광 모듈(그림 1)은 광 통신 시스템의 중요한 구성 요소이며 주요 기능은 광전지 변환과 통신 신호 모니터링 및 관리 및 기타 기능을 실현하는 것입니다. 오늘날의 광섬유 네트워크에서 광 트랜시버의 애플리케이션 시나리오가 증가하고 있습니다. 예를 들어, 우리가 휴대폰으로 전화를 걸 때 휴대폰 신호와 기지국 사이에 무선 통신이 있습니다. 광학 모듈은 베이스 스테이션이 광섬유 링크를 통해 서버에 연결될 때 필요합니다. 광 트랜시버는 가정에 대한 광섬유 광대역 네트워크와 데이터 센터의 많은 스위치 상호 연결에도 필요합니다.

그림 1. 광 트랜시버(400G QSFP-DD SR8)

광 모듈에 대한 시장 수요

Lightcounting에 따르면 전 세계 광 모듈 시장은 8.132년 2022억 13.7만 달러에 이를 것으로 예상되며 2021년부터 2026년까지 연평균 55%의 복합 성장률을 기록할 것으로 예상됩니다. 2022년에는 2% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다. 그림 XNUMX는 광 모듈에 대한 글로벌 시장 및 자본 지출 분석을 보여줍니다.

 

그림 2. 광 모듈의 글로벌 시장 및 자본 지출. (a) 글로벌 광 모듈 시장의 응용 분야. (b) 중국 클라우드 공급업체의 자본 지출.

데이터 센터에 대한 전반적인 자본 지출은 계속해서 빠르게 증가하고 있습니다. Cignal AI의 장기 예측에 따르면 컴퓨팅 및 스토리지 클라우드 인프라 지출은 12.6년부터 2021년까지 연평균 성장률(CAGR) 2026%로 증가할 것입니다. 공용 클라우드는 공용 인터넷을 통해 제XNUMX자 공급자가 사용자에게 제공하는 클라우드 서비스를 말하며, 사용자는 클라우드에 액세스하여 컴퓨팅, 스토리지, 네트워킹 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 서비스를 즐길 수 있습니다.) 다양한 산업에서 AI의 급속한 발전, 데이터 센터 투자는 강력한 추진력을 유지하여 데이터 센터 광 모듈 시장의 붐을 계속 증가시킵니다.

그림 3. 통신 시장 및 데이터 센터에서 광 모듈의 응용 시나리오. (a) 5G 통신 네트워크 아키텍처 (b) 데이터 센터 능선 서버 아키텍처

COB 패키징 기술

다양한 애플리케이션 시나리오 및 요구 사항에 따라 광 모듈은 캐리어 등급 및 데이터 센터 광 모듈로 크게 나눌 수 있습니다. 캐리어급 광 송수신기는 가혹한 환경 조건에 적용되며 교체 및 유지 보수가 어렵습니다. 데이터 센터 광 송수신기는 비교적 온화한 환경에 적용되며 유지 보수가 편리합니다. 예를 들어 실외기지국에 사용되는 통신사급 광모듈은 일조량이 강한 경우 80℃의 고온 작업환경에 직면할 수 있는 반면, 북쪽의 겨울밤 주변온도는 -40℃까지 낮아질 수 있습니다. . 동시에 신호 커버리지를 보장하기 위해 이러한 기지국은 산간 및 접근이 어려운 곳에 위치하여 정기적인 유지 보수를 수행하기 어려울 수 있습니다. 이러한 모든 특성은 캐리어 등급 광 모듈의 신뢰성 보증에 대한 높은 요구 사항을 결정합니다.

데이터 센터의 애플리케이션 시나리오에서 데이터 센터는 공기 제어, 온도 제어 및 습도 제어가 가능한 장비실에 있을 수 있습니다. 상주 유지 보수 담당자는 언제든지 유지 보수를 수행할 수 있습니다. 따라서 신뢰성 요구 사항이 상대적으로 낮습니다. 애플리케이션 시나리오, 요구 사항 및 비용을 고려하여 다양한 광 모듈 패키징 기술이 개발되었습니다.

현재 캐리어 등급 광 모듈은 대부분 밀폐형 To-can 또는 BOX 패키징 기술을 사용합니다. 데이터 센터 광 모듈은 대부분 그림 4와 같이 비밀폐형 COB 패키징 기술을 사용합니다. COB의 전체 이름은 칩 온 보드, 즉 칩 온 보드 패키징입니다. 베어 칩을 도전성 또는 비전도성 접착제로 PCB에 부착한 후 리드 본딩으로 전기적 연결을 구현하고 칩과 본드 리드를 접착제로 감쌉니다. 패키징 기술은 처음에는 LED 패키징에 널리 사용되었으며 이후 광 모듈 패키징에 도입되었습니다.

그림 4. (a) BOX 패키지 광 모듈 다이어그램. (b) COB 패키지 광 모듈 다이어그램

광모듈 COB 패키징의 기술적 장점

• 더 나은 고속 신호 연결 성능

밀봉된 캐리어 등급 광 트랜시버를 통해 레이저는 금선을 통해 레이저에 연결되기 전에 FPC(Flexible Printed Circuit) 및 고주파 세라믹을 통해 PCB에 연결됩니다. 여러 연결 지점에서 임피던스 연속성을 보장하기 어렵고 신호 무결성 손실이 불가피합니다. COB 패키지에서 레이저는 골드 와이어 본딩을 통해 PCB와 직접 연결될 수 있으므로 임피던스 불연속성을 크게 줄이고 PCB에서 LD로의 고속 신호 연결을 더 잘 보장하여 더 큰 시야를 보여줍니다. 다이어그램 템플릿 및 고감도 성능.

• 크기와 비용을 줄이는 능력

COB 패키지는 고주파 세라믹 상자, 유연한 케이블 및 기타 구성 요소를 절약하기 때문에 공간을 절약합니다. 광학 모듈이 계속해서 더 소형화된 패키지를 추구함에 따라 그 장점은 오늘날 더욱 분명해졌습니다. EML 레이저가 있는 400G QSFP-DD 광 모듈을 예로 들면(그림 5) DML 바이어스, EA 바이어스, EA 변조, DSP 등과 같은 많은 수의 전기 칩이 필요합니다. 광 부품에는 EML과 같은 구성 요소가 필요합니다. , 아이솔레이터, 렌즈 등 밀폐형 패키지를 사용하면 광학 부품이 큰 공간을 차지하므로 전기 부품의 배치 공간이 크게 압축되어 모듈 설계에 큰 어려움이 있습니다. COB 패키지를 사용하는 동안 절약된 공간은 더 많은 필터 커패시터 추가, 더 큰 고주파 신호 절연 레이아웃과 같은 더 많은 중복 설계를 개선하기 위해 전기를 제공하여 모듈 성능을 향상시킬 수 있습니다.

그림 5. 400G 광 모듈 다이어그램, 작은 크기 요구 사항 및 많은 구성 요소로 인해 패키지 설계에 어려움이 있음

비용면에서 COB 패키지는 고주파 세라믹 상자 및 유연한 케이블과 같은 구성 요소와 질소 충전 용접 및 밀봉, BOX 누출 감지, FPC 용접 및 광학 장치의 별도 테스트와 같은 공정 단계를 절약하여 재료를 줄일 수 있습니다. 비용 및 생산 비용.

광 모듈용 COB 패키징의 단점

• 민감한 장치의 수명 단축

COB 패키지는 광소자와 드라이버, TIA 등 일부 전기 칩이 직접 노출돼 수명에 악영향을 미친다. 밀폐 패키지에 있는 동안 LD는 질소로 채워진 상자에 밀봉되어 외부 환경과 격리되어 LD의 안정적인 작동을 더 잘 보호합니다.

최근 몇 년 동안 모듈 제조업체는 COB 모듈에서 LD의 수명을 연장하기 위해 일부 제한된 밀폐 밀봉 기술을 개발하여 두 패키징 기술을 모두 사용했습니다. 예를 들어 LD가 반개방형 금속 상자에 장착된 경우 PCB는 개구부를 통해 금속 상자에 들어가 LD와 직접 연결될 수 있으며 금속 상자는 접착제로 밀봉되어 어느 정도의 기밀성을 제공할 수 있습니다.

• 결함 제품 재작업에 도움이 되지 않음

BOX 패키지에서 광학 소자는 PCB에서 완전히 분리되어 별도로 테스트할 수 있습니다. 문제의 모든 부분을 별도로 교체하고 수리할 수 있습니다.

COB 모듈에서는 광소자가 PCB 보드에 직접 연결되기 때문에 전체 생산이 완료된 후에만 성능 테스트를 수행할 수 있습니다. 불량의 경우 전기칩인지 광칩인지 확인이 더 어려우며, 기기 재작업 및 교체시 스크랩 발생 가능성이 높습니다. 광학 칩이 손상되어 전체 모듈이 폐기될 수 있으며, 이는 전체 생산 공정의 폐기율을 어느 정도 증가시킵니다. 따라서 COB 포장 공정, 공정 안정성 및 수율이 특히 중요합니다.

광 모듈의 COB 패키징을 위한 주요 기술 단계

COB 패키지 광 모듈의 주요 공정 단계에는 다이 본딩, 와이어 본딩, 광 결합 및 테스트가 포함됩니다(그림 6).

그림 6. 광모듈 COB 패키징 공정

다이 본딩 데이터 센터 광 모듈의 클럭 복구 칩, 레이저 드라이버 칩, 트랜스 임피던스 증폭기 칩, 레이저 칩 및 검출기 칩과 같은 다양한 유형의 칩을 PCB에 접착하고 일반적으로 PCB에 직접 부착하는 전도성 접착제입니다. 마운팅에서 우리는 위치 정밀도가 요구 사항을 충족하는지 여부, 칩 본딩이 견고한지 여부 등에 주의해야 합니다. 레이저의 경우 드라이버 전력 소비가 크고 발열 칩이 높으며 접촉에도 주의해야 합니다. 장착 후 방열 성능.

와이어 본딩 일반적으로 금 와이어 본딩 기술을 사용하여 와이어를 통해 칩의 핀과 PCB의 패드 사이의 전기적 연결을 나타냅니다(그림 7). 이 단계는 와이어 연결이 양호한지 여부와 가상 연결이 있는지 여부에 주의해야 합니다. 일반적으로 와이어 풀로 확인합니다. 고속 광모듈은 라인이 복잡하고 크로스히팅이 많이 필요한 경우가 많아 리드 랩이 무너지는 등의 문제가 있는지 주의가 필요하다. 고속 신호 핀 연결의 경우 리드의 길이와 개수에 주의를 기울여야 하는데 일반적으로 리드 길이를 줄이고 리드 수를 늘려 신호 무결성을 향상시키는 데 사용됩니다.

그림 7. 와이어 본딩

연결 (그림 8)은 광 모듈 패키징에서 작업 시간이 가장 길고 결함 가능성이 가장 높은 단계입니다. 다중 모드 광 모듈의 경우 미러를 통해 다중 모드 광섬유에 결합되는 표면 방출 레이저(VCSEL)가 일반적으로 사용됩니다.

빛의 경로가 간단하고 허용 오차가 크며 프로세스가 비교적 간단합니다. 단일 모드 광섬유는 단일 모드 광섬유의 코어 직경이 다중 모드 광섬유의 코어 직경보다 작아서 9μm에 불과하기 때문에 훨씬 더 복잡하며 초점 결합을 위한 렌즈가 필요합니다. LR4와 같이 다중 결합이 필요한 모듈에서는 파동 요소를 추가하고 분할해야 하므로 광경로의 복잡성이 더욱 증가합니다. 커플링에 중요한 부자재는 UV 경화형 접착제로 커플링 렌즈 접착에 주로 사용된다. 자외선 조사 후 접착제의 빠른 경화, 낮은 수축률이 특징이며 접착 및 고정 정확도에 대한 요구 사항이 높은 시준 커플링 렌즈에 적합합니다.

그림 8. COB 패키징의 결합

테스트는 주로 성능 테스트와 신뢰성 테스트로 구분되는 광 모듈 생산의 마지막 단계입니다. 일반적인 성능 테스트 항목에는 아이 다이어그램 마진, 소광비, 전송 전력, 수신 감도 등이 포함됩니다. 신뢰성 테스트 항목에는 일반적으로 고온 및 저온 충전 노화 테스트, 고온 및 저온 주기적 충격 테스트, 진동 테스트, 다중 플러그 테스트 등이 포함됩니다.

데이터 센터 광 모듈 패키징 기술의 동향

전반적으로 데이터 센터 광 모듈에 대한 수요 추세는 패키지 소형화, 전송 속도 향상 및 비용 절감입니다. 현재, 100G QSFP28 광 모듈은 데이터 센터에서 널리 사용되었으며 400G QSFP-DD 광 모듈은 대규모 데이터 센터에서 상업적으로 이용 가능했으며 800G QSFP-DD800 광모듈은 상용화 초기 단계에 있다. 더 빠른 속도에 대한 요구에 직면하여 전통적인 광 모듈 패키징은 패키지 복잡성 증가, 낮은 수율로 인한 비용 증가 및 제한된 장치 대역폭을 포함하여 점점 더 많은 어려움에 직면해 있습니다. 이런 맥락에서 실리콘 광모듈, 공동포장광학(CPO) 등 신기술의 상용화가 더욱 기대된다.

광 모듈에 실리콘 포토닉스를 적용하는 것은 모듈레이터, 디텍터, MUX/DeMUX, 렌즈, 프리즘 등과 같은 원래 개별 광학 부품을 고도로 통합된 실리콘 포토닉스 칩을 통해 통합함으로써 프로세스를 단순화하고 비용을 줄이는 것을 목표로 합니다. 현재 실리콘 포토닉스 칩은 동일한 실리콘 기반 기판에 검출기, 고속 변조기, 도파관, WDM 및 기타 장치를 통합할 수 있으며 앞으로 CDR 및 TIA와 같은 더 많은 전기 칩을 통합할 수 있을 것으로 예상됩니다. 광 모듈의 통합을 크게 향상시키는 미래.

400G QSFP-DD 실리콘 포토닉스 모듈은 이미 2022년에 대량으로 시장에 진입하고 있습니다. 시장 조사 기관인 Yole은 실리콘 포토닉스 모듈이 3.67년까지 2025억 9천만 달러에 도달하여 광학 모듈 시장의 중요한 부분이 될 것이라고 예측합니다. 그림 XNUMX는 다양한 유형의 실리콘 포토닉스 장치를 보여줍니다.

그림 9. 실리콘 광자 장치

공동 패키지 광학 기술은 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 관심을 받고 있으며 전기 연결 손실 측면에서 기존의 플러그형 광학 모듈보다 큰 이점이 있습니다. 광전 칩과 스위칭 칩을 함께 패키징함으로써 CPO 기술은 고주파 와이어의 길이를 크게 단축할 수 있으므로 고속에서 전기 신호의 심각한 감쇠 문제를 해결할 수 있습니다. CPO 기술은 또한 대역폭, 크기, 무게 및 전력 소비 측면에서 플러그형 형태에 비해 큰 이점이 있습니다.

그러나 CPO 기술은 고밀도 광전 PCB 보드 공정, 고정밀 광전 칩 패키징 공정 및 방열 설계, 고집적 광전 칩의 신뢰성을 포함하여 여전히 해결해야 할 몇 가지 문제가 있습니다. CIR은 CPO 시장이 5.4년에 2027억 달러에 이를 것으로 예상합니다. 그림 10은 온보드 연결 기술의 진화를 보여줍니다.

그림 10. 온보드 연결 기술의 진화