先進(jìn)封測(cè)系列｜破解光子芯片(PIC)“測(cè)前難”，晶圓級(jí)測(cè)試是關(guān)鍵！

  ICC訊 在AI大模型與算力基礎(chǔ)設(shè)施快速演進(jìn)的驅(qū)動(dòng)下，智算中心正加速邁向“以光為核心”的互聯(lián)新時(shí)代。光子集成電路(PIC)憑借高帶寬、低功耗、小尺寸等優(yōu)勢(shì)，成為支撐高性能計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)。然而，制約PIC規(guī)模化應(yīng)用的瓶頸不在設(shè)計(jì)，而在制造與測(cè)試環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)模塊級(jí)測(cè)試已難以滿足硅光芯片對(duì)一致性和良率的要求，推動(dòng)測(cè)試向封裝乃至晶圓階段前移，成為提升產(chǎn)能與加速應(yīng)用落地的關(guān)鍵路徑。

  本文將深入解析PIC互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì)與測(cè)試挑戰(zhàn)，并探討EXFO OPAL自動(dòng)化探針平臺(tái)在晶圓級(jí)邊緣耦合測(cè)試中的的應(yīng)用能力，助力光子集成芯片實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、高效落地。

  AI驅(qū)動(dòng)下的互聯(lián)瓶頸與測(cè)試挑戰(zhàn)

— 行業(yè)背景 —

  近年來(lái)，AI大模型參數(shù)規(guī)模呈指數(shù)增長(zhǎng)，GPU算力持續(xù)攀升，而網(wǎng)絡(luò)帶寬提升僅為1.4倍，形成明顯“剪刀差”，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正成為限制智算中心效率釋放的核心瓶頸。光互聯(lián)，尤其是基于PIC的高速并行架構(gòu)，被視為是打破瓶頸的關(guān)鍵路徑。然而，PIC的大規(guī)模落地面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其在測(cè)試環(huán)節(jié)。隨著芯片容量向百Tb/s甚至Pb/s演進(jìn)，集成規(guī)模與通道數(shù)量激增，帶來(lái)三大難題：

  制造復(fù)雜度高：?jiǎn)晤w芯片集成上千個(gè)光學(xué)器件，面積大、通道多、功能耦合復(fù)雜;

  測(cè)試難度劇增：傳統(tǒng)模塊級(jí)測(cè)試階段滯后，易造成材料與工藝?yán)速M(fèi)，且難以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制;

  良率風(fēng)險(xiǎn)上升：缺乏晶圓級(jí)系統(tǒng)功能驗(yàn)證，導(dǎo)致缺陷芯片在后段工藝中暴露，拖慢量產(chǎn)節(jié)奏。

  據(jù)統(tǒng)計(jì)，TAP(測(cè)試、組裝與封裝)成本已占據(jù)PIC芯片制造成本的80%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電芯片。

  從參數(shù)驗(yàn)證到系統(tǒng)功能全保障— 測(cè)試體系 —為確保PIC芯片在高復(fù)雜度應(yīng)用場(chǎng)景下的性能穩(wěn)定與制造良率，光學(xué)測(cè)試貫穿從設(shè)計(jì)驗(yàn)證到模塊交付的全流程。根據(jù)測(cè)試階段和目的不同，可分為三大階段與兩類(lèi)方法。

  三大測(cè)試階段：

  晶圓級(jí)測(cè)試：在芯片切割封裝前進(jìn)行，聚焦插入損耗(IL)、偏振相關(guān)損耗(PDL)等基礎(chǔ)光學(xué)參數(shù)，及早篩除缺陷芯片，提升良率、控制成本;

  封裝級(jí)測(cè)試：在芯片封裝后進(jìn)行，驗(yàn)證耦合效率、封裝應(yīng)力等因素對(duì)性能的影響，是連接前端制造與后端系統(tǒng)集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié);

  模塊級(jí)測(cè)試：面向完整模塊(如OSFP/QSFP)，驗(yàn)證誤碼率(BER)、眼圖、TDECQ、發(fā)射功率等系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)，是出廠前的質(zhì)量終檢。

  兩類(lèi)測(cè)試方法：

  參數(shù)測(cè)試：聚焦器件結(jié)構(gòu)與材料特性，如帶寬、損耗、響應(yīng)速度等，常用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證與工藝優(yōu)化;

  功能測(cè)試：模擬真實(shí)應(yīng)用環(huán)境，評(píng)估芯片在特定波長(zhǎng)、速率、調(diào)制格式下的整體性能，如誤碼率、信噪比等，隨著集成度提高，測(cè)試復(fù)雜性顯著增加。

  科學(xué)劃分測(cè)試階段、匹配適當(dāng)測(cè)試方法，已成為提升PIC制造效率與一致性的關(guān)鍵策略。尤其是在量產(chǎn)階段，晶圓級(jí)功能測(cè)試正成為突破測(cè)試瓶頸、加速產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵抓手。

功能測(cè)試前移，晶圓級(jí)驗(yàn)證成焦點(diǎn)

— 技術(shù)趨勢(shì) —

  隨著PIC芯片集成度、復(fù)雜性和應(yīng)用場(chǎng)景不斷提升，行業(yè)已形成共識(shí)：系統(tǒng)級(jí)功能測(cè)試必須從傳統(tǒng)的模塊階段前移至封裝乃至晶圓階段。這一趨勢(shì)不僅是技術(shù)演進(jìn)的結(jié)果，更是保障良率、控制成本和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量交付的必由之路。

  為何測(cè)試必須前移?

  將測(cè)試前置，可在制造早期識(shí)別功能缺陷，避免不良芯片流入高成本工序，從根本上降低返工與浪費(fèi)。具體優(yōu)勢(shì)包括：

  成本控制：早期篩除不良品，減少封裝與組裝階段的高額損失;

  效率提升：精簡(jiǎn)模塊級(jí)測(cè)試流程，加快產(chǎn)品交付節(jié)奏;

  質(zhì)量保障：更早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)偏差，提升芯片一致性與可靠性;

  工藝閉環(huán)：測(cè)試數(shù)據(jù)反饋制造環(huán)節(jié)，助力設(shè)計(jì)與工藝持續(xù)優(yōu)化。

  前移測(cè)試的技術(shù)挑戰(zhàn)：

  盡管趨勢(shì)明確，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)功能驗(yàn)證仍面臨不小挑戰(zhàn)，主要包括：

  高精度耦合難：需實(shí)現(xiàn)多通道、大陣列、低插損的邊緣耦合，對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度和重復(fù)性提出更好要求;

  指標(biāo)測(cè)量復(fù)雜：覆蓋BER、TDECQ、Q-factor、IL、RL、PDL等關(guān)鍵系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)的精準(zhǔn)測(cè)量;

  平臺(tái)兼容性要高：測(cè)試平臺(tái)需適配多種材料(Si、InP、LiNbO?)與封裝形態(tài)(CPO、MCM等);

  自動(dòng)化與智能化需求高：需支持并行通道控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“邊測(cè)邊調(diào)”、“在線調(diào)優(yōu)”。

  在通道密度與傳輸速率持續(xù)提升的背景下，晶圓級(jí)功能測(cè)試不僅是控制成本的利器，更成為保障良率與大規(guī)模交付的核心能力。面向未來(lái)，業(yè)界亟需構(gòu)建支持多階段、多通道、多耦合形態(tài)的柔性自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，推動(dòng)PIC測(cè)試體系全面升級(jí)。

EXFO構(gòu)建PIC智能測(cè)試平臺(tái)體系

— 解決方案 —

  為滿足功能測(cè)試前移、晶圓級(jí)驗(yàn)證及量產(chǎn)需求，EXFO推出OPAL系列自動(dòng)化探針平臺(tái)，構(gòu)建覆蓋從科研驗(yàn)證到批量交付的端到端測(cè)試體系。平臺(tái)具備高度自動(dòng)化、模塊化與柔性擴(kuò)展能力，支持從單裸片到300mm晶圓的多封裝形態(tài)測(cè)試和多光學(xué)耦合方式，打通晶圓—封裝—模塊的測(cè)試閉環(huán)，是實(shí)現(xiàn)光子芯片高質(zhì)量交付的關(guān)鍵工具。

  1. 多封裝形態(tài)支持：OPAL系列探針臺(tái)

  OPAL-EC|晶圓級(jí)邊緣耦合測(cè)試旗艦平臺(tái)

  專(zhuān)為晶圓級(jí)邊緣耦合自動(dòng)化測(cè)試打造。平臺(tái)支持最大300mm晶圓、105°旋轉(zhuǎn)臺(tái)和多通道并行耦合，集成納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)模塊、上下雙攝像頭系統(tǒng)與自動(dòng)對(duì)焦導(dǎo)航功能，具備0.5nm對(duì)準(zhǔn)分辨率和3nm晶圓定位精度，顯著提升耦合效率與測(cè)試一致性。

  典型應(yīng)用： 硅光調(diào)制器、MRR等晶圓級(jí)器件批量測(cè)試;AI、通信、傳感場(chǎng)景的大規(guī)模PIC篩選與驗(yàn)證;多端口、高密度晶圓級(jí)邊緣耦合的快速驗(yàn)證。、

  OPAL-MD|連接研發(fā)與量產(chǎn)的多芯片測(cè)試平臺(tái)

  適用于多裸片或復(fù)雜封裝(如MCM、CPO)測(cè)試，適配中試與小批量量產(chǎn)旋球。平臺(tái)支持多芯片并行測(cè)試，內(nèi)嵌PILOT自動(dòng)化控制軟件，涵蓋芯片導(dǎo)向、校準(zhǔn)、執(zhí)行與數(shù)據(jù)分析的全流程，具備靈活配置能力，滿足復(fù)雜封裝結(jié)構(gòu)的批量驗(yàn)證需求。

  典型應(yīng)用：MPW流片項(xiàng)目與多芯片集成模塊評(píng)估;高速CPO與復(fù)雜封裝功能測(cè)試;電信模塊、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域等中試驗(yàn)證。

  OPAL-SD|科研與小批量驗(yàn)證的靈活平臺(tái)

  面向高校、科研機(jī)構(gòu)與初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)的入門(mén)級(jí)半自動(dòng)探針平臺(tái)，適用于單芯片、小批量的光學(xué)/電氣功能快速驗(yàn)證。平臺(tái)支持手動(dòng)與半自動(dòng)操作，配備模塊化光學(xué)/電探針，具備精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)與靈活切換能力。內(nèi)嵌PILOT測(cè)試軟件，支持基礎(chǔ)自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集與分析，是科研驗(yàn)證與技術(shù)孵化的理想選擇。

  典型應(yīng)用：PIC芯片早期設(shè)計(jì)評(píng)估與功能驗(yàn)證;教學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)孵化、工藝初篩;學(xué)術(shù)研究、初創(chuàng)公司小批量開(kāi)發(fā)測(cè)試。

  2.PILOT軟件平臺(tái)：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能測(cè)試中樞

  PILOT是EXFO專(zhuān)為OPAL探針平臺(tái)打造的核心控制軟件，貫穿測(cè)試配置、設(shè)備控制、流程執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析與報(bào)告生成，構(gòu)建起可自動(dòng)化、可追溯、可擴(kuò)展的PIC芯片測(cè)試閉環(huán)。其模塊化架構(gòu)與強(qiáng)互操作性，支持從單Die到晶圓、從研發(fā)到產(chǎn)線的全流程測(cè)試需求。其核心能力包括：

  流程自動(dòng)化與設(shè)備聯(lián)控：自動(dòng)讀取CAD 圖紙、識(shí)別Die布局，聯(lián)動(dòng)激光器、誤碼儀、功率計(jì)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)、校準(zhǔn)、采集全流程控制。

  靈活腳本與并發(fā)調(diào)度：內(nèi)置Sequencer模塊，支持Python/Excel腳本、多線程并行與測(cè)試序列調(diào)度，適配多通道場(chǎng)景。

  結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理：內(nèi)置云端/本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)劃、組件定義、配置參數(shù)與測(cè)試結(jié)果的集中管理，支持多站點(diǎn)協(xié)同與可追溯數(shù)據(jù)分析

  AI 驅(qū)動(dòng)跳測(cè)優(yōu)化：PILOT原生兼容AI工具，可訓(xùn)練并部署模型，識(shí)別缺陷模式、預(yù)測(cè)結(jié)果，智能跳過(guò)冗余測(cè)試，顯著提升良率與測(cè)試效率。

  強(qiáng)互操作性生態(tài)：可與Excel、MATLAB、Power BI等工具無(wú)縫集成，助力用戶高效完成數(shù)據(jù)分析與報(bào)告生成。

  PILOT平臺(tái)真正實(shí)現(xiàn)了從“靜態(tài)驗(yàn)證”向“動(dòng)態(tài)調(diào)參”、從“單點(diǎn)測(cè)試”向“流程協(xié)同”的躍遷，是支撐晶圓級(jí)PIC芯片自動(dòng)化測(cè)試走向產(chǎn)業(yè)化的核心軟件樞紐。

  3. CTP10測(cè)試平臺(tái)：高精度功能測(cè)試引擎

  CTP10是EXFO推出的高性能光子器件測(cè)試平臺(tái)，專(zhuān)為微環(huán)諧振器、MZI、濾波器、VOA等無(wú)源和有源器件的參數(shù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，具備高精度、廣覆蓋、強(qiáng)擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，是PIC功能驗(yàn)證的關(guān)鍵測(cè)試引擎之一。核心優(yōu)勢(shì)包括：

  亞皮米級(jí)分辨率：支持20fm級(jí)光譜掃描，滿足高Q值微環(huán)器件的精細(xì)頻域響應(yīng)測(cè)試;

  超寬波長(zhǎng)覆蓋：1240–1680nm全波段覆蓋，適用于電信、數(shù)據(jù)通信與生物傳感等多應(yīng)用場(chǎng)景;

  超高動(dòng)態(tài)范圍：>70dB插入損耗動(dòng)態(tài)范圍，單次掃描完成IL、PDL、光譜響應(yīng)等多項(xiàng)參數(shù)測(cè)量;

  多通道陣列支持：支持100+通道并行測(cè)量，適配AWG與光開(kāi)關(guān)等高密度器件陣列測(cè)試需求;

  激光器穩(wěn)定與溯源校準(zhǔn)：內(nèi)置DFB激光器與功率校準(zhǔn)模塊，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定性與全流程數(shù)據(jù)可溯源。CTP10采用模塊化設(shè)計(jì)，支持SCPI命令行與GUI圖形界面雙重控制，并與PILOT軟件無(wú)縫集成，適用于研發(fā)、中試及量產(chǎn)環(huán)境，是當(dāng)前PIC測(cè)試中兼具精度、速度與擴(kuò)展性兼具的標(biāo)桿方案。

  隨著PIC芯片集成度和復(fù)雜度的持續(xù)攀升，測(cè)試正從傳統(tǒng)的“事后驗(yàn)證”走向“前置嵌入”。EXFO以O(shè)PAL探針臺(tái)、CTP10測(cè)量平臺(tái)與PILOT自動(dòng)化軟件，構(gòu)建起覆蓋晶圓到系統(tǒng)的智能測(cè)試體系，實(shí)現(xiàn)高精度耦合、多通道并行、AI輔助分析與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策，加速PIC芯片從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模應(yīng)用。在測(cè)試戰(zhàn)略前移的大趨勢(shì)下，測(cè)試正從輔助工具，演進(jìn)為驅(qū)動(dòng)光子制造流程優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)協(xié)同的中樞力量。