激光辅助键合（LAB）技术引领光模块 制造革新 ：从工艺突破到产业格局重塑

摘要：

在 5G、人工智能大模型及算力集群爆发式增长的背景下，光模块作为数据中心与通信网络的核心传输载体，面临着带宽跃迁、功耗优化和多维集成等核心挑战。传统封装工艺（如银胶贴装、共晶焊和热压键合）等逐渐暴露出精度不足、热管理效率低下或高频信号损耗高等瓶颈。激光辅助键合（Laser Assisted Bonding, LAB）技术凭借加工精度高、非接触式局域加热以及易结合高速闭环温控系统和过程控制等优势，正重构光模块制造的技术边界。本文系统解析光通信模块的技术演进路径，深度探讨 LAB 技术的核心价值及其在光模块制造中的应用前景。

一、光模块技术演进：

从Gbps到Tbps的四阶跃迁

1. 第一代（1990s-2000s）：低速互联与简单封装。

20 世纪末到 21 世纪初，光模块主要基于多模光纤与 LED 光源进行通信，其传输速率通常不超过 1Gbps。封 装 形 式 以 TO - CAN（Transmitter Optical Sub-Assembly） 为 主， 焊 接工艺则依赖手工焊锡或 Hotbar 技术。这一时期的光模块主要应用于互联网初期的局域网（LAN）与电信骨干网等领域。然而，由于技术和工艺的限制，当时的光模块存在体积庞大、集成度低等问题，难以适应后续通信技术对小型化和高性能光模块的需求。

2. 第二代（2010-2015）：高速化与标准化封装

进 入 2010 年， 单 模 光 纤 与 VCSEL（垂直腔面发射激光器）逐渐普及，光模块的传输速率得到了显著提升，达到 10G-40G。封装技术也迎来了升级，SFP + / QSFP 封装形式的应用使端口密度提升了 4 倍。同时，倒装芯片（Flip Chip）技术开始被引入光模块制造领域。但在这一时期，光模块的制造仍主要采用银胶贴装工艺，其导热系数相对有限，导致芯片结温较高，影响光模块的性能和可靠性 ；共晶高温焊接工艺虽然能够提供较好的连接强度，但容易导致基板翘曲，降低生产良率，并且对后续的校准等工艺步骤产生不利影响。

3. 第三代（2016-2020）：硅光集成与 400G 时代

2016 年至 2020 年期间，硅光子技术实现了光电子芯片与 CMOS 工艺的集成，推动光模块的传输速率突破至 400G，采用了 PAM4 调制与COB（Chip - on - Board）封装技术。热压焊精度也提升至 ±10μm（无源对准）。然而，这一时期光模块制造仍面临一些核心瓶颈 ：一方面，高频信号损耗限制了 56Gbaud PAM4 性能的进一步提升 ；另一方面，硅光耦合对准精度要求极高，传统工艺难以满足这一要求，导致生产良率有限，制约了光模块的大规模生产和应用。

4. 第四代（2021- 未来）：Tbps时代与多维集成革命

随着通信技术的不断发展，光模块正迈入 Tbps 时代，并迎来了多维 集 成 革 命。CPO（Co - Packaged Optics）技术将光引擎与 ASIC 芯片共封装，使电链路缩短至毫米级 ；LPO（线性可插拔光学）技术通过取消 DSP 芯片，降低了功耗约 30% ；此外，Chiplet 异构集成技术也得到了广泛应用。这些技术的更新给光模块制造带来了新的挑战，例如热堆积问题日益严重，传统的散热方案难以满足散热需求 ；信号完整性要求更高，对焊点尺寸精度的要求也更为严苛。

二、LAB技术：重构光模块键合工艺的三大维度

1. LAB 技术概述激光辅助键合

（Laser - Assisted Bonding, LAB）是一种先进的材料连接技术，它利用激光作为热源或能量源，实现材料间的高精度连接。LAB 技术结合了激光的高能量密度、局部加热和快速控制特性，因此在微电子封装、半导体器件制造、光电子集成等多个领域具有广泛的应用前景，尤其适用于对热敏感或需要高精度定位的材料连接。

2. 实现高质量 LAB 的关键因素

A) 光斑整形技术 ：为了实现良好的激光辅助键合效果，通常需要将高斯光斑整形为平顶光斑（见图 1）。这样可以有效避免键合过程中局部能量过高而对芯片造成损伤。同时，要求光斑的能量分布具有较高的锐利度，即光斑边缘需要非常陡峭，以最大程度地减少激光能量对芯片周围器件或基板的热影响（见图 2）。此外，光斑的大小和形状应尽量与芯片的大小相匹配，避免多余的激光对芯片产生不必要的影响。

图1：高斯光斑整形为平顶光，均匀的表面，光斑边缘陡峭

图2：芯片周边温度影响的测试

B）高速闭环温控 ：温度（温度曲线）对键合的质量起到及其重要的影响（见图 3）。在实际应用中，因为激光速度非常快，能够短时间产生巨大的能量，这就要求温控能够在极短时间响应，建议频率是能够达到 10kHz 左右。另外，温控的准确性和重复性也非常重要，一般搭配的温控主要是利用红外辐射测温，而红外辐射容易受环境噪音等影响，这样就要测温系统具备高可靠性，能够很好的处理这些信号，保证温控的准确性和重复性。同时不同芯片的发射率也不一样，温控还需要能够实时的调整。最后，推荐采用同轴的激光头，这样能够精密的将激光 / 温控 / 视觉有机的结合在一起，达到更佳的使用效果（见图 4）。

图3：高速闭环温控中的实时温度曲线

图4：同轴激光头

C） 过程控制 ：过程控制在激光辅助键合中具有重要意义。不同芯片的升温速度（升温曲线）、降温速度（降温 / 退火曲线）以及键合时间等要求各不相同，这就需要能够实时高效地对整个过程进行控制。结合 AI 等相关技术，可对相关过程数据进行分析和处理，从而进一步优化参数，提升键合质量。

三、LAB 技术的优势

与传统的回流炉工艺相比，LAB 技术能够适用于更薄、更密、更大的芯片（这也是未来先进封装的趋势），同时键合品质更高，热应力更小，对周边环境无影响，且更节能、占地小、运营成本低（见图 5）。与热压焊对比，激光辅助键合具备效率更高，更节能，在键合过程中非接触也能够自我修正等优势（见图 6）。另外，应用也更加灵活，激光可以从芯片的上面照射，也能够从芯片的下面照射，也可以上下一起照射。

图5：激光辅助键合示意图

图6：键合位置的自我修正

从各项性能指标来看，LAB 技术在导热系数、热影响区、信号损耗、加工精度、量产良率、和工艺速度等方面均优于传统工艺（具体数据见表1）。这表明 LAB 技术在提升光模块性能和提高生产效率等方面具有显著的优势，有望成为未来光模块制造的主流工艺之一。

表1： LAB 与传统工艺性能对比

四、案例分析

1. 国外某公司在芯片制造过程中，采用 LAB 技术进行键合。芯片拾取在硅晶元上后，从底部利用激光系统从晶元底部加热进行键合，这一工艺使得键合效率得到了大幅度提升，同时对周边器件无影响，有效提高了产品的质量和生产效率（见图 7）。

图7：芯片制造过程中采用 LAB 技术进行键合

2. 国内某公司在高速光模块制造中，将倒装芯片键合到基板上时应用了 LAB 技术（见图 8）。实践表明，LAB 技术能够大幅度提升键合效率，并且具有高加工精度、无翘曲应力小等优点，从而显著提高了产品的良率，降低了生产成本，增强了企业在市场中的竞争力。

五、结论：LAB 定义 Tbps 时代的制造范式

激光辅助键合（LAB）技术凭借“ 精度 - 效率 - 智能” 三位一体的优势，已成为推动光通信向 Tbps 时代演进的核心引擎。从 CPO 热管理到硅光集成，LAB 技术不仅有效解决了传统工艺的固有瓶颈，更开辟了光 - 电 - 算深度融合的制造新路径。随着人工智能算力需求的指数级增长，LAB 技术将在全球半导体产业链中发挥越来越重要的作用，深度重构产业格局，并有望推动中国企业在高端光模块市场实现“ 换道超车”，提升我国在光通信领域的核心竞争力，为通信技术的持续发展和创新提供有力支撑。

【本文转自《一步步新技术》杂志，作者许灵敏，黄燕雄，龙大为，Julian Mergenthaler，来自骋电电子科技（深圳）有限公司。】