CPO测试，深陷量产爬坡之困

将光子集成电路与电子集成电路集成至共封装光学（CPO），要求在封装级测试（也称终测）阶段具备多模态测试能力。而年出货量需从百万级攀升至数千万级，更是进一步加大了这项工作的难度。

随着数据中心需求爆发，CPO技术能够提升数据传输速率、降低功耗，其价值愈发凸显。但产能规模至少提升一个数量级，也给从晶圆测试到系统级测试的整套测试生产流程带来巨大压力。CPO同时集成电子与光子芯片，因此面向封装成品的终测方案，必须兼顾两类芯片的测试需求并控制成本。目前行业面临的难题是，各类CPO设计均为定制化方案，专属测试单元的搭建成本居高不下。

图1先进光电芯粒共封装结构示意图，包含光发射机、光接收机、数据信号等组件。来源：Amkor

客观来看，当下芯片行业还处在产品研发同步推进测试设备研发的阶段。爱德万美国公司研发与风险投资副总裁Ira Leventhal表示：“针对共封装光学的封装测试，目前业内尚无完整成熟的解决方案。该领域发展日新月异，器件形态与生产流程都在持续变化。从工程试样转向大规模量产，核心挑战是管控各类变量，同时兼顾成本、测试效率与产品品质。我们的研发重心是打造灵活、可扩展的测试架构，适配行业技术迭代，助力产品顺利落地量产。”

仅光引擎数量、连接器类型的差异，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方案组合：电子电路与光电路可分开制造，也可集成在同一片晶圆上；在2.5D/3D封装器件中，电子芯片与光子芯片可并排排布，也可背靠背键合；不同连接器类型，对应专属的机械运作流程；光引擎数量不等（单款产品可搭载大量光引擎），直接决定激光光源的配置数量。不仅如此，测试单元还需适配器件搬运、热管理、测试接口板设计与自动测试设备（ATE）配置等各类差异化需求。

封装模块终测安排在光子、电子芯片的晶圆级测试之后。虽然可通过测试前置筛选出合格裸片（KGD），但终测环节依旧不可或缺——它能为优化封装良率提供大量有效数据。

图2硅光芯片全流程测试节点（从晶圆测试到封装模块测试）。来源：Teradyne

自动测试设备（ATE）可实现多项关键测试工作。Lightmatter产品工程总监Meg O’Brien说道：“晶圆级测试能通过光栅耦合器或端面耦合器，单独对各类光学元件进行检测，帮助工程师获取高精度测试数据，比如插入损耗（IL）、偏振相关损耗（PDL）、响应度等。这种精细化检测属于低成本质控手段，可在进入高成本封装工序前筛除不良裸片。但该环节也存在局限：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，则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（BER）、眼图、链路裕量等端到端性能指标。尽管模块级测试能够最终验证产品功能是否达标，但一旦检出不良品，产生的成本损耗也相对更高。”

2.5D封装技术可将光芯片、电子芯片（专用集成电路/异构处理器）集成至中介层与基板上，实现CPO方案落地。这就要求封装终测单元整合光电两类测试项目，既要验证独立元器件性能，也要检测整套CPO系统的功能完整性，这也对光电两用的自动测试设备（ATE）硬件、器件接口板（DIB）选型提出了新要求。而光学芯片搭配种类繁多的光连接器，也成为器件接口板设计的一大难点。

泰瑞达硅光测试高级产品经理Matt Griffin表示：“测试系统的灵活性，与器件端光功率输出需求之间存在取舍。客户往往需要搭载大量激光光源，并实现光源在不同通道间的切换与分光，但每增加一个开关、分光器件，都会引入额外插入损耗。我们目前投入大量精力攻克的难题，就是在保证封装级光信号质量与功率要求的前提下，平衡光学测试设备的灵活度。”

由于CPO集成技术尚属新兴领域，行业在配套测试数据管理方面的投入普遍不足。若能为所有元器件建立唯一标识、高效整合测试数据，生产中的良率问题便能得到更精准的定位与解决。

yieldWerx首席执行官Aftkhar Aslam指出：“目前行业讨论CPO测试，大多聚焦在测试单元本身，比如测试插座、光纤对准机构、器件搬运设备、工装夹具等，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气与光学两项指标，良率由两项结果共同决定，但两类测试数据往往分属不同系统：自动测试设备输出标准测试数据格式（STDF），光引擎生成CSV/XLS文件，光谱分析仪（OSA）拥有专属格式，老化测试设备又输出另一类数据格式。工程师即便知晓整体良率下滑，也需要花费数周时间，在四五个独立数据平台中拼凑单款产品的完整测试信息。这个问题不解决，CPO产能就无法从每年千万级迈向亿级。”

器件接口板（DIB）

器件接口板是测试单元的核心组成部分，CPO测试的核心痛点集中在信号损耗上。工程团队在设计待测器件（DUT）专用接口方案时，需要综合考量多项影响因素。

Amkor制造测试技术专家Vineet Pancholi表示：“量产用器件接口板容易出现各类故障。一套设计完善的接口板，会预留校准与故障诊断接口。光信号往返链路会产生损耗，必须完成校准，才能保证待测器件接口的测试精度。此外，工装夹具设计还要充分考虑测试插座引发的器件翘曲、共面度偏差、光耦合异常、信号干扰等问题。一旦夹具设计存在缺陷，整批量产产品都可能出现测试异常。”

业内其他人士也强调了光纤对准、器件翘曲两大物理难题。

Meg O’Brien补充道：“大型模块自重较大、易发生翘曲，同时光纤阵列（FAU）属于精密易碎部件，生产搬运过程中需做好防护，这些都是突出的物理挑战。要实现大规模量产，必须完成光纤对准自动化，并通过六自由度主动对准技术控制偏振相关损耗。光学接口方案需兼容各类连接器，同时攻克对准难题。快速、可复现的光纤对准方式，是保障CPO测试稳定可靠的关键。如果CPO模块的光输入信号波动过大，规模化量产测试便无从谈起。”

各类连接器规格不一，加上不同CPO产品搭载的光引擎数量存在差异，几乎每一款产品都需要定制化测试方案。

Matt Griffin说道：“不同CPO模块的外围光连接器数量各不相同，并且不同客户采用的连接器设计也没有统一标准。针对这类器件做光学对接测试时，必须根据对应连接器类型，定制机械运动与对准系统，以此实现高质量光连接，确保器件全速测试下的插入损耗指标达标。”

光连接器厂商主要采用横向或纵向两种方式完成光纤与光引擎的对接，具体对准方案也各有区别。高对准精度可有效降低信号损耗，行业同时也希望自对准结构能拥有更大的误差容限。目前主流对准方式包括：光纤直接接触式；玻璃桥接式；磁吸式；扩束式；精密定位式。

Ira Leventhal谈道：“当下连接器品类繁杂，短期内也难以形成统一的主流方案。随着行业从技术攻关转向大规模量产，那些在设计阶段就充分考量可制造性、可测试性的连接器产品，终将成为行业主流。另外受系统架构限制，横向、纵向两类连接方式会长期并存，不会出现单一连接器一统市场的局面。”

可稳定实现光信号对接，是产品可制造性、可测试性设计的核心要点。终端设备的光学触点数量可达数十个，但该规格完全无法适配量产测试场景。量产测试场景下，设备可承受的故障前触点数量越高越好。同时，光连接器必须配套清洁流程，镜头表面沾染微小粉尘，都会直接破坏光信号质量。

连接器故障不仅会损伤待测器件，还会因插入损耗上升拉低良率；连接器可靠性不足，也会导致器件接口板频繁停机更换配件。借助合理规划的数据分析手段，能够有效改善这类问题。

Aftkhar Aslam表示：“从数据层面来看，工装夹具带来的波动（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性能缺陷。因此良率分析模型必须关联器件接口板信息，精准定位产品经过的测试板、测试插座、光纤端口。如果无法完成数据拆分，工程团队就会耗费大量精力排查并非出现在CPO产品本身的问题。”

CPO终测要求测试设备同时为待测器件提供电气与光学接口。从实验室方案落地到工厂量产方案，设备配置与接口架构也需要相应调整。目前测试工厂已配备大量面向大型片上系统（SoC）的传统测试设备，因此针对CPO测试需求，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增补硬件。后者可采用模块化器件搬运设备方案。

图3高性能计算自动测试设备架构，分为设备端与器件搬运端，包含温控头、测试插座、负载板等组件。来源：Advantest

Ira Leventhal介绍：“作为自动测试设备厂商，我们当然希望客户全面更换全新测试单元，但现实情况是，现有设备经过升级改造，即可满足CPO测试需求。我们的方案是新增一层光学负载板，它架设在测试主机、测试插座、电气负载板与器件搬运设备之间。器件搬运设备不仅负责取放器件，还承担热管理功能。新增的光学负载板则负责传输光信号、外接激光光源，并实现与各类连接器的机械对接。这套方案的核心优势是兼容现有存量设备，客户无需对成百上千台测试设备进行大规模改造，就能开展CPO测试。”

图4搭载CPO的高性能计算自动测试设备分层架构，分为温控机械层、光学层、电气层，各层级各司其职。来源：Advantest

光电测试设备集成

CPO测试需要单独检测、联动检测光学与电气两类性能指标，测试项目涵盖种类繁多的光电激励信号与参数测量。目前光电测试设备尚未实现深度融合，仍是行业重点研发方向。

图注：图5封装级并行测试整合流程示意图，整合光电芯片测试链路与自动光学/电气测试设备。来源：Amkor

Vineet Pancholi表示：“现阶段自动测试设备普遍存在光学模块集成度不足的问题，可调谐激光器、光功率计、光开关、多路复用器、源测量单元（SMU）、矢量网络分析仪（VNA）等设备难以无缝协同。同时多数设备的光学输入/输出接口数量不足，无法支撑高效的单工位量产测试。不过现有设备基本可覆盖O波段（1260~1360纳米）、C波段（1530~1565纳米）等主流波长区间，动态范围也符合要求。产业链上下游正全力攻克上述问题，预计相关技术难题会逐步解决，目前并未发现会阻碍行业发展的致命问题。”

硬件、软件、数据管理三大维度，仍存在诸多集成难题。首先是硬件层面：测试设备究竟需要配置多少套光学仪器？自动测试设备需搭载激光光源，为各路光学通道提供激励信号并完成测量。Matt Griffin说道：“增补光学硬件只是第一步，背后还有大量复杂问题需要解决。比如如何灵活分配测试通道、如何完成器件光学对接，这些都是全新挑战，不过我们已经着手推进相关研发工作。”

光引擎数量越多，所需激光光源的数量与类型也随之增加。“单颗光引擎就需要4~8路激光光源，一款成品模块往往搭载16~32个光引擎，对应激光光源数量可达64~128路。如何为封装产品配套足量激光光源，是一大核心难题。”他补充道，“此外，粗波分复用（CWDM）、密波分复用（DWDM）技术逐步普及，单根光纤可传输多路不同波长信号，进一步推高了激光光源的配置需求。”

CPO搭载更多光引擎与高性能异构处理器（XPU）后，测试数据量也会大幅增长。数据融合分析有助于快速定位良率问题，但目前数据整合流程十分繁琐。

Aftkhar Aslam说道：“从数据角度来说，支持光电数据统一输出的双域自动测试设备，能大幅简化后续分析工作。如果电气、光学测试由两套独立设备依次完成，分析团队就要依靠产品序列号、时间戳手动拼接数据，整个过程存在不小风险。因此自动测试设备的优化方向，未必是提升测量精度，更关键的是规范数据输出格式。”

各大自动测试设备厂商都在朝着光电数据一体化的目标推进。Matt Griffin表示：“目前我们已在设备软件中集成光学测试模块，支持硅光芯片测试，可实现光电两类设备的数据关联与同步。同时我们也在研发全新的可视化、数据分析工具，适配光电混合测试数据的处理需求。”

总结

想要实现CPO产品年出货量从百万级跃升至数千万乃至上亿级，离不开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。行业仍需持续研发，打造高性价比、可落地的量产方案，但业内专家均认为，目前不存在阻碍技术落地的致命难题。

Matt Griffin总结道：“放在一两年前，我会说这个领域还处在无序探索阶段。但如今已有多家客户规划大规模量产项目。诚然行业仍有诸多难题待解，但受数据中心降功耗需求驱动，CPO技术落地已成大势所趋。我们能清晰看到这片市场的增长潜力与创新活力，测试测量领域更是迎来全新发展机遇。”