Fotonica biedt verschillende voordelen, waaronder het mogelijk maken van communicatie met hoge snelheid en weinig verlies door gebruik te maken van lichteigenschappen in optische datacommunicatie, biomedische toepassingen, autotechnologie en kunstmatige intelligentie. Deze voordelen worden gerealiseerd door complexe fotonische circuits, bestaande uit diverse fotonische elementen die zijn geïntegreerd op een fotonische chip.

Vervolgens worden elektronische chips toegevoegd als aanvulling op de fotonische chips voor bepaalde functies, zoals de werking van de lichtbron, modulatie en versterking. De nauwe integratie van elektronische en fotonische chips op een substraat is een cruciaal aspect van fotonische verpakkingen.

Fotonische verpakkingen spelen een cruciale rol bij het ondersteunen van de effectieve werking van elektronische en fotonische chips in elektrische, optische, mechanische en thermische domeinen. Efficiënt thermisch beheer wordt cruciaal in compacte pakketten waar thermische overspraak tussen elektronische en fotonische chips, samen met schommelingen in de omgevingstemperatuur, een negatieve invloed kan hebben op de prestaties van fotonische chips.

Glassubstraten, die veel worden besproken als een co-verpakkingsplatform voor elektronische en fotonische chips, zijn hier van cruciaal belang omdat ze voordelen bieden zoals een compacte vormfactor, laag elektrisch verlies en een produceerbaar platform op paneelniveau. Bovendien hebben glassubstraten een lage thermische geleidbaarheid, waardoor minimale zijdelingse warmteverspreiding tussen elektronische en fotonische chips mogelijk wordt gemaakt.

De integratie van door glas via's (TGV's) in glazen substraat maakt effectieve warmteafvoer van elektronische chips mogelijk. Een andere strategie voor thermisch beheer omvat het integreren van micro-thermo-elektrische koelers (micro-TEC's) aan de onderkant van een chip, die zorgen voor actieve temperatuurregeling.

Dat blijkt uit nieuw onderzoek gepubliceerd in het Journal of Optical Microsystems wordt een combinatie van TGV's en micro-TEC-technologieën geïntroduceerd, genaamd "substraatgeïntegreerde micro-thermo-elektrische koelers (SimTEC)".

SimTEC omvat TGV's die gedeeltelijk gevuld zijn met koper en thermo-elektrische materialen, waardoor de thermische stabilisatie van fotonische en elektronische chips in de verpakking wordt gegarandeerd. Deze nieuwe techniek vormt een aanvulling op koelingsbenaderingen op systeemniveau. Onderzoeker Parnika Gupta en collega's van University College Cork, Ierland, onderzochten de impact van glassubstraten op de thermische prestaties van gesegmenteerde via's en vergeleken deze met die van de vrijstaande micro-TEC-pijlers. Ze analyseerden het effect van via-diameter, hoogte, steek en vulfactor op de koelprestaties van SimTEC.

De technologie zorgt met name voor nauwkeurige thermische controle in de behuizing en vermindert de thermische weerstand tussen het TEC-oppervlak en de chipinterface wanneer chips via een flip-chip op het glassubstraat worden gebonden. Simulaties met Design of Experiments (DOE) duiden op een maximale koeling van 9,3 K of een temperatuurstabilisatiebereik van 18,6 K.

Het onderzoek onderstreepte ook een zes keer grotere variatie in koelprestaties met de variatie in via-geometrie in vergelijking met de koelprestatievariatie van het vrijstaande micro-TEC-unikoppelstuk. Het optimaliseren van thermo-elektrische materiaaleigenschappen biedt de mogelijkheid om de prestaties van toekomstige SimTEC-geïntegreerde architecturen te verbeteren.

Meer informatie: Parnika Gupta et al, Substraatgeïntegreerde micro-thermo-elektrische koelers in glassubstraat voor fotonische pakketten van de volgende generatie, Journal of Optical Microsystems (2024). DOI:10.1117/1.JOM.4.1.011006

Geleverd door SPIE