共封装光学测试面临数据中心规模化量产难题

将光子芯片与电子芯片集成至共封装光学（CPO），要求在封装终测阶段具备多维度测试能力。而行业年产量需要从百万级攀升至数千万级，这进一步放大了该项测试的难度。

随着数据中心需求爆发，共封装光学凭借更高的传输速率与更低的功耗优势，吸引力与日俱增。但产能规模至少提升一个数量级，给从晶圆测试到系统级测试的全流程制造测试环节带来巨大压力。由于 CPO 同时集成电子芯片与光学芯片，封装成品的终测方案必须兼顾两类芯片的测试需求，且控制成本。目前各大厂商的 CPO 设计方案各不相同，定制化测试单元成本居高不下。

图 1：共封装光学组件构成，分为电子芯粒、光子芯粒与激光器三大模块（含光发射端、接收端及数据信号链路）

图源：安靠（Amkor）

当下行业现状是：相关测试设备仍在研发，产品本身也尚未定型。爱德万测试美国区研究与创投副总裁艾拉・莱文索尔表示：“目前业内还没有形成统一的共封装光学封装测试标准，器件形态与生产流程都在快速迭代。从工程样品阶段迈入大规模量产后，最大挑战是管控各类变量，同时兼顾成本、测试效率与产品品质。我们的研发方向是打造灵活、可扩展的测试架构，适配技术迭代，为量产落地扫清障碍。”

仅从光引擎数量、连接器类型来看，CPO 产品就大幅增加了测试开发与测试单元设计的复杂度。除此之外，行业还存在多种技术路线：

1. 电路与光路芯片可分开制造，也可集成在同一片晶圆上；

2. 在 2.5D/3D 封装器件中，电子芯片与光子芯片可并排布局，也可背靠背键合；

3. 不同连接器对应专属的机械自动化运动程序。

光引擎数量直接决定激光器的配置数量。与此同时，测试单元还需要匹配器件搬运、热管理、接口板设计以及自动测试设备（ATE）等不同场景的需求。

光学、电子芯片先完成晶圆级测试，再进入封装模块终测。虽然可通过测试前置筛选出已知合格裸片（KGD），但封装终测依旧不可或缺 —— 该环节是优化组装工艺良率的重要依据。

图 2：硅光芯片全流程测试节点，涵盖晶圆测试至封装模块测试四大阶段

图源：泰瑞达（Teradyne）

自动测试设备（ATE）可实现多项关键测试工作。莱特马特公司产品工程总监梅格・奥布莱恩称：“晶圆级测试可通过光栅耦合器或端面耦合器，直接对单个光学元件进行检测，采集插入损耗、偏振相关损耗、响应度等高精度数据。这种精细化检测属于低成本质控手段，能在进入高成本封装工序前剔除不良裸片。但该阶段存在测试覆盖不全的问题，无法模拟元件在完整系统中的协同工作状态。反观封装级与 CPO 模块测试，侧重全系统性能验证，可在真实、复杂的热环境下评估误码率、眼图、链路裕量等端到端指标。不过模块级测试一旦检出不良，会造成较高的物料损耗。”

2.5D 封装技术将光学芯片、电子专用芯片 / 异构处理器集成至中介层与基板之上，这就要求封装终测单元必须整合光、电两类测试功能，同时验证分立元件与整套 CPO 系统的性能，也对自动测试设备硬件、光电接口对应的器件接口板（DIB）提出了新要求。而多样的光连接器设计，是光学裸片接口设计面临的主要难题。

泰瑞达硅光测试高级产品经理马特・格里芬表示：“测试系统的通用性，与器件端光功率输出需求之间存在权衡。客户往往需要搭载大量激光源，并在不同通道间切换光路、拆分光路。但光路切换器与分光器都会引入插入损耗。因此我们投入大量精力，力求在保证测试系统灵活度的同时，满足封装级测试的光功率指标与光信号完整性要求。”

共封装光学属于新兴技术领域，行业在配套测试数据管理方面投入不足。若能为所有元器件建立唯一标识、高效管理测试数据，将大幅改善量产良率问题。

良率分析服务商 yieldWerx 首席执行官阿夫塔哈尔・阿斯兰指出：“目前行业讨论 CPO 测试，大多聚焦于测试单元本身，包括测试插座、光纤对准、机械手、治具等硬件，却忽视了测试完成后的数据处理环节。CPO 产品需要同时满足电学与光学指标，其整体良率由两项指标共同决定，但两类测试数据往往分属不同系统：自动测试设备生成标准测试数据格式文件，光引擎输出表格文件，光谱分析仪、老化测试设备也各有专属数据格式。工程师能看到最终良率结果，但若要排查良率下跌原因，就得跨四五个独立数据库整合信息，耗时良久。数据问题不解决，CPO 年产量就无法从千万级迈向亿级。”

器件接口板

器件接口板是测试单元的核心部件，CPO 测试的主要难点集中在信号损耗上。设计面向被测器件（DUT）的可靠接口时，研发团队需要综合考量多重因素。

安靠制造测试工程师维尼特・潘乔利说道：“量产型器件接口板容易出现各类故障。完善的接口板会预留校准与诊断接口。光信号往返链路会产生损耗，必须完成校准，才能保证被测器件接口的测试精度。被测器件套接过程中的翘曲、共面度偏差、光路耦合、信号干扰等问题，都要在治具设计阶段充分考量。治具设计存在缺陷，极易造成大规模量产失误。”

业内其他人士也强调了光纤对准与器件翘曲带来的挑战。

梅格・奥布莱恩补充道：“大型模块自重较大、易发生翘曲，搬运过程中还要保护精密的光纤阵列单元，这些都是突出的物理难题。实现规模化量产，必须完成光纤对准自动化，并通过六自由度主动对准技术管控偏振相关损耗。测试端的光学接口，需要适配多样化的连接方案与对准需求。快速、可复现的光纤对准方案，是保障 CPO 测试稳定可靠的关键。如果 CPO 模块的输入光信号波动过大，规模化量产方案便无从谈起。”

此外，市面上连接器品类繁杂，加之不同 CPO 产品的光引擎数量各不相同，几乎每款产品都需要定制化测试方案。

马特・格里芬表示：“不同 CPO 模块的外围光连接器数量存在差异，且不同客户选用的连接器方案也各不相同，行业尚未形成统一标准。针对这类器件做光学对接测试时，必须根据连接器类型定制运动与对准机构，以此实现高保真光学连接，确保器件全速测试状态下的插入损耗达标。”

光连接器厂商主要采用水平或垂直两种方式，将光纤与光引擎对接，具体对准工艺也各有区别。高精度对准能够降低信号损耗，而自对准设计则需要更大的误差容限。主流对准方案包括：

• 光纤直接接触式

• 玻璃桥接式

• 磁吸式

• 扩束式

• 运动定位式

艾拉・莱文索尔提到：“目前连接器技术路线五花八门，暂时看不出哪一类会成为主流。当行业从攻克技术难题转向大规模量产阶段，那些在设计之初就兼顾可制造性、可测试性的连接器产品，将会成为行业主流选择。受系统架构限制，未来也不会出现单一通用连接器，水平与垂直连接方案会根据应用场景并存。”

可制造性与可测试性的核心设计要点，是搭建稳定可靠的光学连接。终端设备的触点数量可达数十个，但该设计无法直接套用在量产测试场景中。量产环节要求器件在出现故障前，能承受尽可能多次的插拔对接。同时，光连接器必须配套清洁流程，镜头上的微小粉尘都会破坏信号完整性。

连接器故障不仅会损伤被测器件，还会因插入损耗升高拉低良率；连接器可靠性不足，也会增加器件接口板的更换频次，导致产线停机。依托合理规划的数据分析体系，可有效改善这类问题。

阿夫塔哈尔・阿斯兰分析：“从数据层面来看，治具本身的波动（接触电阻、光纤耦合效率、偏振对准偏差等），往往会被误判为器件本身的缺陷。因此良率分析模型必须关联器件接口板信息，精准定位被测板、测试插座、光纤端口。如果无法完成数据拆分，工程师会耗费大量精力排查本不存在的器件问题。”

光电集成测试架构

CPO 终测要求测试设备同时为被测器件提供电学与光学接口。从实验室方案转向工厂量产方案，需要搭配不同的硬件与接口配置。目前测试工厂已部署大量面向高端系统级芯片的测试设备，因此厂商面临两种选择：采购全新测试设备，或是在现有测试单元上加装功能模块。后者可采用模块化测试机械手方案。

图 3：高性能计算自动测试设备架构，分为测试端与机械手端，机械手搭载温控模块，测试端配置测试插座与负载板

图源：爱德万测试

艾拉・莱文索尔表示：“面对客户的量产需求，设备厂商固然希望客户全面更换全新测试单元，但现实情况是，现有设备均可通过改造适配 CPO 测试。我们的思路是新增一层光学负载板，将其布置在测试主机、测试插座、电学负载板与机械手之间。机械手不仅负责器件抓取与放置，同时承担热管理工作。新增的光学负载板承载光信号传输、外接激光器，并实现与外部连接器的机械对接。这套方案的核心优势是兼容现有设备，客户无需对成百上千台测试设备进行大规模改造。”

图 4：共封装光学自动测试设备分层架构，分为温控机械层、光学层、电学层，各层级各司其职

图源：爱德万测试

光电测试设备融合

CPO 测试需要分别开展光学、电学性能检测，同时也要验证两类功能协同工作的状态，测试项目覆盖海量光电激励信号与测量指标。现阶段光电测试设备尚未实现深度融合，仍是行业重点研发方向。

图 5：封装级并行测试流程示意图，整合光电测试设备，实现光电裸片同步检测

图源：安靠

维尼特・潘乔利指出：“当前自动测试设备普遍存在光电设备融合度不足的问题，可调谐激光器、光功率计、光开关、多路复用器、源测量单元、矢量网络分析仪等光学仪器未能无缝集成。同时，光学输入输出接口数量不足，也制约了单工位量产测试效率。不过设备对通信 O 波段（1260~1360 纳米）、C 波段（1530~1565 纳米）等主流波长的支持能力与动态范围基本达标。产业链正在逐步解决上述问题，目前未发现难以突破的技术瓶颈。”

硬件、软件、数据管理三大维度仍存在集成难题。首先是硬件层面，光学仪器的配置数量成为关键。

自动测试设备需要为每一路光通道配套激励与测量用激光器。马特・格里芬说道：“我们需要加装光学测试模块，但底层架构的复杂度也随之提升。如何灵活分配测试通道、如何完成光学对接，都是全新的挑战，不过我们目前已着手攻克。”

光引擎数量越多，所需激光器的数量与种类也随之增加。“单台光引擎就需要 4 至 8 个激光器提供光源，而一个完整模块可集成 16 至 32 台光引擎，对应激光器数量可达 64 至 128 个。如何配置大规模激光光源，是测试环节的一大难题。此外，粗波分复用、密集波分复用技术普及后，单根光纤可传输多路不同波长信号，进一步推高了激光器的配置需求。”

CPO 集成更多光引擎与高性能异构处理器后，产生的测试数据量也会大幅增长。数据融合分析能够加速良率优化，但目前数据整合流程繁琐。

阿夫塔哈尔・阿斯兰表示：“集成光电测试功能的一体化设备，可将电学、光学测试结果整合至同一份测试报告，能极大简化后端数据分析工作。如果光电测试分设备、分流程进行，分析人员就需要依靠序列号、时间戳手动拼接数据，过程极易出错。因此自动测试设备的优化方向，不只是提升测量能力，更要规范数据输出格式。”

各大自动测试设备厂商正朝着一体化目标推进。马特・格里芬介绍：“我们已将光学仪器集成至设备软件中，可实现光电测试数据的关联与同步，同时正在研发配套的数据可视化与分析工具。”

总结

想要实现 CPO 产品年产量从百万级跃升至数千万乃至上亿级，稳定可靠的器件接口板、完善的数据管理体系，以及光电设备深度集成的自动化测试系统缺一不可。行业仍需持续研发，打造高性价比、可落地的量产方案，但业内专家确认，目前不存在颠覆性技术障碍。

马特・格里芬最后总结：“放在一两年前，这个领域还处于无序探索阶段。如今已有多家客户规划大规模量产。行业的确还有诸多难题待解，但受数据中心降功耗需求驱动，CPO 技术的落地势头十分强劲。整个市场，尤其是测试测量领域，正迎来高速发展与持续创新。”