从硅光芯片到光纤阵列：CPO光电共封装机械可靠性测试方法详解

随着AI服务器、数据中心数据传输量与传输速率的提升，电信号走线带来的功耗、损耗和延迟问题越来越突出。CPO（Co-Packaged Optics，光电共封装）通过将硅光PIC、激光器、探测器以及相关电子芯片集成在同一封装腔体或基板体系中，缩短高速电互连距离。

Ranovus Odin CPO 原型板，仅作展示

CPO的可靠性问题也因此变得更加复杂。它不仅包含半导体互连，还包含光学粘接耦合结构，一旦光学组件发生微小位移，可能直接改变光路对准状态，导致耦合效率下降和光损耗增加。

本文科准测控小编就基于Alpha-W260推拉力测试机的应用，围绕CPO是什么、内部有哪些连接结构以及CPO推拉力测试项目等方面进行详细介绍。

一、CPO是什么？

CPO全称Co-Packaged Optics，即光电共封装。

其核心思路是将光引擎与交换ASIC等电子芯片集成在同一封装腔体或基板体系中，让光电转换位置更加靠近交换芯片，减少高速电信号在PCB上的长距离传输，降低互连功耗和延迟、提高带宽密度，并进一步压缩系统空间。

CPO封装过程涉及半导体封装、硅光、光纤耦合、光学粘接以及高密度互连等多种技术。

二、CPO内部有哪些机械连接结构？

CPO内部的机械连接可以分为以下几类：

1. 芯片与基板之间的贴装连接

CPO内部可能包含硅光PIC、激光器、探测器、TIA、DRV等多种裸芯片。

这些芯片通过银胶、共晶焊或其他Die Attach工艺安装到封装基板或相应载体上。

2. 微凸点、铜柱及焊球连接

CPO中的芯片与基板、高密度封装结构之间可能采用微焊球、Cu-Pillar铜柱等互连方式，封装底部也可能存在BGA焊球。

3. Wire Bond键合连接

部分CPO光芯片及电子器件可以通过金线、铜线等键合丝实现芯片与基板之间的电气连接。

4. 光学组件UV胶粘接结构

光纤阵列FA、透镜阵列、Z-block、准直器等光学组件可能需要通过UV胶进行固定和精密耦合。

5. FPC及其他柔性粘接结构

部分CPO组件还可能涉及FPC柔性排线、复合膜以及其他粘接薄膜结构。

三、CPO封装可靠性如何检测？

CPO内部连接形式较多，需要针对不同的连接结构设计对应的测试项目。

1. CPO芯片剪切测试——Die Shear

被测对象主要包括硅光PIC、激光器芯片、TIA/DRV裸芯片等。

Die Shear主要用于评价芯片通过银胶、共晶焊等方式贴装到基板后的机械结合强度。

测试时，将CPO组件或相应封装半成品固定在测试平台上，通过显微系统定位目标芯片，根据芯片尺寸选择相应推刀。推刀移动至芯片侧面，并根据芯片厚度及测试要求设置剪切高度，随后沿接近基板平面的方向加载，直至芯片或连接区域发生失效。

测试过程中记录最大剪切力及力—位移曲线，测试后观察芯片及基板残留状态，判断是胶层内部破坏、界面脱粘还是芯片本体发生破坏。

对于较薄的硅光芯片，还需要注意推刀位置和加载方式，避免测试过程中首先发生芯片碎裂。

2. 焊球及微凸点剪切测试——Ball Shear/Bump Shear

针对CPO中的BGA焊球、微焊球及Cu-Pillar铜柱等互连结构，可以进行Ball Shear或相应的微凸点剪切测试。

测试时，微型推刀移动到目标焊球或凸点侧面，在规定剪切高度下进行水平加载，直至连接发生破坏。

通过测试可以获得最大剪切力和力—位移曲线，并进一步观察焊料本体破坏、焊料/焊盘界面失效、焊盘剥离、凸点本体破坏等。

3. 凸点拉拔测试——Bump Pull

除了横向剪切，部分铜柱凸点、微焊球还可以进行垂直方向的Bump Pull测试。

与Bump Shear不同，Bump Pull是沿垂直方向将凸点向上拉拔。

这种测试方式可以进一步观察失效发生在凸点本体、焊料层还是焊盘界面，对于晶圆级及高密度共封装微互连结构具有一定的机械可靠性评价价值。

4. 键合引线拉力测试——Wire Pull

对于采用Wire Bond结构的CPO器件，可以进行Wire Pull键合线拉力测试。

测试时，通过显微系统找到目标键合线，将微型拉钩移动到线弧下方，在规定位置向上加载，直至键合线或键合区域发生失效。

测试过程中记录最大拉力，并观察最终断裂位置第一键合点、第二键合点、键合线中部、焊盘相关区域，通过最大拉力与断裂位置结合，可以进一步分析键合工艺质量。

5. 光纤阵列及光学组件侧向推力测试

主要测试对象包括：FA光纤阵列、透镜阵列、Z-block、准直器、其他UV胶固定的光学耦合组件。

测试时，将CPO光学组件固定在测试平台上，选择与光学元件尺寸匹配的推刀或专用测试工具，从规定方向对目标组件施加侧向载荷。

随着载荷增加，设备实时记录力—位移曲线，直至UV胶体或相关粘接界面发生失效。

由于CPO光学耦合对位置非常敏感，还需要根据具体研发要求观察加载前后光学组件是否发生位移，并结合光损耗、耦合效率等光学指标评价其可靠性。

6. FPC及粘接薄膜剥离测试

针对CPO组件中的FPC柔性排线、复合膜及相关粘接薄膜，可以根据实际结构进行90°或180°剥离测试。

测试过程中持续记录剥离力变化，用于评价胶层的粘接稳定性和剥离强度。

7. 循环疲劳测试

针对需要进行长期可靠性研究的焊点、光学胶体及相关连接结构，还可以施加往复小载荷进行循环疲劳测试。

通过一定次数的循环加载，模拟振动或长期机械应力作用，观察连接结构是否发生疲劳损伤以及力学性能衰减。

8. SMT贴片元件推力测试

CPO封装基板上还可能安装电阻、电容等无源器件。

针对这些SMT贴片元件，可以从器件侧面施加推力或剪切载荷，评价元件与基板之间焊点的机械连接强度。

四、CPO推拉力测试主要关注哪些数据？

CPO机械可靠性测试根据测试项目不同，通常需要综合关注测试位置、最大推力/拉力、力—位移曲线、剪切高度、加载方向、失效模式、测试前后状态。

对于光学组件，还需要特别关注机械加载是否造成位置变化。

例如，一个FA光纤阵列经过侧向加载后并没有完全脱落，但已经产生微米级位置变化，那么从单纯机械强度角度可能还没有“断”，从光学系统角度却可能已经造成耦合性能下降。

因此，CPO机械可靠性测试相比普通电子封装更需要将机械强度与具体光学结构结合起来分析。

五、CPO推拉力测试参考哪些标准？

根据不同测试项目，可以参考相应的半导体封装机械测试方法：

MIL-STD-883 Method 2019——Die Shear芯片剪切测试

MIL-STD-883 Method 2011——Bond Strength键合强度测试

JESD22-B117——Solder Ball Shear焊球剪切测试

需要注意的是，CPO中的FA光纤阵列、透镜阵列、Z-block、准直器及UV胶耦合等光学粘接结构，并不能简单直接套用上述半导体测试标准。具体测试方法、加载方向、速度和判定指标还需要结合产品结构、企业规范及实际可靠性要求确定。

六、CPO推拉力测试设备

CPO推拉力测试对象跨度较大，从微小焊球、Cu-Pillar、键合线，到硅光PIC、激光器芯片，再到FA光纤阵列、透镜阵列及其他UV胶粘接光学组件，不同对象需要匹配不同量程的传感器、推刀、拉钩和测试夹具。

科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据具体CPO样品配置相应测试工具，用于Die Shear芯片剪切、Ball/Bump Shear焊球及微凸点剪切、Bump Pull凸点拉拔、Wire Pull键合线拉力以及相关微小器件推力测试。

针对FA光纤阵列、透镜阵列、Z-block、准直器及其他光学粘接结构，则需要根据实际样品尺寸、固定位置、受力方向及测试空间设计对应的推力或拉力工装。

对于CPO这种结构复杂的光电共封装产品，测试前最重要的不是直接确定“用多少牛的设备”，而是先明确具体测试对象和失效界面，再确定加载方式、传感器量程及测试工具。

以上就是科准测控小编为您介绍的CPO光电共封装推拉力测试方法。如果您还有关于CPO推拉力测试、硅光芯片Die Shear、微凸点剪切、Bump Pull、Wire Pull、FA光纤阵列推力、UV胶粘接强度测试、自动推拉力测试机选型或Alpha-W260设备参数调试等方面的疑问和测试需求，欢迎联系科准测控，获取免费的专业技术支持及测试方案。