AI热潮专题 | 是时候讨论高速光模块性能所面临的新挑战了

1/25/2024，光纤在线讯，毫无疑问，2023年是AI发展的重要转折年，大模型和生成式AI的发展正在深刻改变计算范式、产业动量以及算力服务格局，其快速发展推动了数据中心规模不断扩大。从感知智能到生成式智能，AI算力需求的快速增长进一步拉动了AI服务器市场的增长。

      在中国，预计2023年中国AI服务器市场规模将达到91亿美元，同比增长82.5%，2027年将达到134亿美元，五年年复合增长率达21.8%!

      不仅是建设规模，数据中心的内涵也在发生变化。当2022年ChatGPT开启AIGC这一全新业态后，AI发展开始进入以多模态和大模型为特色的A12.0时代这些需求也改变了工作负载的形态。2023年，大模型的兴起推动了训练服务器的增长速度。由于AI的应用需要大量的数据支持，因此数据中心的存储容量也在不断增长。

      这些庞大算力的实现需要数据中心对海量数据处理能力的支撑，而这离不开高速数据通信。

高速光模块的演进

      在数据中心中,支撑整个海量数据处理的除了计算单元(芯片、服务器)，还有高速数据传输通信单元，其中一个关键器件是高速光通信模块。在数据中心的数据规模不断增长、叶脊架构广泛应用的背景下，数通光模块的需求增速正在进入上升通道。

      Lightcounting预计，未来5年全球光模块市场规模将的复合年增长率为11%，预测2027年全球光模块市场将突破200亿。在算力中心阶段，光模块速率开始向 400G/800G 过渡，而全球已有不少龙头厂商开始研发1.6T系列。Omdia预测，未来几年随着带宽需求的不断提升，虽然100、200、400G光模块仍将保有最大的市场占有量，但是800G光模块将在2025年实现规模部署。事实上，国内光模块的龙头厂商也都已纷纷布局量产800G光模块产品，而在2023年3月的OFC大会上，头部等厂商甚至推出了下一代1.6T产品的演示。

      作为光纤通信设备中实现光信号传输的光电转换的核心器件，光模块中的核心器件是实现光电信号转换的光收发器件，主要包括光发射器件 TOSA、光接收器件 ROSA 和光发射接收器件 BOSA等，另外还包括透镜、分路器、合束器等无源器件及外围电路。

      从封装工艺看，综合应用场景、要求、成本等多方面的考虑,光模块演化出了不同的封装技术。目前常见的光器件的封装有To-can、BOX/Butterfly、COB等。其中,电信级光模块多采用气密性的To-can或BOX封装技术，数据中心光模块则多采用非气密性的COB封装技术。

      另外，随着硅光技术的发展，通过高度集成化的硅光芯片，将原本分立的元器件集成在一起，实现了工艺的简化、成本的降低。目前，硅光芯片已经能够将探测器、高速调制器、波导、合分波器等器件集成在同一硅基衬底上,预期将来还能够集成CDR、TIA等更多电芯片，大大提升光模块的集成度。但不论何种封装和集成方式，影响光模块性能的关键都和内部异质元器件精准的组装和稳定的工作密不可分。

      在COB以及应用硅光技术的制程中,诸如时钟恢复芯片、激光器驱动芯片、跨阻放大器芯片、激光器芯片、探测器芯片等，会用银胶直接将芯片贴装在PCB上(Die bonding)，这一工艺不仅要注意位置精度是否满足要求、芯片粘接是否牢固等，对于激光器、驱动器功耗较大、发热量高的芯片，还需要关注贴片后接触散热性能情况，因为工作温度过高会增加光模块的老化、脆化和氧化等现象，从而缩短其使用寿命。

      汉高公司一直和光模块行业领导者密切合作，为后者提供创新优化的光通信应用粘合剂和热管理材料，以解决与器件集成相关的挑战。

      汉高全球光通信市场战略经理Farida Jensen表示：这些粘合剂和热管理方案要能够在提升光模块的最大功率输出的同时，降低设备温度以优化性能，降低功耗，降低故障率，并延长工作寿命。

核心材料的创新

      汉高最新的几种材料方案满足了上述这些要求，包括高性能、高可靠性的主动耦合胶;高导热且无树脂析出的芯片粘接胶;折射率匹配、耐高温且稳定的光路胶；更高的导热率、低析出且低渗油的单组分导热凝胶以及更高导热系数的非硅导热垫片。

      汉高亚太区通讯数据中心及电源工业自动化销售总监林翊表示：汉高提供的粘合剂和热管理解决方案具有卓越的稳定性及可靠性、低析出、低渗油、低释气、更高的导热率更低的热阻抗、以及更低的固化温度/更快的固化特性适用于更薄的胶层界面散热，可在更高的温度下提供强大的可靠性，以帮助客户实现下一代光学设计和设备。

      这些创新的材料解决方案为全球下一代高带宽/高速光通信设备稳定运行提供了保障。

汉高芯片粘接胶

      例如解决散热问题的导电芯片贴片胶。随着光模块更高的集成以及高功率的芯片、激光器的迭代，其内部升温将会影响芯片、激光器的稳定工作，最终导致光模块的失效。解决高散热问题对芯片贴片导电胶提出了更高的导热性能及不同尺寸芯片粘接性能的要求。

      林翊表示，汉高在半导体封装领域可以提供130多种导电芯片贴片胶，其中一款是含有纳米银材料的超高导热，低热阻的无压烧结银材料LOCTITERABLESTIK ABP 8068TB，具有绝佳导电及导热性能，已经被广泛应用于光芯片的粘接。

对位耦合胶及超高导热界面材料

      为了满足高带宽、高速光学元件的严苛预固定和耦合需求，尤其是光收发器组件(TOSA/ROSA)的超高运行标准，新型的透镜主动耦合UV胶诞生。在这种应用中，所有光学组件和光纤必须实现超高精度的对齐并需要一次性精确固定。为达到此目的，必须使用具有低收缩和低热膨胀特性的材料进行固定。任何偏移都可能导致透光率和光学信号的下降或失效林翊介绍道，为了实现精确的耦合和尺寸稳定性，确保光信号的稳定可靠对粘接材料提出了更高的要求这些要求包括UV快速固化、低热膨胀系数(CTE)固化后体积收缩率低于1%、以确保透镜精准耦合、能在多种基材上可靠牢固地粘附、以及在高低温循环和高温高湿( 85°C/85%RH)条件下保持稳定等。

      为了响应这一需求，汉高即将推出一款新的高性能双重固化粘合剂，即透镜主动耦合UV胶。这款胶具有低于1%的固化收缩率，能够保持光学组件的关键对齐，从而实现最大的光耦合效率。此外，其低热膨胀系数(CTE)为18 ppm，能够在高低温循环中保持更高的光学元件对齐稳定性。这些优越的特性使得这款新型UV胶成为满足高精度光学元件合需求的理想选择。

      TIM界面材料组合是汉高研发的专用于解决超大规模数据中心高速光模块散热问题的方案，可提供高效的导热性能，包括高导热系数的液态填隙材料(12W以上，在保证高导热系数的同时，兼顾高流速、低模量及低压缩应力。)，导热凝胶(10W)等。

      考虑到下一代封装技术，比如CPO，其关键在于硅平台和2.5D/3D封装技术的进步。事实上，热管理已经成为高速光模块稳定性的一个关键课题。

      Farida Jensen认为，硅光和3D封装的进步将越来越多地应用到具有高导热性、高温稳定性和在某些情况下具有低温稳定性的粘合剂和热管理解决方案并且这些材料在多次回流焊过程中要能够保证优异的尺寸稳定性。此外，有些材料还需要与浸没冷却产品和解决方案兼容，并通过长时间的可靠性测试(5000小时)。另一个要注意的趋势是，客户也在寻求越来越可持续和环保的材料解决方案。

*本文由电子行业自媒体陆楠老师和汉高工业电子共同创作