紧凑型光子芯片的精确热控制：玻璃基板集成微热电冷却器（SimTEC）
发布时间：2024-01-11 07:00:05 阅读数： 243
光子技术具有各种优势，包括在光数据通信、生物医学应用、汽车技术和人工智能领域，利用光的特性实现高速和低损耗通信。这些优势是通过复杂的光子电路实现的，光子电路由集成在光子芯片上的各种光子元件组成。然后再添加电子芯片，以补充光子芯片的某些功能，如光源操作、调制和放大。电子芯片和光子芯片在基板上的紧密集成是光子封装的一个关键因素。
光子封装在支持电子和光子芯片在电气、光学、机械和热领域的有效运行方面发挥着至关重要的作用。在紧凑型封装中，电子芯片和光子芯片之间的热串扰以及环境温度波动会对光子芯片的性能产生负面影响，因此高效的热管理变得至关重要。作为电子和光子芯片的协同封装平台而被广泛讨论的玻璃基板在这里至关重要，因为玻璃基板具有外形紧凑、电损耗低和面板级可制造平台等优势。此外，玻璃基板的导热率低，有利于将电子芯片和光子芯片之间的横向热扩散降到最低。在玻璃基板中加入玻璃通孔 (TGV) 可以有效地为电子芯片散热。另一种热管理方法是在芯片底部集成微型热电冷却器（micro-TEC），提供主动温度控制。
图1：示意图展示了在光子封装中集成热电冷却器的不同方法，其中光子集成芯片（PIC）和电子集成芯片（EIC）共同封装在玻璃基板上，重点介绍了在光子封装中实施 (a) 宏热电冷却器（Macro-TEC）、(b) 微热电冷却器（μ-TEC）和 (c) SimTEC 的情况。Parnika Gupta等人，《Substrate integrated micro-thermoelectric coolers in glass substrate for next-generation photonic packages》，《Journal of Optical Microsystems》（2024）。
发表在《Journal of Optical Microsystems》上的一项新研究介绍了 TGV 和微型热电冷却器技术的组合，称为基板集成微热电冷却器（SimTEC）。
SimTEC 包括部分填充铜和热电材料的 TGV，确保封装中光子和电子芯片的热稳定性。这项新技术是对系统级冷却方法的补充。爱尔兰科克大学（University College Cork）的研究人员Parnika Gupta及其同事研究了玻璃基板对分段通孔热性能的影响，并将其与独立的micro-TEC进行了比较。他们分析了通孔直径、高度、间距和填充因子对 SimTEC 冷却性能的影响。
图2：玻璃基板中的 SimTEC 架构示意图，其中 SimTEC 通孔位于 EIC 和 PIC 的中心区域，以及用于光子封装中电气连接的芯片外设 I/Os 。Parnika Gupta等人，《Substrate integrated micro-thermoelectric coolers in glass substrate for next-generation photonic packages》，《Journal of Optical Microsystems》（2024）。
值得注意的是，当芯片在玻璃基板上进行倒装芯片粘合时，该技术可在封装内提供精确的热控制，并降低 TEC 表面与芯片接口之间的热阻。实验设计（DOE）模拟表明，最大冷却温度为 9.3 K 或温度稳定范围为 18.6 K。
研究还表明，与独立的micro-TEC柱单耦合的冷却性能变化相比，通孔几何形状的变化导致的冷却性能变化要大六倍。优化热电材料特性有望提高未来 SimTEC 集成架构的性能。
图3：图示(a) 独立micro-TEC 柱和 (b) SimTEC 通孔的最大温度梯度变化的图表，当同时改变通孔/柱的直径、高度和间距时，通孔/柱的填充因子保持 50%不变。Parnika Gupta等人，《Substrate integrated micro-thermoelectric coolers in glass substrate for next-generation photonic packages》，《Journal of Optical Microsystems》（2024）。
参考文献：Parnika Gupta等人，《Substrate integrated micro-thermoelectric coolers in glass substrate for next-generation photonic packages》，《Journal of Optical Microsystems》（2024）。
链接：https://doi.org/10.1117/1.JOM.4.1.011006
