关键要点

我们从几个核心判断说起：

• 器件接口板必须在通用性以及为不同光学连接器所做的定制化之间，找到一个巧妙的平衡点。
• 测试夹具在设计时，必须认真对待被测器件在插座化过程中所面临的翘曲、信号耦合和电磁干扰这些棘手的工程问题。
• 先进的数据管理实践，对于加快良率优化进程，提供了非常显著的帮助。

要将光子集成电路和电子集成电路集成到同一个共封装光学器件（CPO）中，封装级测试阶段必须具备多模态测试能力。当产量从每年百万级提升到数千万级时，这项挑战的难度会陡然增加。

随着数据中心对带宽的需求越来越大，CPO在提升数据传输速率和降低功耗方面的巨大潜力，自然受到了越来越多的追捧。但问题在于，生产规模至少要扩大一个数量级，这给从晶圆测试到系统级测试的整个制造链条，都带来了巨大的压力。CPO器件同时包含了电子和光学电路，因此封装完成后的最终测试方案，必须兼顾好这两方面，同时还得有效控制成本。现在的麻烦在于，每一款CPO设计都各有其独特的技术规格，如果每款都定制一套测试方案，成本无疑会高得惊人。

长远来看，整个芯片行业都在研发新的测试仪器，但真正成熟的产品仍在开发之中。Advantest America的Ira Leventhal直言：“谈到共封装光学器件的封装测试，目前没有人敢说自己已经掌握了全部答案——无论是器件本身还是制造流程，变化都太快了。从工程阶段迈向大规模制造，核心挑战就是如何在管理各种差异性的同时，有效降低成本、提升良率并稳定质量。我们的工作重点，就是开发一个灵活、可扩展的测试架构，能够紧跟这个行业的演进步伐，并为从实验室到量产提供一个清晰的路径。”

仅就光引擎数量和连接器这两个变量而言，CPO产品就已经花样繁多，这使得测试方案的开发以及测试单元的设计变得异常复杂。再加上下面这一系列因素：

• 电学和光学电路，既可以分开制造，也可以直接集成在同一片晶圆上。
• 在2.5D或3D封装里，电子IC和光子IC要么并排放置，要么通过背靠背方式键合。
• 每种连接器类型，都对应着一套完全不同的机械手运动方案和对接方式。
• 光引擎的数量（可能还很多），直接决定了所需激光光源的数量。同时，测试单元还必须应对器件搬运、热管理、接口板设计以及自动测试设备（ATE）仪器配置等诸多配套挑战。

封装模块的最终测试，是在光学和电学IC晶圆级测试都完成之后才进行的。虽然可以将部分测试内容前移到晶圆级，以确保获得已知良好的裸片（KGD），但最终测试这一环节仍然不可或缺，因为它在优化封装工艺良率方面具有极高的价值。

自动测试设备（ATE）在此过程中发挥着重要作用。Lightmatter的Meg O'Brien解释道：“晶圆级测试通过光栅耦合器或端面耦合器，能够无与伦比地访问每个光学组件，帮助工程师提取高保真的数据，例如精确的插入损耗（IL）、偏振相关损耗（PDL）和响应度。这种精细的检测就像一道低成本的筛选防线，能在有缺陷的裸片进入昂贵的封装阶段之前，就把它们识别出来。不过，这个阶段的测试覆盖范围有限，无法模拟各组件在最终系统中协同工作的真实表现。相比之下，封装级和CPO模块测试就不同了，它转向了完整的系统级覆盖，在真实的异构热应力条件下，去评估端到端的性能指标，比如误码率（BER）、眼图和链路裕量。虽然模块级测试能对功能性产品做最终验证，但如果真的测出不合格的部件，那代价可就非常大了。”

2.5D封装技术让CPO能够将光学IC和电子IC（ASIC/XPU）集成在中介层和基板上。因此，最终测试单元的方案，必须将光学测试和电学测试有机结合起来，才能验证每一个独立组件以及整个CPO系统的功能。这对ATE仪器的选型，特别是器件接口板（DIB）的选择，有着深远的影响。在DIB的设计上，光学芯片面临的挑战尤其突出，因为在这个市场中，光学连接器的设计五花八门，缺乏统一标准。

Teradyne的Matt Griffin指出：“测试的灵活性，与为器件提供光功率之间存在一个取舍。客户可能希望配备大量的激光光源，在这些光源与不同通道之间切换，或者对光源进行分路处理。但这样做需要付出光功率的代价，因为每一个开关和分路器都会引入插入损耗。因此，如何在光学仪器的灵活性，与满足光功率要求、保证封装级光信号完整性之间找到那个最佳平衡点，这是我们目前投入大量精力在解决的核心难题之一。”

由于CPO集成技术还相对较新，业界在如何管理这些额外测试数据方面的投入还很有限。如果所有组件都有唯一的标识符，并且测试数据也管理得井井有条，那么制造过程中的良率问题，解决起来就会容易得多。

yieldWerx的Aftkhar Aslam点出了关键所在：“当前关于CPO测试的讨论，主要还聚焦在测试单元本身——比如插座、光纤对准、搬运设备以及夹具这些硬件上。但真正被低估的，其实是测试完成之后的数据处理环节。CPO单元的良率是乘积性的，因为器件必须同时通过电学和光学两方面的规格要求。然而，这两类数据几乎从来不会汇聚到同一个地方。ATE输出STDF格式，光引擎输出CSV或XLS格式，光谱分析仪（OSA）有其专有的格式，而老化测试机架使用的又是另一种格式。团队虽然知道最终的良率数字是多少，但要想搞清楚良率为何下降，往往需要花费数周时间，因为必须在四五个数据孤岛之间来回筛选，才能拼凑出单个器件的完整数据全貌。这个问题如果得不到解决，CPO产量从每年一千万台扩张到一亿台，根本是不可能的。”

器件接口板

器件接口板（DIB）在测试单元中扮演着至关重要的角色。CPO测试的首要难题，就是信号损耗。产品工程团队在设计一个可靠的被测器件（DUT）接口时，需要应对好几层复杂的因素。

Amkor的Vineet Pancholi明确指出：“量产用的器件接口板，容易出现各种各样的问题。一个经过精心架构和设计的DIB，应当包含用于校准和诊断的辅助接口。光信号每经过一次往返就会产生损耗，必须通过精确校准来确保在DUT接口处的精度能够满足要求。翘曲、共面性、耦合以及电磁干扰等由DUT插座化带来的挑战，在夹具设计中都必须给予充分考虑。如果夹具设计得不够完善，在大规模生产时很有可能会引发严重问题。”

其他专家也强调了光纤对准和翘曲问题的重要性。Lightmatter的O'Brien说：“关键的物理挑战包括：管理大尺寸模块的显著重量和翘曲问题，同时还要在搬运过程中保护好脆弱的光纤阵列单元（FAU）。为了实现大批量生产，必须通过六自由度主动对准来实现光纤对准的自动化，并同步管理好偏振相关损耗。测试过程中的光学连接，需要兼顾多种不同的连接方式，同时还要解决对准的难题。一个快速且可重复的光学输入对准方法，对于实现可重复、可靠的CPO测试至关重要。如果CPO模块在光学输入信号上就存在巨大差异，那么大批量制造方案根本就是空中楼阁。”

此外，各种连接器的多样性，再加上每一款CPO产品独特的光引擎数量，导致测试方案几乎需要为每款产品进行单独定制。

Teradyne的Griffin观察到：“观察一下不同的CPO模块设计，你会发现每款产品封装周围的光学连接器数量都不同。深入了解CPO客户的具体需求后，你会发现连接器本身的设计也因客户而异，目前还没有一个统一的标准。要对这样的器件进行光学测试和接口对接，就必须根据所使用的连接器类型，定制相应的运动和对准方案。这样才能获得高质量的光学连接，确保在对器件进行全速测试时，能够获得良好的插入损耗性能。”

光学连接器厂商通常会让光纤和光引擎进行水平或垂直对准。对准方案各有各的特点。高对准精度有助于确保低信号损耗，而更宽的容差窗口则有利于实现自对准。主要的方案包括：直接光纤接触、玻璃桥接、磁性对准、扩束对准和运动学定位。

Leventhal指出：“当前连接器领域存在大量的技术路线，市场对于最终哪一种方案能胜出，判断还不明确。随着行业从攻克技术难关转向大批量制造的规模化挑战，那些在设计之初就充分考虑了可制造性和可测试性的连接器厂商，将成为行业的首选方案。”他还补充说，由于产品类型的特殊性，不会出现一种连接器通吃天下的局面。具体采用水平连接还是垂直连接，需要根据系统层面的实际需求来决定。

从可制造性和可测试性的角度来看，首要设计考量就是实现可靠的光学连接。在实际使用场景中，一次连接可能只需要几十次插拔；但在制造测试环境中，这个数量是远远无法接受的。在大批量制造的场景下，连接器在失效前能承受的插拔次数当然是越多越好。此外，光学连接器的清洁工作必须严格执行，因为镜片上哪怕只有一粒灰尘，也会严重影响信号完整性。

连接器性能受损，不仅可能导致被测器件损坏，还会因插入损耗增加而导致良率下降。而且，如果连接器的可靠性不足，还会增加DIB上连接器的更换频率，造成生产停机。这时，一个经过合理规划的数据分析系统，就能体现出巨大的价值。

yieldWerx的Aslam补充了一个数据层面的关键点：“从数据角度看，需要特别注意的一点是，夹具的变异性——包括接触电阻、光纤耦合效率、偏振对准——往往会混在良率数据里，看起来像是器件本身的问题。实际上，你最终需要在良率模型中引入DIB感知特征，也就是要记录器件是在哪块板、哪个插座、哪个光纤端口上完成的测试。如果缺乏这种数据分解能力，工程团队就会花费大量时间去追查那些在CPO器件上根本就不存在的问题。”

CPO最终测试要求：光学与电学仪器的集成

CPO的最终测试，要求测试机同时具备连接到DUT接口的电学和光学测试能力。从实验室方案向工厂量产方案演进的过程中，仪器配置和接口设置各有不同。测试工厂通常已经拥有用于大型SoC的现成测试机群。因此，为了满足CPO测试的需求，他们需要决定是投资购买全新的测试机，还是给现有的测试单元加装仪器。如果选择后者，那么可以采用基于模块的测试搬运解决方案。

Advantest的Leventhal说：“当客户想要扩大规模时，作为ATE公司，我们当然希望能卖给他们全新的测试单元。但现实是，他们现有的测试单元经过升级后，即可用于CPO测试。我们的方案是引入一个‘光学负载板’的新层级概念。光学负载板位于测试机和测试插座之间，实际是处在电学负载板和搬运设备之间。搬运设备不仅负责‘拾取与放置’，还负责热管理。在这两层之间，我们把光学负载板插入进来，作为中间层来承载光学信号、外部激光器，并管理与连接器的机械连接。这个方案的核心目的，就是实现与现有装机基础的兼容，避免要求客户去改造成百上千台测试机，来适应CPO测试的需求。”

CPO测试需要单独或者协同测试光学和电学特性。CPO的测试项目清单涵盖范围非常广泛，涉及电学和光学两类的激励与测量。光学与电学仪器的无缝集成目前还没有完全实现，这为未来的技术发展留下了空间。

Amkor的Pancholi指出：“目前ATE在光学仪器的无缝集成方面，确实存在明显的不足，缺乏像可调谐激光器、光功率计、光开关、多路复用器、源表（SMU）和矢量网络分析仪（VNA）这些设备的顺畅集成能力。大多数ATE也还缺乏足够数量的光学I/O端口，来支持高效的单站位量产测试。就目前来看，波长支持和动态范围方面还算够用（O波段：1260至1360nm；C波段：1530至1565nm）。供应链正在努力解决上述所有问题，预计这些问题都会随着时间逐个得到解决，目前看还没有明显的技术瓶颈。”

硬件、软件和数据管理这几个领域，都还有集成问题需要解决。就硬件而言，最大的疑问在于：到底需要配置多少光学仪器？ATE需要支持每台光学仪器的通道数，并配备用于激励和测量的激光器。Teradyne的Griffin说：“我们需要增加光学仪器配置，但再往下一层看，其中的复杂性相当高。如何灵活地把通道数分配给器件，如何与这个器件建立可靠的光学连接？这绝对是一个全新的挑战，但我们已经着手在解决了。”

此外，激光器的数量和类型，会随着光引擎数量的增加而成比例增长。Griffin说：“要为单个光引擎提供光功率，通常需要4到8个激光器。而最终的模块里，可能包含16到32个光引擎，这意味着需要64到128个激光器来测试整个封装。为如此众多的激光光源提供支持，本身就是一项重大挑战。还有一点值得补充——向粗波分复用（CWDM）或密集波分复用（DWDM）的技术迁移，也就是在一根光纤里传输多个波长，这还会进一步推高激光光源的数量需求。”

CPO上更多的光引擎，加上一个大型XPU，意味着将产生更多的测试数据。将这些数据整合起来，对于优化良率非常有帮助，但这个过程可能相当繁琐。

yieldWerx的Aslam说：“从数据角度看，值得一提的是，如果能有一个双域ATE——也就是那种能在单一测试记录里同时输出电学和光学结果的测试机——那么下游的分析工作会简单很多。当电学测试机和光学测试机串行运行、各自输出数据时，分析团队必须根据序列号和时间戳，去重新拼接那些记录，这个过程每次都有出错的风险。因此，ATE领域有一些相对容易实现的改进，未必是提升测量能力本身，而是在数据输出的方式上加强规范。”

ATE厂商也在朝着这个目标积极推进。Griffin表示：“目前，我们已经把光学仪器集成到了软件中，以支持光子学测试。未来将能够实现电学和光学仪器数据的关联与同步。我们还在开发新的可视化工具和分析工具，以支持光学和电学测试数据的综合处理。”

结语

如果没有可靠的器件接口板、完善的数据管理实践，以及具备光学与电学仪器无缝集成能力的自动化ATE，要从每年百万级的出货量跨到数千万级，几乎是不可能完成的任务。要达成一个有成本效益的可量产解决方案，还需要持续投入研发，但业界的专家们普遍认为，目前来看并没有什么真正不可逾越的技术瓶颈。

Teradyne的Griffin最后总结说：“如果你是一两年前问我，我会说，‘现在还是一片混沌’。但现在，我们看到已经有客户计划推动相当可观的出货量了。确实还有一些挑战有待克服，但因为数据中心在节能方面的巨大潜力，推动这一切落地的动力非常强劲。我们能够看到这个市场，尤其是测试与测量这个领域，正在发生多么显著的增长与创新。”

Q&A

Q1：CPO测试为什么比传统芯片测试更复杂？

A：CPO同时集成了光子IC与电子IC，最终测试需要同时覆盖光学和电学两类指标。而且每款CPO设计都不相同，连接器也没有统一标准，导致几乎每款产品都需要一套定制化的测试方案。再加上光学路径的插入损耗、光纤对准精度、器件翘曲等物理因素，以及激光光源数量会随着光引擎数量成倍增加，这些都让测试难度直线上升。

Q2：CPO测试中的数据管理难点是什么？

A：CPO的良率是电学和光学两项指标的乘积，但这两类测试数据几乎始终分散在不同的系统里——ATE输出STDF格式，光引擎输出CSV或XLS，光谱分析仪有它自己的专有格式，老化设备又是另一种格式。工程团队往往要跨越四五个数据孤岛，才能还原出单个器件的完整数据图景，这严重拖慢了良率分析的速度。另外，夹具的变异性也容易被误判成器件本身的问题，需要在良率模型里引入DIB感知特征来加以区分。

Q3：现有的测试机需要完全更换，才能支持CPO测试吗？

A：不一定。以Advantest的方案为例，他们是在现有测试机与测试插座之间，引入一块光学负载板作为新层级，用来承载光学信号、外部激光器以及连接器的机械接口。这样一来，就不用大规模改造现有的测试机群了，就可以实现对CPO的光学与电学综合测试，最大程度地保护客户的现有投资。