Amb el desplegament a gran-escala de grans models d'IA i l'avenç continuat de la informàtica d'alt rendiment-, les interconnexions tradicionals de coure s'enfronten a "colls d'ampolla de comunicació" i "murs d'energia". L'essència de l'òptica co-empaquetada (CPO) és tornar l'interruptor ASIC, els xips fotònics de silici, els làsers i les matrius de fibra en un sol substrat d'embalatge. La distància de transmissió dels senyals elèctrics s'escurça dràsticament de l'"escala centímetre" a l'"escala mil·limètrica", reduint significativament la longitud de la interconnexió elèctrica i reduint el consum d'energia entre un 30% i un 50%, cosa que la converteix en un camí crític per trencar aquests colls d'ampolla.
És evident que quan els motors òptics ja no estan "connectats" al panell frontal de l'interruptor sinó que "cohabitaven" amb xips de càlcul, el sistema esdevé molt més complex i la selecció del material esdevé el factor decisiu per determinar si el CPO pot arribar a la producció en massa. En aquesta ronda de reconfiguració del material, el nitrur de silici (Si₃N₄) destaca com a jugador especial-juga dos papers clarament diferents però crítics en CPO: un, com a substrat ceràmic de nitrur de silici, que serveix com a portador físic i base de dissipació de calor-per als dispositius CPO; l'altre, com a guia d'ona òptica de nitrur de silici, que serveix com a canal de transmissió del senyal òptic dins del xip fotònic.
Substrat ceràmic de nitrur de silici: el transportista preferit per a l'embalatge CPO
Com s'ha esmentat anteriorment, a l'embalatge integrat d'alta-densitat de CPO, els motors òptics i els xips de commutació estan estretament integrats en un espai extremadament petit. La integració del sistema és més alta, els camins d'interconnexió optoelectrònics són més curts i el consum d'energia és menor-tot bé. Tanmateix, amb tants dispositius-de gran potència empaquetats i que funcionen simultàniament, s'acumula una gran quantitat de calor. Les dades de la literatura mostren que per als dispositius electrònics, cada augment de temperatura de 10 graus normalment redueix la vida útil efectiva del dispositiu entre un 30% i un 50%. Si aquesta calor no es pot dissipar a temps, farà que les temperatures de la unió augmentin ràpidament, provocant una degradació del rendiment o fins i tot un fracàs.
El substrat d'embalatge és el component-principal que dissipa la calor. Entre els materials tradicionals, els substrats orgànics (com ara FR-4) tenen una conductivitat tèrmica baixa i una concordança CTE deficient, i no compleixen els requisits de dissipació d'alta potència de CPO. Els substrats ceràmics, especialment els substrats ceràmics de nitrur de silici, s'han convertit en el material de substrat clau per a l'envasament CPO a causa de la seva alta resistència, alta conductivitat tèrmica i coincidència CTE.
El nitrur de silici guanya per estar "-ben arrodonit".
En primer lloc, la seva conductivitat tèrmica és notablement bona. En les primeres etapes de la investigació, la conductivitat tèrmica a temperatura ambient de Si₃N₄ era de 20-70 W/(m·K), molt inferior a la d'AlN i SiC, de manera que el seu rendiment tèrmic no va cridar gaire l'atenció. L'any 1995, aquesta percepció va canviar. El científic Haggerty, mitjançant la teoria clàssica del transport en estat sòlid-, va calcular que la baixa conductivitat tèrmica del Si₃N₄ es deu principalment a defectes i impureses de la xarxa, i va predir que el seu màxim teòric podria arribar als 320 W/(m·K). Gràcies als esforços conjunts en recerca i indústria, la conductivitat tèrmica de la ceràmica de nitrur de silici ha superat ara els 177 W/(m·K). En comparació amb els substrats de resina tradicionals, que tenen una conductivitat tèrmica per sota d'1 W/(m·K), això és un canvi-de joc.
En segon lloc, el nitrur de silici té un baix coeficient d'expansió tèrmica (CTE) de només uns 3,2 × 10⁻⁶/grau, aproximadament un -terç que l'Al₂O₃. Els paquets CPO contenen diversos materials-xips de silici, xips de semiconductors compostos III-V (com ara làsers InP)-cadascun amb diferents CTE. Quan la calor local augmenta, la concordança CTE determina directament la vida útil de la junta de soldadura sota un cicle tèrmic. El CTE del nitrur de silici és molt proper al dels materials basats en silici-, de manera que utilitzar-lo com a substrat pot alleujar en gran mesura el desajust de tensió entre diferents materials durant els cicles tèrmics.
En tercer lloc, les propietats mecàniques del nitrur de silici són excel·lents. El seu mòdul elàstic és de 320 GPa i la seva resistència a la flexió és de 920 MPa. Aquest rendiment mecànic superior significa que el substrat es pot fer més prim-el nitrur de silici es pot reduir a 0,32 mm o fins i tot 0,25 mm, mentre que el nitrur d'alumini, a causa de la fragilitat, s'ha de mantenir a 0,62 mm. El substrat més prim tanca la bretxa de conductivitat tèrmica: tot i que AlN té una conductivitat tèrmica més alta que Si₃N₄, la resistència tèrmica global del nitrur de silici ultra-essencialment és igual a la d'AlN més gruixuda. A més, el nitrur de silici té una major duresa general, reduint l'estella i el trencament de les vores durant la producció industrial per lots, millorant així el rendiment de fabricació.
En termes de cost, el nitrur de silici és considerablement més car que l'alúmina, però només un 60% del preu del nitrur d'alumini. Combinat amb mòduls integrats de TFC (-pel·lícula ceràmica fina) formats per un-co-sinteritzat en un sol pas, els costos globals de producció es poden reduir significativament.
Per tant, els experts de la indústria assenyalen que a tota la cadena de la indústria de les comunicacions òptiques i al nínxol d'embalatge integrat CPO, el nitrur de silici és el material de substrat bàsic que millor s'alinea amb les tendències tecnològiques futures, amb una idoneïtat general molt superior a la del nitrur d'alumini.
Guia d'ones òptica de nitrur de silici-La "supercarretera del senyal òptic" de CPO
A diferència del seu paper macroscòpic com a substrat d'embalatge, l'altre paper bàsic del nitrur de silici en CPO és com a material de guia d'ones òptica dins del xip fotònic, responsable de la transmissió, l'encaminament, la divisió, la combinació i altres funcions clau del senyal òptic.
Aquesta aplicació representa el valor òptic més essencial del nitrur de silici en CPO. S'utilitza principalment per fabricar guies d'ona òptiques en-xip, ressonadors de microanells, pintes de freqüència òptica, multiplexadors de divisió de longitud d'ona-, divisors de feix de polarització, acobladors de reixeta i tots els altres dispositius òptics passius, formant la xarxa òptica completa dins del motor òptic CPO per a la distribució, la transmissió i el filtratge múltiple de senyals. Sovint s'integra-híbrid amb xips actius InP i s'ha convertit en el full de ruta tecnològic estàndard per als mòduls òptics CPO 3.2T de -generació de NVIDIA.
Per què nitrur de silici en lloc de silici? El nitrur de silici té un índex de refracció d'aproximadament 1,98, proporcionant un confinament del camp òptic entre el de les guies d'ona de Si (≈3,4) i el revestiment de sílice (≈1,44), el que el converteix en un dels materials més prometedors per dissenyar acobladors de vora amb un alt índex de contrast i petites seccions transversals. Més important encara, en els escenaris de CPO d'alta-potència, les guies d'ona de silici pateixen una absorció de dos-fotons i es poden cremar, mentre que el nitrur de silici té una gran bretxa de banda i no pateix aquest problema, la qual cosa el converteix en una opció ideal per transmetre senyals òptics d'alta-potència.
A més, la compatibilitat del procés de guia d'ona òptica de nitrur de silici obre oportunitats d'integració heterogènies. Els processos de deposició-de pel·lícula fina de nitrur de silici (LPCVD/PECVD/polvoreig magnètic) són madurs i compatibles-CMOS. Utilitzant la deposició de PECVD a baixa -temperatura a temperatures de procés inferiors a 400 graus, no danya els xips CMOS frontals-ni xips actius III{-V, permetent la integració monolítica directament a les hòsties, altament compatible amb la plataforma de procés CPO-fotònica de silici COUPE de TSMC.
En resum, les guies d'ona òptiques de nitrur de silici a CPO tenen un doble paper com a "supercarretera" de transmissió òptica en-xip i com a "pont" per a l'acoblament òptic de fibra-a-xip, cosa que els converteix en el material funcional bàsic per construir circuits integrats fotònics d'alt-rendiment.
Estat actual de la tecnologia i la industrialització
Substrats de nitrur de silici:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) ha declarat explícitament que els seus substrats ceràmics CPO es troben en la fase final d'R+D i s'espera que arribin a la producció en massa d'aquí a tres anys. Els productes de substrat ceràmic de pel·lícula fina TFC-TFC de Fude Technology, amb la seva gran planitud superficial i la combinació de CTE amb xips, es situen com "una de les plataformes de suport ideals per a l'envasament CPO". Sinocera Materials va revelar als seus registres de relacions amb inversors que la seva filial, Sinocera Saichuang, té reserves tècniques per a substrats ceràmics per a mòduls òptics.
Guies d'ones òptiques de nitrur de silici:
A l'estranger, Solindes Photonics ha llançat una font de llum de micro-pinta de nitrur de silici adaptada per CPO, amb un únic dispositiu capaç d'emetre 28 canals de longitud d'ona i una eficiència de conversió òptica del 60%. A l'ISSCC 2026, TSMC va presentar la seva plataforma CPO de fotònica-de silici, adoptant guies d'ones de nitrur de silici com a solució de guia d'ones òptica passiva estàndard. Les fundicions fotòniques domèstiques ja han completat el desenvolupament de PDK per a la fotònica passiva de nitrur de silici i estan introduint mostres gradualment per a la verificació CPO 800G i 1.6T.