CPO测试面临动态目标难题

数据中心大规模扩建，近封装光学（NPO）与共封装光学（CPO）用量持续增加，测试设备厂商面临量产测试工装的量产压力。本文邀请了泰瑞达光电测试高级产品经理Matt Griffin、爱德万测试研究与创投副总裁Ira Leventhal、安靠旗下ISE Labs院士Dave Armstrong，是德科技硅光子研究员兼工程师Kazuo Yamaguchi展开座谈。

从左至右：泰瑞达 Griffin；是德科技 Yamaguchi；ISE Labs Armstrong；爱德万测试 Leventhal

有人把光器件测试比作数十年前的电子器件测试。光子器件测试最大的挑战是什么？

Griffin：为支撑共封装光学，我们对测试单元主要做两方面改造。一是晶圆、光引擎或封装层级的光学仪器本身；二是自动化能力。也就是如何和被测器件（DUT）建立光学对接：晶圆端的光纤对准、封装或光引擎层面的连接器 / 插座对准。想要实现大规模量产，这部分必须革新。有些光子工程师会说：“这有什么难的？我做光模块收发器测试、设计光收发器已经20年了。” 差别在于量产规模。量产车间会部署大量测试机，需要配套量产软件、数据分析与测试编程能力，不能简单把堆叠式仪器放到测试单元，或是像实验室做特性表征那样自研定制光学对准系统。这才是真正的难点。

Leventhal：核心在于生态成熟度。回溯40年，每一代电子器件都会新增功能。我职业生涯早期，自动测试设备（ATE）只做数字测试。随着集成度不断提升，数字、模拟、混合信号、射频，如今还有毫米波功能都集成在同一个封装内。光子技术是新一轮技术演进。光相关测试的生态还不够成熟，生态成熟之后，这项技术才能真正实现大规模落地。举例来说，客户还在确定选用哪种连接方案、哪种激光光源，很多技术方案仍在迭代。我不认为这是本质上完全不同的难题，只是信号从电信号变成光信号。电气工程师需要去理解消光比这类光学指标，要学习新知识，才能把这项技术推向大规模量产（HVM）。

Armstrong：Ira说到了关键点。我们现在做的很多工作，让人想起扫描测试普及之前的数字逻辑时代。当时很多人直接用台式堆叠设备做量产测试，笨重、繁琐且速度慢。后来可测试性设计（DFT）被集成进逻辑电路。但光学领域至今还没有成熟的DFT方案。业界尝试引入伪随机二进制序列（PRBS）这类早已在逻辑器件使用的方案，但整体缺少光学DFT。我们只能逐个测试波导、谐振环、调制器等器件，测试速度慢，人力成本高。行业对于测试对象与测试方法看法不一。正如Matt提到的一大痛点：缺少光电复合型工程师。电学和光学属于两个不同领域，双方很难吃透对方的核心技术。我们需要统一认知，让人员同时掌握电学、光学知识，并建立统一标准。

Yamaguchi：光学对准要求极高精度，会拖慢测试速度。光探针卡是理想方案，但落地难度很大，一方面是非接触式机械结构实现困难，另一方面还需要光学校准，才能得到可靠、可溯源的测量结果。光纤阵列单元（FAU）的多通道光学连接，不同单元、不同通道之间存在设计差异，带来通道性能不确定性。例如，同一波导的1通道和2通道，测试结果不一样。节距、XY位置偏差带来微小偏移，就会造成光学对准偏差，其影响远大于电探针上同等程度的偏移。

引入光子技术会如何改变测试流程？

Armstrong：大家对测试插入工序的看法基本一致。工序1：光子集成电路（PIC）测试；工序2：晶圆级光引擎测试；工序3：裸片级光引擎测试；工序4：模块测试；工序5：系统级测试。还可以增加1.5工序：晶圆级老化，对光学器件做稳定性烘烤。激光器必须做这一步，用来剔除早期失效。PIC测试如今已经普遍落地，但部分资深从业者认为未来这一步可能不再需要。光引擎测试是必选项，也是目前投入最多的环节。超大规模云厂商认为工序2、3、4不可或缺，这也是云厂商多年对异构集成开展大功率ATE测试工作的延续。

Griffin：我在这个领域从业约十年，几乎每一道测试工序，在某个阶段都会被当成最重要环节，取决于客户和细分市场。我们的目标是提供覆盖全工序的测试方案，让客户在深入理解量产流程、找到优化点后，可以灵活调整测试覆盖范围。有一道关键工序要在光引擎和高性能计算芯片封装绑定之前完成，因为不能把低成本光引擎和价值极高的ASIC封装在一起，一旦出问题，会造成整个封装良率损失。客户还需要对整套CPO模块做完整的使命模式功能测试，不同客户选择不同方案：有的用ATE，有的用系统级测试SLT，也有的两者都用。测试时需要和器件建立光学连接，连接器数量在4到32个不等。中心裸片测试功耗需求达到1~8千瓦，每个光引擎功耗10~30瓦。器件热管理对客户至关重要。

Yamaguchi：大部分测试指标已有行业标准，相关标准正在和CPO/NPO量产测试讨论同步制定。我认同Matt的观点，客户会根据自身技术与制造经验，决定测试放在哪个工序。但基础测试参数、合规指标，和多年来光收发器使用的指标大体一致。CPO、NPO带来的变化，只是测试放在哪一道工序，以及测试的前置程度。

Leventhal：要区分两类测试：一类是生态不成熟带来的临时测试；另一类是验证技术是否按预期工作的基础测试。随着光电系统与封装技术成熟，部分测试工序会被取消，因为工艺趋于稳定。Matt提到功耗巨大，而且还在持续上升。另外大型封装会发生翘曲。如果连接机构对接时器件发生翘曲，连接器位置就会偏离预期，甚至直接被剪断。这类问题后续会随着工艺优化解决。但前期制造与测试方案尚未定型，老化测试工序会变多。当部分测试被取消，会用其他方式获取关键信息，比如DFT，DFT是走向成熟必不可少的手段。没有DFT，生态无法成熟。

有没有出现一些主流连接器方案？

Griffin：这个问题更适合交给封装设计师。未来1~2年，少数客户会进入量产，推动特定连接器方案落地，届时我们就能看清市场主流方向。

Leventhal：作为测试设备供应商，我们要适配客户最终选用的任何方案。目前连接器方案差异很大，各有优劣。部分连接器厂商重点关注连接的可重复性与可靠性；另一些客户优先追求最优光学性能。还有一点要考虑连接器对光纤阵列单元（FAU）的兼容性。有预测认为FAU厂商产能跟不上行业需求，客户需要第二供应商。如果备选FAU配套不同类型连接器，整个方案会变得非常麻烦。

Armstrong：毫无疑问，这就是典型的动态目标难题。行业迭代速度很快，现在已经有人提出双排光纤FAU。客户讨论在单个FAU内集成数百根光纤。很多难题还没解决，产品就快速上量，存在不小风险。另外量产测试还要考虑清洁问题。每次测试工位清洁都会产生粉尘，粉尘是光学测试的大敌。自动化高效清洁光学连接器与FAU是关键。