關鍵要點：

器件接口板須在通用性與針對不同光學連接器的定制化之間取得平衡。

測試夾具應充分考慮被測器件插座化過程中的翹曲、耦合與干擾等問題。

先進的數據管理實踐將有助于加快良率優化進程。

將光子集成電路與電子集成電路整合進共封裝光學器件（CPO），需要在封裝級測試（即最終測試）階段具備多模態測試能力。而從每年百萬級擴展至數千萬級的量產規模，更使這一挑戰愈發艱巨。

隨著數據中心需求的爆發式增長，CPO在提升數據傳輸速率和降低功耗方面的潛力愈發受到市場青睞。然而，規模擴大至少一個數量級，將給從晶圓測試到系統級測試的整個制造測試流程帶來巨大壓力。CPO同時涵蓋電子與光學集成電路，因此封裝后的最終測試方案需要兼顧兩者，且須具備成本效益。問題在于，目前每款CPO設計各具特色，定制化測試單元方案成本高昂。

將當前形勢置于更宏觀的視角來看，芯片行業正在研發測試儀器，而相應產品本身仍處于開發階段。Advantest America研究與創投副總裁Ira Leventhal表示："就共封裝光學器件的封裝測試而言，目前沒有人掌握所有答案——無論是器件本身還是制造流程，這一領域都在持續快速演變。從工程階段邁向大批量制造階段，核心挑戰在于如何在管控差異性的同時，持續推動成本降低、產出提升與質量保障。我們的重點是開發靈活、可擴展的測試架構，使其能夠適應這一演變進程，并為量產就緒提供清晰路徑。"

僅就光引擎數量和連接器差異而言，CPO產品種類繁多，這給測試開發和測試單元設計帶來了相當大的復雜性。此外還有多種因素疊加：

電學和光學電路可分開制造，也可集成在同一晶圓上。

在2.5D或3D封裝器件中，電子IC與光子IC可并排放置，也可背靠背鍵合。

每種連接器類型均對應獨特的機械手運動方案。

光引擎數量（可能數量眾多）決定了激光光源的數量。此外，測試單元解決方案還需針對器件搬運需求、熱管理、器件接口板設計以及自動測試設備（ATE）儀器配置做出相應安排。

封裝模塊的最終測試在光學和電學IC晶圓級測試完成后進行。雖然測試內容可前移以確保已知良好裸片（KGD），但最終測試仍不可或缺，因為它在封裝工藝良率優化方面具有極高價值。

ATE可以發揮重要作用。Lightmatter產品工程總監Meg O'Brien指出："晶圓級測試通過光柵耦合器或端面耦合器，可無與倫比地訪問各光學組件，幫助工程師提取高保真數據，例如精確的插入損耗（IL）、偏振相關損耗（PDL）和響應度。這種精細檢測是一道低成本防線，能夠在缺陷裸片進入昂貴的封裝階段之前將其識別并剔除。然而，該階段的操作覆蓋范圍有限，無法模擬各組件在最終系統中協同工作的實際表現。相比之下，封裝級和CPO模塊測試則轉向完整的系統覆蓋，在真實的異構熱應力條件下評估端到端性能指標，如誤碼率（BER）、眼圖和鏈路裕量。雖然模塊級測試提供了對功能性產品的最終驗證，但失效部件的成本代價較高。"

2.5D封裝技術使CPO能夠將光學IC和電子IC（ASIC/XPU）集成在中介層和基板上。因此，最終測試單元方案需要將光學測試與電學測試有機結合，以驗證各獨立組件及CPO整體系統的功能。這對于光學和電學連接的ATE儀器選型及器件接口板（DIB）選擇均有深遠影響。就DIB而言，光學芯片面臨的挑戰尤為突出，因為市場上存在大量不同的光學連接器設計。

Teradyne硅光子測試組高級產品經理Matt Griffin表示："測試系統的靈活性與向器件傳輸光功率之間存在權衡取舍。客戶可能希望提供大量激光光源，并在這些光源與不同通道之間切換，或對光源進行分路。但這會帶來功率方面的代價，因為每個開關和分路器都會引入插入損耗。因此，如何在光學儀器靈活性與滿足功率要求及封裝級光信號完整性之間找到正確的平衡點，是我們正在投入大量精力解決的核心挑戰之一。"

由于CPO集成技術尚屬新興領域，業界在管理這些附加測試數據方面的投入依然有限。如果所有組件都有唯一標識符，且測試數據得到高效管理，制造過程中的良率問題就能得到更有效的解決。

yieldWerx首席執行官Aftkhar Aslam指出："目前關于CPO測試的討論，仍主要聚焦于測試單元本身——插座、光纖對準、搬運設備、夾具等。而真正被低估的，是測試完成后的數據處理環節。CPO單元的良率是乘積性的，因為器件必須同時通過電學規格和光學規格。但這兩類數據幾乎從不匯聚到同一個地方。ATE輸出STDF格式，光引擎輸出CSV或XLS，光譜分析儀（OSA）有其專有格式，老化測試機架又是另一種格式。團隊知道最終的良率數字，但弄清楚良率下降的原因往往需要數周時間，因為他們要在四五個數據孤島之間來回搜尋，才能拼湊出單一器件的完整數據圖景。如果這個問題不解決，CPO就無法從每年一千萬臺擴展到一億臺。"

器件接口板

器件接口板（DIB）在測試單元中扮演著關鍵角色。CPO測試的難點主要在于信號損耗。產品工程團隊在設計可靠的被測器件（DUT）接口時，需要應對多項復雜因素。

Amkor制造測試技術專家Vineet Pancholi表示："量產用器件接口板容易出現多種問題。精心架構和設計的DIB應包含用于校準和診斷的輔助接口。往返光學路徑可能產生損耗，必須通過校準來確保在DUT接口處達到所需精度。翹曲、共面性、耦合和干擾等DUT插座化挑戰，都必須在夾具設計中得到充分考量。若夾具設計不夠精良，則存在批量生產過程中發生誤操作的風險。"

其他專家也強調了光纖對準和翹曲問題的重要性。

Lightmatter的O'Brien表示："關鍵的物理挑戰包括：管理大尺寸模塊的顯著重量和翹曲問題，以及在搬運過程中保護脆弱的光纖陣列單元（FAU）。實現大批量生產，需要通過六自由度主動對準來實現光纖對準自動化并管理偏振相關損耗。測試過程中的光學連接應兼顧多樣化的連接方式，同時解決對準挑戰。快速且可重復的光學輸入對準方法，對于實現可重復、可靠的CPO測試至關重要。如果CPO模塊在光學輸入信號上存在較大差異，大批量制造方案將無從實現。"

此外，各類連接器的多樣性疊加每款CPO獨特的光引擎數量，使得測試方案幾乎需要針對每款產品單獨定制。

Teradyne的Griffin指出："縱觀不同的CPO模塊設計，每款產品封裝周圍的光學連接器數量各不相同。深入了解CPO客戶的細節需求后，會發現連接器本身的設計也因客戶而異，目前尚無統一標準。在對該器件進行光學測試和接口對接時，必須針對所使用的連接器類型定制運動和對準方案。如此才能獲得高質量的光學連接，確保在對該器件進行全速測試時獲得良好的插入損耗。"

光學連接器廠商通常將光纖與光引擎進行水平或垂直對準。對準方案也各有不同。高對準精度有助于確保低信號損耗，而更寬的容差窗口則有利于實現自對準。主要方案包括：

直接光纖接觸

玻璃橋接

磁性對準

擴束對準

運動學定位

Leventhal指出："目前連接器領域存在大量技術路線，市場對于最終贏家的判斷尚未明朗。隨著行業從攻克技術難關轉向大批量制造的規模化挑戰，那些在設計之初就充分考慮可制造性和可測試性的連接器廠商，將成為行業的首選方案。"他還補充道，由于產品類型的特殊性，不會出現單一連接器主導的局面，具體采用水平還是垂直連接方式，取決于系統層面的實際需求。

從可制造性和可測試性角度看，首要設計考量是實現可靠的光學連接。在實際使用場景中，接觸次數可能高達數十次；而在制造測試環境中，這一數字是難以接受的。在大批量制造場景下，連接器在失效前的接觸次數越多越好。此外，光學連接器的清潔工藝也必須嚴格落實，因為鏡頭上的一粒灰塵就會影響信號完整性。

連接器性能受損不僅會損壞被測器件、因插入損耗增加而導致良率下降，連接器可靠性不足還會增加DIB上連接器更換的停機頻率。此時，經過合理規劃的數據分析便能體現出顯著價值。

yieldWerx的Aslam表示："從數據角度需要特別指出的是，夾具變異性——包括接觸電阻、光纖耦合效率、偏振對準——往往在良率數據中呈現為器件本身的變異特征。實際上，你最終需要在良率模型中引入DIB感知特征，即記錄器件在哪塊板、哪個插座、哪個光纖端口上完成測試。若缺乏這種分解能力，工程團隊將耗費大量時間追查那些在CPO器件本身并不存在的問題。"

CPO最終測試要求測試機同時具備連接至DUT接口的電學和光學測試能力。從實驗室方案向工廠量產方案演進的過程中，儀器配置和接口設置各有不同。測試工廠已擁有用于大型SoC的現有測試機群。因此，為滿足CPO測試需求，他們需要決定是投資采購新測試機，還是為現有測試單元增配儀器。若選擇后者，則可采用基于模塊的測試搬運解決方案。

Advantest的Leventhal表示："當客戶尋求規模化時，作為ATE公司，我們當然希望為客戶銷售全新的測試單元。但現實是，他們現有的測試單元經過升級即可用于CPO測試。我們的方案是引入'光學負載板'這一新層級的概念。光學負載板位于測試機與測試插座之間，處于電學負載板與搬運設備之間。搬運設備不僅負責'拾取與放置'操作，還承擔熱管理功能。在這兩層之間，我們插入光學負載板作為中間層，用于承載光學信號、外部激光器，并管理與連接器的機械連接。這一方案的核心目的是實現與現有裝機基礎的兼容性，避免要求客戶對數百乃至數千臺測試機進行改造，以適應CPO測試需求。"

光學與電學儀器的集成

CPO測試需要單獨或協同測試光學和電學特性。CPO的測試內容清單涵蓋范圍廣泛，涉及電學和光學兩類激勵與測量。光學與電學儀器的無縫集成尚未完全實現，這為進一步發展提供了空間。

Amkor的Pancholi指出："目前ATE在光學儀器的無縫集成方面存在明顯不足，缺乏可調諧激光器、光功率計、光開關、多路復用器、源表（SMU）和矢量網絡分析儀（VNA）等設備的順暢集成能力。大多數ATE還缺乏足夠數量的光學I/O端口，以支持高效的單站位量產測試。目前在波長支持和動態范圍方面尚屬充分（O波段：1260至1360nm；C波段：1530至1565nm）。供應鏈正在致力于解決上述所有問題，預計這些問題將隨時間推移逐一得到解決，目前尚未發現明顯的技術瓶頸。"

硬件、軟件和數據管理領域仍存在有待解決的集成問題。就硬件而言，需要配置多少光學儀器？

ATE需要支持每臺光學儀器的通道數，并配備用于激勵和測量的激光器。Teradyne的Griffin表示："我們需要增加光學儀器配置，但深入到下一層，其中的復雜性相當高。如何將通道數靈活分配到我的器件，以及如何與該器件建立光學連接？這無疑是全新的挑戰，但我們已經著手解決。"

此外，激光器的數量和類型隨光引擎數量的增加而等比例增加。Griffin指出："為單個光引擎提供光功率，就需要4至8個激光器。而最終模塊中可能包含16至32個光引擎，這意味著需要64至128個激光器來測試整個封裝，為如此之多的激光光源提供支撐是一項重要挑戰。還有一點值得補充——向粗波分復用（CWDM）或密集波分復用（DWDM）的技術遷移，即在單根光纖中傳輸多個波長，將進一步推高激光光源的數量需求。"

CPO上更多的光引擎加上大型XPU，意味著更多的數據。數據的整合有助于良率優化，但這一過程可能相當繁瑣。

yieldWerx的Aslam表示："從數據角度值得一提的是，雙域ATE——即能夠在單一測試記錄中同時輸出電學和光學結果的測試機——將使下游分析工作大為簡化。當電學測試機和光學測試機串行運行、分別輸出數據時，分析團隊必須依據序列號和時間戳對記錄進行重新拼接，這一過程每次都存在出錯風險。因此，ATE領域某些較易實現的改進，未必是提升測量能力本身，而是在數據輸出方式上加強規范。"

ATE廠商正朝這一目標積極推進。Griffin表示："目前，我們已將光學儀器集成到軟件中，以支持光子學測試。未來將能夠實現電學和光學儀器數據的關聯與同步。我們還在開發新的可視化工具和分析工具，以支持光學和電學測試數據的綜合處理。"

結語

若沒有可靠的器件接口板、完善的數據管理實踐，以及具備光學與電學儀器無縫集成能力的自動化ATE，從每年出貨百萬級到數千萬級的規模跨越將無從實現。要達到具有成本效益的可量產解決方案，仍需持續投入開發，但業界專家均表示目前尚無不可逾越的技術瓶頸。

Teradyne的Griffin表示："如果你一兩年前問我，我會說，'現在還是一片混沌'。但現在我們看到，已有客戶計劃推動相當可觀的出貨量。確實還有一些挑戰有待克服，但由于數據中心的功耗節省潛力巨大，推動這一切落地的動力十分強勁。我們看到這一市場，尤其是測試與測量領域，正在發生多么顯著的增長與創新。"

Q&A

Q1：CPO測試為什么比傳統芯片測試更復雜？

A：CPO同時集成了光子IC與電子IC，最終測試需要同時覆蓋光學和電學兩類指標，且每款CPO設計各異，連接器沒有統一標準，導致幾乎每款產品都需要定制化測試方案。此外，光學路徑的插入損耗、光纖對準精度、器件翹曲等物理因素，以及激光光源數量隨光引擎數量成倍增加，都進一步加劇了測試難度。

Q2：CPO測試中的數據管理難點是什么？

A：CPO良率是電學和光學兩項指標的乘積，但兩類測試數據幾乎始終分散在不同系統中——ATE輸出STDF格式，光引擎輸出CSV或XLS，光譜分析儀有專有格式，老化設備又是另一種格式。工程團隊往往需要跨越四五個數據孤島才能還原單個器件的完整數據圖景，嚴重拖慢了良率分析速度。此外，夾具變異性也容易被誤判為器件本身的問題，需要在良率模型中引入DIB感知特征加以區分。

Q3：現有測試機需要完全更換才能支持CPO測試嗎？

A：不一定。以Advantest為例，其方案是在現有測試機與測試插座之間引入一塊光學負載板作為新層級，用于承載光學信號、外部激光器及連接器機械接口，從而在不大規模改造現有測試機群的前提下，實現對CPO的光學與電學綜合測試，最大限度地保護客戶的現有投資。