發全新的測試策略和接口，通過基板上的測試點或專用接口，同時對電功能和光功能進行測試。老化測試用于篩選早期失效產品，確保可靠性。

第三部分：核心市場應用發展情況分析

CPO并非萬能技術，其應用由極高帶寬和極低功耗的需求驅動。

3.1 核心應用市場

1. 超大規模數據中心與云網絡 (Hyperscale Data Centers & Cloud Networking):

• 應用場景： 數據中心內部網絡（AI/ML集群互連、Spine-Leaf交換機互連）、數據中心互聯（DCI）。

• 驅動力： AI訓練（如萬億參數模型）需要成千上萬個GPU高速互聯（NVLink, InfiniBand），交換機端口速率正從800G向1.6T、3.2T演進，傳統可插拔模塊的功耗和密度已無法滿足。CPO是下一代交換機的必然選擇。微軟、谷歌、Meta、亞馬遜等云巨頭是主要推動者。

2. 高性能計算 (HPC) 與人工智能 (AI):

• 應用場景： 國家級超算中心、企業級AI計算集群。用于連接計算節點、加速卡和存儲單元。

• 驅動力： 解決“帶寬墻”和“功耗墻”，確保計算資源不被數據傳輸瓶頸所拖累。

3. 特定電信網絡 (Telecom):

• 應用場景： 未來6G基站的前傳/回傳網絡、核心網路由器。

• 現狀： 相對于數據中心，電信領域對可靠性、環境適應性和成本的要求更苛刻，CPO的滲透會晚于數據中心市場。

3.2 市場格局與主要玩家

• 交換機芯片廠商: 博通 (Broadcom)、Marvell 是領導者，均已推出支持CPO的交換機ASIC和參考設計。

• 光模塊/器件廠商: 思科（Acacia）、Intel（其硅光技術已出售給Jabil）、Coherent（原II-VI）、Source Photonics、華為、中興、亨通光電、中際旭創 等都在積極研發CPO光引擎和解決方案。

• 代工與封測廠: 臺積電 (TSMC)、英特爾 在先進封裝（如CoWoS, EMIB）方面提供支持。日月光 (ASE) 等傳統封測廠也在積極布局。

• 最終用戶: 微軟、谷歌、Meta等云計算巨頭是核心用戶和標準制定者（如COBO, OIF）。

3.3 發展趨勢與挑戰

• 發展趨勢:

• 技術融合： CPO是硅光技術、先進封裝（2.5D/3D）、和CMOS工藝融合的終極體現。

• 標準制定： 行業組織（如OIF、COBO）正在加速制定CPO的共同標準，以促進生態發展和互操作性。

• 從“Co-packaged”到“On-package”： 未來光引擎可能通過更緊密的方式（如3D堆疊）直接集成在ASIC封裝之上。

• 主要挑戰:

• 高成本： 目前研發和制造成本極高，需要巨大的出貨量來攤薄。

• 技術復雜性： 光學耦合、散熱、測試和可靠性都是巨大挑戰。

• 供應鏈與生態： CPO顛覆了傳統的光模塊供應鏈，需要芯片廠商、光器件廠商、代工廠、系統廠商深度合作，建立新的生態系統。

• 可維護性/可修復性： CPO模塊損壞可能需要更換整個板卡，而非像可插拔模塊那樣只需更換一個模塊，這對運維提出了新要求。

3.4 發展時間線

• 2023-2025年： 技術驗證和小規模試點部署階段。主要應用于超算和頂級AI集群。

• 2026-2028年： 開始規模商用，成為超大規模數據中心1.6T/3.2T交換機的主流技術。

• 2028年以后： 隨著技術成熟和成本下降，向更廣泛的數據中心和電信市場滲透。

第四部分：總結

共封裝光學（CPO）是應對后摩爾時代數據傳輸瓶頸的顛覆性技術。它通過將光互連極致地靠近計算核心，從根本上解決了功耗和帶寬密度問題。其封裝工藝是半導體先進封裝和硅光技術的集大成者，復雜度極高。

目前，CPO正處于從實驗室走向大規模商用的前夜，其核心驅動力來自于AI革命對算力網絡的極致要求。雖然面臨成本、技術和生態的挑戰，但其在超大規模數據中心和HPC/AI領域的應用前景非常明確。未來幾年，我們將看到CPO技術逐步成熟并成為高速互連領域的新基石。

共封裝光學CPO封裝芯片清洗劑介紹：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運用自身原創的產品技術，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求，打破國外廠商在行業中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。

推薦使用合明科技水基清洗劑產品。

合明科技致力于為SMT電子表面貼裝清洗、功率電子器件清洗及先進封裝清洗提供高品質、高技術、高價值的產品和服務。合明科技 （13691709838）Unibright 是一家集研發、生產、銷售為一體的國家高新技術、專精特新企業，具有二十多年的水基清洗工藝解決方案服務經驗，掌握電子制程環保水基清洗核心技術。水基技術產品覆蓋從半導體芯片封測到 PCBA 組件終端的清洗應用。是IPC-CH-65B CN《清洗指導》標準的單位。合明科技全系列產品均為自主研發，具有深厚的技術開發能力，擁有五十多項知識產權、專利，是國內為數不多擁有完整的電子制程清洗產品鏈的公司。合明科技致力成為芯片、電子精密清洗劑的領先者。以國內自有品牌，以完善的服務體系，高效的經營管理機制、雄厚的技術研發實力和產品價格優勢，為國內企業、機構提供更好的技術服務和更優質的產品。合明科技的定位不僅是精湛技術產品的提供商，另外更具價值的是能為客戶提供可行的材料、工藝、設備綜合解決方案，為客戶解決各類高端精密電子、芯片封裝制程清洗中的難題，理順工藝，提高良率，成為客戶可靠的幫手。

合明科技憑借精湛的產品技術水平受邀成為國際電子工業連接協會技術組主席單位，編寫全球首部中文版《清洗指導》IPC標準（標準編號：IPC-CH-65B CN）(“Guidelines for Cleaning of Printed Boards and Assemblies”)，IPC標準是全球電子行業優先選用標準，是集成電路材料產業技術創新聯盟會員成員。

主營產品包括：集成電路與先進封裝清洗材料、電子焊接助焊劑、電子環保清洗設備、電子輔料等。

半導體技術應用節點：FlipChip ;2D/2.5D/3D堆疊集成;COB綁定前清洗；晶圓級封裝；高密度SIP焊后清洗；功率電子清洗。