Med stor-implementering av store AI-modeller og den fortsatte utviklingen av høy-databehandling, står tradisjonelle kobberforbindelser overfor alvorlige «flaskehalser» og «kraftvegger». Essensen av co-pakket optikk (CPO) er å bringe bryteren ASIC, silisiumfotoniske brikker, lasere og fibermatriser tilbake på ett enkelt pakkesubstrat. Overføringsavstanden til elektriske signaler er drastisk forkortet fra "centimeterskalaen" til "millimeterskalaen", noe som reduserer den elektriske forbindelseslengden betydelig og reduserer strømforbruket med 30–50 %, noe som gjør det til en kritisk vei for å bryte gjennom disse flaskehalsene.
Når optiske motorer ikke lenger er "plugget" inn i bryterfrontpanelet, men i stedet "samboer" med databrikker, blir systemet langt mer komplekst, og materialvalg blir den avgjørende faktoren for om CPO kan nå masseproduksjon. I denne runden med materialrekonfigurasjon skiller silisiumnitrid (Si₃N₄) seg ut som en spesiell aktør-det spiller to distinkt forskjellige, men likevel kritiske roller i CPO: en, som et silisiumnitrid-keramisk substrat, som fungerer som den fysiske bæreren og varme-spredningsbasen for CPO-enheter; den andre, som en optisk bølgeleder av silisiumnitrid, som tjener som den optiske signaloverføringskanalen inne i den fotoniske brikken.
Silisiumnitrid keramisk substrat: Den foretrukne bæreren for CPO-emballasje
Som nevnt ovenfor er optiske motorer og bryterbrikker tett integrert i den integrerte-høytetthetsemballasjen av CPO på en ekstremt liten plass. Systemintegrasjonen er høyere, optoelektroniske sammenkoblingsveier er kortere, og strømforbruket er lavere-alt bra. Men med så mange-enheter med høy effekt pakket sammen og som opererer samtidig, akkumuleres det en stor mengde varme. Litteraturdata viser at for elektroniske enheter reduserer hver 10-graders temperaturøkning typisk enhetens effektive levetid med 30–50 %. Hvis denne varmen ikke kan forsvinne i tide, vil det føre til at overgangstemperaturene stiger raskt, noe som fører til ytelsesforringelse eller til og med feil.
Emballasjesubstratet er den primære-varmeavledende komponenten. Blant tradisjonelle materialer har organiske substrater (som FR-4) lav varmeledningsevne og dårlig CTE-tilpasning, og oppfyller ikke CPOs krav til høy effekttap. Keramiske substrater, spesielt silisiumnitrid keramiske substrater, har blitt det viktigste substratmaterialet for CPO-emballasje på grunn av deres høye styrke, høye varmeledningsevne og CTE-tilpasning.
Silisiumnitrid vinner ved å være «godt-avrundet».
For det første er dens varmeledningsevne bemerkelsesverdig god. I de tidlige stadiene av forskningen var den termiske konduktiviteten til Si₃N₄ ved -rom 20–70 W/(m·K), langt lavere enn for AlN og SiC, så dens termiske ytelse vakte ikke mye oppmerksomhet. I 1995 endret denne oppfatningen seg. Forsker Haggerty, gjennom klassisk fast-transportteori, beregnet at den lave termiske ledningsevnen til Si₃N₄ hovedsakelig skyldes gitterdefekter og urenheter, og spådde at dets teoretiske maksimum kunne nå 320 W/(m·K). Takket være felles innsats i forskning og industri har den termiske ledningsevnen til silisiumnitridkeramikk nå passert 177 W/(m·K). Sammenlignet med tradisjonelle harpikssubstrater, som har varmeledningsevne under 1 W/(m·K), er dette en{13}}spillendring.
For det andre har silisiumnitrid en lav termisk ekspansjonskoeffisient (CTE) på bare omtrent 3,2×10⁻⁶/grad, omtrent en- tredjedel av Al₂O3. CPO-pakker inneholder flere materialer-silisiumbrikker, III-V-sammensatte halvlederbrikker (som InP-lasere)-hver med forskjellige CTE-er. Når lokale varmestigninger, bestemmer CTE-tilpasning direkte loddeforbindelsens levetid under termisk sykling. Silisiumnitrids CTE er veldig nær det for silisium-baserte materialer, så bruk av det som underlag kan i stor grad lindre belastningsmisforholdet mellom forskjellige materialer under termiske sykluser.
For det tredje er silisiumnitrids mekaniske egenskaper enestående. Dens elastisitetsmodul er 320 GPa, og bøyestyrken er 920 MPa. Slik overlegen mekanisk ytelse betyr at underlaget kan gjøres tynnere-silisiumnitrid kan reduseres til 0,32 mm eller til og med 0,25 mm, mens aluminiumnitrid, på grunn av sprøhet, må holdes på 0,62 mm. Det tynnere substratet lukker det termiske ledningsevnegapet: selv om AlN har høyere termisk ledningsevne enn Si₃N4, er den totale termiske motstanden til ultra-tynt silisiumnitrid i hovedsak på nivå med den for tykkere AlN. Dessuten har silisiumnitrid større total seighet, noe som reduserer kantflis og brudd under industriell batchproduksjon, og forbedrer dermed produksjonsutbyttet.
Når det gjelder kostnader, er silisiumnitrid betydelig dyrere enn aluminiumoksyd, men bare rundt 60 % av prisen på aluminiumnitrid. Kombinert med TFC (tynn-filmkeramikk) integrerte moduler dannet av ett-sam-sintring, kan de totale produksjonskostnadene reduseres betydelig.
Derfor påpeker bransjeinnsidere at i hele kjeden for optisk kommunikasjon og den integrerte CPO-emballasjenisjen, er silisiumnitrid kjernesubstratmaterialet som passer best med fremtidige teknologitrender, med den generelle egnetheten som langt overgår aluminiumnitrid.
Silicon Nitride Optical Waveguide-Den "Optical Signal Superhighway" til CPO
I motsetning til dens makroskopiske rolle som emballasjesubstrat, er silisiumnitrids andre kjernerolle i CPO som et optisk bølgeledermateriale inne i den fotoniske brikken, ansvarlig for optisk signaloverføring, ruting, splitting, kombinering og andre nøkkelfunksjoner.
Denne applikasjonen representerer den mest essensielle optiske verdien av silisiumnitrid i CPO. Den brukes først og fremst til å fremstille optiske bølgeledere på-brikke, mikroringresonatorer, optiske frekvenskammer, bølgelengde-divisjonsmultipleksere, polarisasjonsstråledelere, gitterkoblere og alle andre passive optiske enheter, og danner det komplette optiske nettverket inne i den optiske CPO-motoren/demultipleksing, overføring og overføring av signaler. Den er ofte hybrid-integrert med aktive InP-brikker og har blitt standardteknologiens veikart for NVIDIAs neste-generasjons 3.2T CPO optiske moduler.
Hvorfor silisiumnitrid i stedet for silisium? Silisiumnitrid har en brytningsindeks på omtrent 1,98, noe som gir optisk feltbegrensning mellom Si-bølgeledere (≈3,4) og silikakledning (≈1,44), noe som gjør det til et av de mest lovende materialene for å designe kantkoblinger med høy indekskontrast og små tverrsnitt. Enda viktigere, i CPO-scenarier med høy-effekt lider silisiumbølgeledere av to-fotonabsorpsjon og kan brenne ut, mens silisiumnitrid har et bredt båndgap og ikke lider av dette problemet, noe som gjør det til et ideelt valg for overføring av optiske signaler med høy-effekt.
I tillegg åpner kompatibilitet med optisk bølgelederprosess av silisiumnitrid opp for heterogene integrasjonsmuligheter. Silisiumnitrid tynn-filmavsetningsprosesser (LPCVD/PECVD/magnetronsputtering) er modne og CMOS-kompatible. Ved å bruke lav-temperatur PECVD-avsetning ved prosesstemperaturer under 400 grader, skader den ikke fremre- CMOS-brikker eller III-V aktive brikker, og tillater monolittisk integrasjon direkte på wafere, svært kompatibel med TSMCs COUPE silisium-fotonikk CPO-prosessplattform.
Oppsummert spiller optiske bølgeledere av silisiumnitrid i CPO en dobbel rolle som -brikkens optiske overføring "superhighway" og som "broen" for fiber-til-brikke optisk kobling, noe som gjør dem til det funksjonelle kjernematerialet for å bygge høy-fotoniske integrerte kretser.
Nåværende status for teknologi og industrialisering
Silisiumnitridsubstrater:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) har eksplisitt uttalt at deres CPO-keramiske substrater er i den endelige FoU-sprintfasen og forventes å nå masseproduksjon innen tre år. Fude Technologys TFC-tynne-film-keramiske substratprodukter, med høy overflateflathet og CTE-tilpasning med brikker, er posisjonert som "en av de ideelle bærerplattformene for CPO-emballasje." Sinocera Materials avslørte i sine investorrelasjoner at datterselskapet, Sinocera Saichuang, har tekniske reserver for keramiske underlag for optiske moduler.
Silisiumnitrid optiske bølgeledere:
I utlandet har Solindes Photonics lansert en silisiumnitrid mikro-kam lyskilde tilpasset CPO, med en enkelt enhet som kan sende ut 28 bølgelengdekanaler og en optisk konverteringseffektivitet på 60 %. På ISSCC 2026 avduket TSMC sin silisium-fotonikk-CPO-plattform, og tok i bruk silisiumnitridbølgeledere som den standard passive optiske bølgelederløsningen. Innenlandske fotoniske støperier har allerede fullført PDK-utvikling for passiv silisiumnitridfotonik og introduserer gradvis prøver for 800G og 1,6T CPO-verifisering.