Uz-uvođenje velikih modela umjetne inteligencije u velikim razmjerima i kontinuirani napredak računarstva visokih-performansi, tradicionalne bakrene međukonekcije suočavaju se s ozbiljnim "komunikacijskim uskim grlima" i "zidovima napajanja". Bit ko-zapakirane optike (CPO) je vratiti ASIC prekidača, silikonske fotonske čipove, lasere i nizove vlakana natrag na jednu podlogu za pakiranje. Prijenosna udaljenost električnih signala drastično je skraćena od "centimetarske skale" do "milimetarske skale", značajno smanjujući duljinu električnog međuspoja i smanjujući potrošnju energije za 30%–50%, što ga čini kritičnim putem za probijanje ovih uskih grla.
Jasno je da kada optički motori više nisu "uključeni" u prednju ploču prekidača, već umjesto toga "kohabitiraju" s računalnim čipovima, sustav postaje daleko složeniji, a odabir materijala postaje odlučujući faktor u tome može li CPO dosegnuti masovnu proizvodnju. U ovoj rundi rekonfiguracije materijala, silicijev nitrid (Si₃N₄) ističe se kao poseban igrač-on igra dvije izrazito različite, ali kritične uloge u CPO: jednu, kao keramički supstrat od silicijevog nitrida, služi kao fizički prijenosnik i baza za -odvođenje topline za CPO uređaje; drugi, kao optički valovod od silicij nitrida, koji služi kao kanal za prijenos optičkog signala unutar fotonskog čipa.
Keramički supstrat od silicij nitrida: preferirani nosač za CPO ambalažu
Kao što je gore spomenuto, u integriranom pakiranju visoke{0}}gustoće CPO-a, optički motori i sklopni čipovi čvrsto su integrirani unutar iznimno malog prostora. Integracija sustava je veća, putevi optoelektroničkog međusobnog povezivanja su kraći, a potrošnja energije manja-sve je dobro. Međutim, s toliko-uređaja velike snage koji su skupljeni i rade istovremeno, akumulira se velika količina topline. Literaturni podaci pokazuju da kod elektroničkih uređaja svaki porast temperature od 10 stupnjeva obično smanjuje efektivni životni vijek uređaja za 30%–50%. Ako se ova toplina ne može raspršiti na vrijeme, uzrokovat će brzo povećanje temperature spoja, što će dovesti do degradacije performansi ili čak kvara.
Supstrat za pakiranje je primarna komponenta-koja rasipa toplinu. Među tradicionalnim materijalima, organski supstrati (kao što je FR-4) imaju nisku toplinsku vodljivost i loše CTE podudaranje, ne ispunjavajući CPO-ove zahtjeve za rasipanjem velike snage. Keramički supstrati, posebno keramički supstrati od silicijevog nitrida, postali su ključni supstratni materijal za CPO ambalažu zbog svoje visoke čvrstoće, visoke toplinske vodljivosti i CTE podudaranja.
Silicijev nitrid pobjeđuje svojom "dobro-zaobljenošću."
Prvo, njegova toplinska vodljivost je izuzetno dobra. U ranim fazama istraživanja, toplinska vodljivost Si₃N₄ pri sobnoj{1}}temperaturi bila je 20-70 W/(m·K), daleko niža od one za AlN i SiC, tako da njegova toplinska izvedba nije privukla veliku pozornost. Godine 1995. ova se percepcija promijenila. Znanstvenik Haggerty je pomoću klasične teorije transporta-u čvrstom stanju izračunao da je niska toplinska vodljivost Si₃N₄ uglavnom uzrokovana defektima rešetke i nečistoćama i predvidio da bi njegov teoretski maksimum mogao doseći 320 W/(m·K). Zahvaljujući zajedničkim naporima u istraživanju i industriji, toplinska vodljivost keramike od silicijevog nitrida sada je premašila 177 W/(m·K). U usporedbi s tradicionalnim smolastim podlogama, koje imaju toplinsku vodljivost ispod 1 W/(m·K), ovo je promjena-.
Drugo, silicijev nitrid ima nizak koeficijent toplinske ekspanzije (CTE) od samo oko 3,2×10⁻⁶/ stupanj, što je otprilike jedna-trećina od Al₂O₃. CPO paketi sadrže višestruke materijale-silicijske čipove, III-V složene poluvodičke čipove (kao što su InP laseri)-svaki s različitim CTE-ovima. Kod lokalnih toplinskih udara, CTE usklađivanje izravno određuje životni vijek lemljenog spoja pod toplinskim ciklusima. CTE silicijevog nitrida vrlo je sličan materijalima na bazi-silicija, tako da njegova upotreba kao supstrata može uvelike ublažiti neusklađenost naprezanja između različitih materijala tijekom toplinskih ciklusa.
Treće, mehanička svojstva silicijevog nitrida su izvanredna. Modul elastičnosti mu je 320 GPa, a čvrstoća na savijanje 920 MPa. Takva superiorna mehanička izvedba znači da se supstrat može učiniti tanjim-silicijev nitrid se može smanjiti na 0,32 mm ili čak 0,25 mm, dok se aluminijev nitrid, zbog krtosti, mora zadržati na 0,62 mm. Tanji supstrat zatvara jaz toplinske vodljivosti: iako AlN ima veću toplinsku vodljivost od Si₃N4, ukupna toplinska otpornost ultra-tankog silicijevog nitrida u biti je jednaka otporu debljeg AlN. Štoviše, silicijev nitrid ima veću ukupnu žilavost, smanjujući pucanje rubova i lomljenje tijekom industrijske serijske proizvodnje, čime se poboljšava proizvodni učinak.
Što se tiče cijene, silicijev nitrid je znatno skuplji od glinice, ali samo oko 60% cijene aluminijevog nitrida. U kombinaciji s integriranim modulima TFC-a (tanko-slojna keramika) formiranih jedno-ko-sinterovanjem, ukupni troškovi proizvodnje mogu se značajno smanjiti.
Stoga stručnjaci iz industrije ističu da je u cijelom lancu industrije optičkih komunikacija i CPO integrirane ambalažne niše silicijev nitrid temeljni materijal supstrata koji se najbolje usklađuje s budućim tehnološkim trendovima, s ukupnom prikladnošću daleko većom od one aluminijeva nitrida.
Optički valovod od silicij nitrida-"Optička signalna superautocesta" CPO-a
Za razliku od njegove makroskopske uloge kao supstrata za pakiranje, druga ključna uloga silicijevog nitrida u CPO je materijal za optički valovod unutar fotonskog čipa, odgovoran za prijenos optičkog signala, usmjeravanje, razdvajanje, kombiniranje i druge ključne funkcije.
Ova primjena predstavlja najbitniju optičku vrijednost silicijevog nitrida u CPO. Prvenstveno se koristi za izradu optičkih valovoda na-čipu, mikroprstenastih rezonatora, optičkih frekvencijskih češljeva, multipleksera-podjele valnih duljina, polarizacijskih razdjelnika zraka, rešetkastih spojnica i svih ostalih pasivnih optičkih uređaja, tvoreći potpunu optičku mrežu unutar CPO optičkog stroja za distribuciju signala, prijenos, filtriranje i multipleksiranje/demultipleksiranje. Često je hibridno-integriran s InP aktivnim čipovima i postao je standardni tehnološki plan za NVIDIA-inu sljedeću-generaciju 3.2T CPO optičkih modula.
Zašto silicijev nitrid umjesto silicija? Silicijev nitrid ima indeks loma od oko 1,98, osiguravajući ograničenje optičkog polja između Si valovoda (≈3,4) i obloge od silicijevog dioksida (≈1,44), što ga čini jednim od materijala koji najviše obećava za projektiranje rubnih spojnica s visokim indeksom kontrasta i malim presjecima. Što je još važnije, u CPO scenarijima visoke-snage, silicijski valovod pati od apsorpcije dva-fotona i može izgorjeti, dok silicij nitrid ima širok pojasni razmak i nema ovaj problem, što ga čini idealnim izborom za prijenos optičkih signala velike-snage.
Osim toga, kompatibilnost procesa optičkog valovoda silicijevog nitrida otvara mogućnosti heterogene integracije. Postupci taloženja tankog{1}}sloja silicijevog nitrida (LPCVD/PECVD/magnetron raspršivanje) su zreli i CMOS-kompatibilni. Korištenjem PECVD taloženja na niskim-temperaturama pri temperaturama procesa ispod 400 stupnjeva, ne oštećuje prednje-CMOS čipove ili III-V aktivne čipove, dopuštajući monolitnu integraciju izravno na pločice, visoko kompatibilne s TSMC-ovom COUPE silicij-fotoničkom CPO procesnom platformom.
Ukratko, optički valovod od silicijevog nitrida u CPO-u igra dvostruku ulogu kao "superautocesta" za optički prijenos na-čipu i kao "most" za optičko spajanje-na-čip, što ih čini temeljnim funkcionalnim materijalom za izgradnju fotonskih integriranih krugova visokih-učinkovitosti.
Trenutno stanje tehnologije i industrijalizacije
Podloge od silicij nitrida:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) je izričito izjavio da su njegove CPO keramičke podloge u završnoj fazi istraživanja i razvoja i da se očekuje da će dosegnuti masovnu proizvodnju u roku od tri godine. TFC tank{1}}slojni keramički supstratni proizvodi Fude Technology, sa svojom visokom ravnošću površine i CTE podudaranjem s čipovima, pozicionirani su kao "jedna od idealnih nosivih platformi za CPO pakiranja." Sinocera Materials otkrila je u svojim zapisima o odnosima s investitorima da njegova podružnica, Sinocera Saichuang, ima tehničke rezerve za keramičke podloge za optičke module.
Optički valovod od silicij nitrida:
U inozemstvu, Solindes Photonics lansirao je mikro{0}}češljasti izvor svjetlosti od silicij nitrida prilagođen za CPO, s jednim uređajem koji može emitirati 28 kanala valnih duljina i učinkovitost optičke pretvorbe od 60%. Na ISSCC 2026, TSMC je predstavio svoju silicij-fotoniku CPO platformu, usvajajući valovode silicij nitrida kao standardno rješenje za pasivne optičke valovode. Domaće fotonske ljevaonice već su dovršile PDK razvoj za pasivnu fotoniku silicijevog nitrida i postupno uvode uzorke za 800G i 1.6T CPO verifikaciju.