在生产测试硅光子学

硅光子学成本下降,技术工作到新的应用程序,从连接到人工智能。但完整的商业生产需要测试这些光子电路在航运之前。

光子学测试仅仅是开始。批量生产还没有发生,仍在开发和测试设备和技术。今天存在的现有半导体测试技术和光子学的特定需求。

“在硅的世界里,我们的客户喜欢测试尽可能早地开始了解他们的设备和最终避免投资太多的设备永远不会工作,”Dan Rishavy说产品经理硅光子学形状因子。

生产测试真正扎根,它需要一个生态系统的测试人员,处理程序,和其他有助于降低测试成本。生态系统才刚刚开始发展。“我们看到的铅笔画一个生态系统开始发生,”斯科特说约旦、光子学、nano-automation高级总监技术,研究员π。

硅光子学芯片需要刺激和测量,就像任何电子芯片。但电探针不再工作,机制获得的光硅需要一些重要的测试设备的开发工作。今天工作仍在继续,但基本功能,重点将转移到降低成本。

从地下收发器硅
光子学并不新鲜。早期长途收发器是为了埋在地下20年来,所以他们必须非常强劲,这意味着极其昂贵。导致行业新应用程序的间歇等成本更低的光子学硅片上实现。

使用硅光子学是特别有吸引力,因为设计师可以利用的所有已经存在的基础设施和生态系统,半导体。许多电子芯片可以享有的效率获得光子芯片。

然而,基础设施包括测试只有一个点。现有的测试人员可以修改新的测试头处理相对不同的测量,将一些可以使用的存在。然而实际的现实与光子晶片包括处理一些非常不同的细节。没有这样的设备,工程师们转向lab-oriented测试设备,它没有提供所需的吞吐量较低的试验成本。

电气测试的晶圆或包装模具已经发展成为一个优化的流程。尽管总是有改进的空间,但我们今天反映了几十年的工作自动化测试,然后减少与测试相关的成本。

硅光子学,相比之下,落后。基础设施和生态系统的发展刚刚起步。一些概念,电子测试工程师可能理所当然时仍在光子学。

硅光子学的好处之一是能够把电子和光子电路在一个死,这意味着测试它们在一个死。虽然有可能,这种均匀组合没有发生任何大量的电子电路。尤其是数字逻辑,倾向于激进的硅低成本和高性能的节点。硅是昂贵的,但这使低成本可能只是由于较小的死亡。

光子学功能,相比之下,可能以微米,而不是纳米。这意味着单一的实现将有一个小的高效的电子产品和大量的昂贵的光子学。“你不想花费成本做一个处理器在7海里,扔一个巨大的光子块旁边,拿起所有的房地产,“形状因子的Rishavy说。

在现实中,电子和光子被放在单独的死,与光子学支持老流程节点130海里。可能会有一些轻微光子芯片电路,但它不太可能,任何光子学将出现在一个aggressive-node电子芯片。

说,电死可能堆放在光子学和co-packaged死去。这个可以做,而光子芯片仍在晶圆形式或之后他们被重组成薄片。测试之后可以做在晶圆级电子和光子的方面。

不能碰这个
在高级别上,光电测试应该一样的电气测试。进去,信号处理,然后评估即将离任的信号。但低于这一水平,测试与光与电子测试有很大的不同。

电气测试涉及到简单的导体连接,这些晶片探针或联系人在是否最后一个测试人员。对于晶片测试,固定探针卡创建为每个死去。探针卡与所有信号同时进行联系。交付和接收光,另一方面,并非如此简单。

“这需要光学探针两光非常紧密的排列到芯片功率的电路,然后读出电信号与传统电子探针,或两光的芯片,“Twan专题Korthorst说,光子应用解决方案的主管Synopsys对此。

事实上,纤维和波导是精致设备,触摸他们可能会损坏它们。“典型的港口,你看到这些芯片是10微米的数量级,”乔丹说。“人类头发直径90微米。所以你可以看到这个问题。很容易毁了一个光子设备。”

光子学“电路”(这是不同于电路)需要光平面波导,然后提取光别的地方。它必须是正确的光,它必须是一个足够强的信号计算组件正常工作,并有很强的输出信号。

图1:两个纤维定位高于光子晶片。来源:形状系数

它的平面自然光子学功能使得这个困难。有两种方法可以使光硅光子芯片。一是通过表面入射光。“硅光子学的好处是,它可以将一个光栅耦合器的测试过程允许垂直进入光路电子探针、“Korthorst说。需要光,通常在10°至12°垂直,夫妻成水平波导。

另一个更直接的方法是通过公开波导的边缘芯片,并将纤维与光边缘大约20°以上水平。死一次扣带回,获得的死,至少从概念上讲,简单。但undiced晶圆,边缘是不可用的,没有一些额外的工作。

精细定位调整
从电气测试的另一个差别是定位更为重要。在测试晶圆时,电子探针可以在任何地方降落在台上,有一个很好的连接。但光耦合时,特定的角度和位置的纤维(如光的源或汇)。你可以草率而得到一些光在那里,但它不会是最优的,它可能会或可能不会产生结果。

“他们需要5 db /下的耦合损失方面,如果不少于3 db,为了得到足够的光收发器有一致的测量,“Rishavy说。

设计一个光子探测器的第一个挑战是你不能接触到晶片。你靠近它,剩下的几微米之外——所谓的“飞行高度,”取决于光栅的耦合。这需要一个精确校准的垂直定位纤维的方法。

但这垂直位置并不是唯一定位考虑。有一个理想的水平位置的最大光进入波导。任何从现货将减少输入——也许使它完全无效。所以x / y定位比z定位同样重要。事实上,角度也很重要,三个角自由度调整的一部分。

粗略的x / y位置可以从设计中提取文件定义物理芯片。“你可以把在文本版本的GDS-II文件为您的十字线,“Rishavy说。”,它会自动映射你的射频,你,和你的光位置,然后你可以设置您的测试例程将机动定位器通过这些不同的地方。“这信息集成到测试程序得到纤维一般附近的他们需要的地方。但从那时起,需要微调精确位置纤维提示。

形状系数的方法这个问题使用所谓的“昆虫”加盖持有者纤维或纤维阵列。“最后,你得到了纤维夹单纤维和纤维之间,你可以改变数组以不同的机械加工角度,“Rishavy说。昆虫可以具有六个自由度的调整——三个平移和三个旋转使用压电致动器。,它可以扫描的方式类似于maximum-power-point跟踪翻译(MPPT)为设置的角度做的太阳能电池。

“piezoscan”同时包括聚集所有的自由度,减少了定位不经济长时间一个典型的两秒——通常更少,偶尔会更多,说,一个3 d定位问题。“我们很快可以执行扫描Rishavy说。说,“我们扫描输入和输出1000点,发现纤维的最佳位置,然后将其移动到那个位置。”

定位光纤时,许多轴的调整可以证明复杂。的理想位置是理想的纤维,然后可以使任何其他角度的调整。“昆虫有能力建立一个“支点”,至少翻译表面上的任何地方,”Rishavy说。“但是我们需要设置的轴心点的纤维。所以我们发达的科技,我们将通过一个已知的昆虫运动,我们看看会发生什么在纤维小费。然后我们计划昆虫。”

这和其他校准运行纤维或纤维阵列时替换的持有者(不重新定位在每个新死的时候)。“当你改变不同纤维或纤维阵列,你重新运行一些θ(旋转)校准,“Rishavy说。“但是当某人的经历,你观察不到10分钟重新调整一切,你回来了。”

光纤数组是更加困难。可能有多达64纤维数组中,他们都必须与各自的光栅。创建一个复杂的优化和控制的问题,必须解决。典型的实验室设置花费太长时间去做生产测试。定位扫描带下来一个经济可行的时间。

测量的最佳位置
但结盟的一个关键问题是,“你怎么知道当你得到合理对齐?“这涉及到监控电源输出端口。如果输入简单的开波导,然后输出波导的自然港口监控。但是如果有正在执行更复杂的“逻辑”,像de-multiplexing信号,那么它可能不会明显应该监视输出端口。

“今天的硅光子设备有多个输入和输出,这意味着它不只是一种内衬两件事了,因为现在你有多个东西,“π的乔丹说。甚至可能有情况,根据模具的状态,光可能退出没有输出端口。

这就提出了一个问题:什么,电气测试,将测试向量-设置输入的一部分,或者在一个序列,这样人知道寻找输出,确保系统的状态是这样的信号将输出。敏化的过程输出的路径,或建立可观测性,是完善的电气测试,但不是光子测试。

虽然这听起来可能很明显,这不是一个光子测试开发的自动化方面。设计师和测试工程师之间的对话可能需要设置这个,和任何这样的国家可能实现手动测试程序(而不是自动测试向量生成)。另外,如果一个是确保信号到达一个或多个输出端口,输出都可以监控确定何时输出功率总和已经达到最高。

权力可能不是在校准和测试期间的参数优化。乔丹可能使用建议的参数数量。“客户可能想东方优化极化。他们可能希望优化消光比。他们可能希望优化线宽,使其尽可能的缩小。可能会有各种数据的优点,定义一个设备或装配有多好。”

测试的一个方法探测和定位的努力是否有效是看能力可重复性。如果你多次位置,信号功率测量有多远?作为一个例子,形状因子发现其可重复性的0.03 dB。Piezoscan决议还扮演。它声称2 nm 100×100海里²的范围内。

一次一个死
的一个影响是,目前,准确的多站点测试是不实际的。说:“多站点是不太可能Rishavy。“理论上,32路光纤阵列,可以跨越到其他设备,但我没有看到。“每个站点需要单独放置,让一组复杂的力学。随着这个行业的成熟,这可能成为自己的目标,但它不是一个强大的地区的发展。

在形状系数的情况下,可以使用3个昆虫,接近死于东部,西部和南部。可移动射频探头可以替代昆虫(如果需要的话)。所有的昆虫和射频探头可以并行排列来降低安装时间。

标准的电子探针卡也可以进入设置,工作,做电子和光子与一个安装测试。“电探针接触你把查克在接触的位置,但你的纤维仍坐在上面,然后你会做光学优化电触点后,“Rishavy解释道。

图2:一个典型的测试设置有两个昆虫和下相机。来源:形状系数

光子学的一个不寻常的方面测试是一个十字线可能许多单个组件。形状系数的情况下,晶片查克可以一次定位十字线,与每个死去的昆虫将自己定位在十字线。

来自边缘
访问波导通过模具镶块是棘手的晶片。“一些公司正在做的事情是沿街蚀刻槽周围的晶片200微米深,“Rishavy解释道。”然后会暴露,优势方面。你进来在20度水平到海沟,让它尽可能接近边缘方面,在输入和输出,然后光照穿过,让你测量。”

图3:一个锥形透镜光纤访问端口从侧面使用蚀刻槽。来源:形状系数

总体来说,测试整个晶片可能会很慢,甚至与快速对齐每个死去。说:“它可以小时薄片Rishavy。有大约10分钟的校准步骤进行设置和纤维或纤维阵列时交易。除此之外,都是定位(小于2秒的位置)和实际测试,大量潜在的网站在一个晶片。

偶尔也可能需要检查纤维提示污垢或损坏。他们可以使用一个额外的检查水平相机设置或把镜子掉到一边让现有的测试头下的相机视图的尖端。“如果你有一些测量问题,可以看到,“是我纤维造成的问题或损坏吗?我不小心打了吗,还是充满了灰尘,还是接粒子之类的?”Rishavy解释道。这个设置也可以用来调整边缘的距离数组第一个纤维的纤维。

图4:校准Z-height和光学定位辅助工具,测量光纤功率,检查纤维提示,edge-to-first-fiber光纤阵列的距离,测量和测试扣带回死亡。来源:改编自一个形状因子的图像

持续发展关注的全程温度测试的解决方案。“我们想要测试的客户从-40°C到125°C,“Rishavy说。

装配和最终测试
一旦晶片切成小方块,死可以打包。因为目前处理这样的死是相对昂贵,因为损害可能在装配期间,一些组装的机器可以执行快速生活/死亡测试。这只是确认是否值得继续处理单元。“这是非常简单的测试——不像晶圆探针台做什么,”乔丹说。“但它就可以告诉他们,“我杀了这个芯片吗?或者它可以额外包装步骤?”

这时,一个可以执行“最后的测试”。这里,没有完善的生态系统的测试人员,测试负责人,处理程序运行大量。例如,连接纤维测试可能包括操作员手动堵塞纤维从测试人员到港口。约旦指出,机器人存在纤维插入面板网络,因此它可能会适应这样的技术测试人员。但这似乎成为未来的工作。

光子学生产商,与此同时,现在正试图捕捉尽可能多的材料。“我们看到了一些球员开始做装箱,”乔丹说。箱子可以建立基于光子和/或电气参数。电气测试,虽然这是一个古老的实践是前缘的硅光子学。

这些挑战对于光学芯片可能超越光子学波导。效果显著指着microLEDs具有相似的特征。“虽然在概念上更简单,制造microLEDs不是没有挑战,”说Kotaro长谷川,职能经理,群马县研发中心效果显著。有可能取代大型led和oled, microLEDs可以产生非常高的卷——但是他们需要非常低的成本。

显著是致力于并行运行测试,以确保良好的经济学。“一个可能的答案是一个大规模并行双光电测试细胞极快测试性能满足测试和成本要求,“长谷川继续说。

一旦这些基本的硅光子学功能已经很成熟,然后重点将降低成本,以帮助改善他们所提供的经济价值。有大量的机会,这个空间的创造性发展。