Z obsežno-razmestitvijo velikih modelov umetne inteligence in nenehnim napredkom visoko-zmogljivega računalništva se tradicionalne bakrene medsebojne povezave soočajo s hudimi »komunikacijskimi ozkimi grli« in »močji zidovi«. Bistvo ko-zapakirane optike (CPO) je vrniti stikalo ASIC, silicijeve fotonske čipe, laserje in nize vlaken nazaj na en sam embalažni substrat. Prenosna razdalja električnih signalov je drastično skrajšana od "centimetrske lestvice" do "milimetrske lestvice," kar znatno zmanjša dolžino električnih medsebojnih povezav in zmanjša porabo energije za 30 %–50 %, zaradi česar je kritična pot za preboj teh ozkih grl.
Jasno je, da ko optični motorji niso več "priklopljeni" na sprednjo ploščo stikala, ampak namesto tega "soživajo" z računalniškimi čipi, sistem postane veliko bolj zapleten in izbira materiala postane odločilni dejavnik pri tem, ali lahko CPO doseže množično proizvodnjo. V tem krogu rekonfiguracije materiala silicijev nitrid (Si₃N₄) izstopa kot poseben igralec-ima dve izrazito različni, a kritični vlogi v CPO: eno, kot keramični substrat iz silicijevega nitrida, ki služi kot fizični nosilec in-osnova za odvajanje toplote za naprave CPO; drugi kot optični valovod iz silicijevega nitrida, ki služi kot kanal za prenos optičnega signala znotraj fotoničnega čipa.
Keramični substrat iz silicijevega nitrida: prednostni nosilec za embalažo CPO
Kot je bilo omenjeno zgoraj, so v integrirani embalaži CPO z visoko{0}}gostoto optični motorji in stikalni čipi tesno integrirani v izjemno majhnem prostoru. Sistemska integracija je višja, optoelektronske povezave so krajše, poraba energije pa nižja-vse v redu. Vendar se pri toliko-zmogljivih napravah, ki so združene in delujejo hkrati, kopiči velika količina toplote. Podatki iz literature kažejo, da pri elektronskih napravah vsak dvig temperature za 10 stopinj običajno skrajša učinkovito življenjsko dobo naprave za 30–50 %. Če te toplote ni mogoče pravočasno odvesti, bo to povzročilo hiter dvig temperatur spoja, kar bo povzročilo poslabšanje delovanja ali celo okvaro.
Embalažni substrat je primarna komponenta,-ki odvaja toploto. Med tradicionalnimi materiali imajo organski substrati (kot je FR-4) nizko toplotno prevodnost in slabo ujemanje CTE, zaradi česar ne izpolnjujejo zahtev CPO glede velike disipacije moči. Keramični substrati, zlasti keramični substrati iz silicijevega nitrida, so postali ključni substratni material za embalažo CPO zaradi svoje visoke trdnosti, visoke toplotne prevodnosti in ujemanja CTE.
Silicijev nitrid zmaga, ker je "dobro{0}}zaobljen."
Prvič, njegova toplotna prevodnost je izjemno dobra. V zgodnjih fazah raziskav je bila toplotna prevodnost Si₃N₄ pri sobni{1}}temperaturi 20–70 W/(m·K), kar je veliko nižje kot pri AlN in SiC, zato njegova toplotna učinkovitost ni pritegnila veliko pozornosti. Leta 1995 se je to dojemanje spremenilo. Znanstvenik Haggerty je na podlagi klasične-teorije transporta v trdnem stanju izračunal, da je nizka toplotna prevodnost Si₃N₄ v glavnem posledica mrežnih napak in nečistoč, in napovedal, da bi lahko njegov teoretični maksimum dosegel 320 W/(m·K). Zahvaljujoč skupnim prizadevanjem v raziskavah in industriji je toplotna prevodnost keramike iz silicijevega nitrida zdaj presegla 177 W/(m·K). V primerjavi s tradicionalnimi smolnimi podlagami, ki imajo toplotno prevodnost pod 1 W/(m·K), je to sprememba-.
Drugič, silicijev nitrid ima nizek koeficient toplotnega raztezanja (CTE), ki znaša le približno 3,2 × 10⁻⁶/ stopinjo, kar je približno-tretjino kot Al₂O₃. Paketi CPO vsebujejo več materialov-silicijeve čipe, sestavljene polprevodniške čipe III-V (kot so InP laserji)-vsak z različnimi CTE. Pri lokalnih toplotnih sunkih ujemanje CTE neposredno določa življenjsko dobo spajkalnega spoja pri termičnem kroženju. CTE silicijevega nitrida je zelo blizu tistemu pri materialih-na osnovi silicija, zato lahko njegova uporaba kot substrat močno ublaži neusklajenost napetosti med različnimi materiali med termičnimi cikli.
Tretjič, mehanske lastnosti silicijevega nitrida so izjemne. Njegov modul elastičnosti je 320 GPa, upogibna trdnost pa 920 MPa. Takšna vrhunska mehanska zmogljivost pomeni, da je substrat mogoče tanjšati-silicijev nitrid je mogoče zmanjšati na 0,32 mm ali celo 0,25 mm, medtem ko mora biti aluminijev nitrid zaradi krhkosti 0,62 mm. Tanjši substrat zapre vrzel toplotne prevodnosti: čeprav ima AlN višjo toplotno prevodnost kot Si₃N4, je splošna toplotna odpornost ultra-tankega silicijevega nitrida v bistvu enaka kot pri debelejšem AlN. Poleg tega ima silicijev nitrid večjo splošno žilavost, kar zmanjšuje odkrušanje robov in lomljenje med industrijsko serijsko proizvodnjo, s čimer se izboljša izkoristek proizvodnje.
Kar zadeva ceno, je silicijev nitrid precej dražji od aluminijevega oksida, vendar le približno 60 % cene aluminijevega nitrida. V kombinaciji z integriranimi moduli TFC (tanko-filmske keramike), oblikovanimi z eno-so-sintranjem, se lahko skupni proizvodni stroški znatno zmanjšajo.
Zato poznavalci industrije poudarjajo, da je v celotni verigi industrije optičnih komunikacij in niši integrirane embalaže CPO silicijev nitrid osrednji substratni material, ki se najbolje ujema s prihodnjimi tehnološkimi trendi, s splošno primernostjo, ki daleč presega primernost aluminijevega nitrida.
Optični valovod iz silicijevega nitrida-"Supercesta optičnega signala" CPO
Za razliko od njegove makroskopske vloge kot embalažnega substrata je druga glavna vloga silicijevega nitrida v CPO optični valovodni material v fotonskem čipu, ki je odgovoren za prenos optičnega signala, usmerjanje, cepitev, združevanje in druge ključne funkcije.
Ta aplikacija predstavlja najpomembnejšo optično vrednost silicijevega nitrida v CPO. Uporablja se predvsem za izdelavo-optičnih valovodov, mikroobročnih resonatorjev, optičnih frekvenčnih glavnikov,-multipleksorjev z delitvijo valovne dolžine, polarizacijskih cepilnikov žarkov, rešetkastih spojnikov in vseh drugih pasivnih optičnih naprav, ki tvorijo celotno optično omrežje znotraj optičnega motorja CPO za distribucijo signala, prenos, filtriranje in multipleksiranje/demultipleksiranje. Pogosto je hibridno-integriran z aktivnimi čipi InP in je postal standardni tehnološki načrt za naslednjo-generacijo optičnih modulov NVIDIA 3.2T CPO.
Zakaj silicijev nitrid namesto silicija? Silicijev nitrid ima lomni količnik približno 1,98, kar zagotavlja omejitev optičnega polja med silicijevimi valovodi (≈3,4) in oblogo iz silicijevega dioksida (≈1,44), zaradi česar je eden najbolj obetavnih materialov za načrtovanje robnih sklopk z visokim kontrastnim indeksom in majhnimi-prerezi. Še pomembneje pa je, da v visoko-zmogljivih scenarijih CPO silicijevi valovod trpijo zaradi absorpcije dveh-fotonov in lahko izgorijo, medtem ko ima silicijev nitrid široko pasovno vrzel in ni prizadet zaradi te težave, zaradi česar je idealna izbira za prenos-močnih optičnih signalov.
Poleg tega združljivost postopka optičnega valovoda iz silicijevega nitrida odpira možnosti heterogene integracije. Postopki nanašanja tankega{1}}sloja silicijevega nitrida (LPCVD/PECVD/magnetronsko razprševanje) so zreli in združljivi-s CMOS. Z uporabo nizko-temperaturnega nanašanja PECVD pri temperaturah procesa pod 400 stopinjami ne poškoduje sprednjih-čipov CMOS ali aktivnih čipov III-V, kar omogoča monolitno integracijo neposredno na rezine, zelo združljivo s procesno platformo COUPE za-fotoniko CPO TSMC.
Če povzamemo, imajo optični valovod iz silicijevega nitrida v CPO dvojno vlogo kot »superhighway« optičnega prenosa na-čipu in kot »most« za optično spajanje vlaken--čip, zaradi česar so osrednji funkcionalni material za gradnjo visoko-zmogljivih fotonskih integriranih vezij.
Trenutno stanje tehnologije in industrializacije
Podlage iz silicijevega nitrida:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) je izrecno izjavil, da so njegovi CPO keramični substrati v zadnji fazi raziskav in razvoja in naj bi dosegli množično proizvodnjo v treh letih. Izdelki s tankoslojnim-slojnim keramičnim substratom podjetja Fude Technology s svojo visoko ravnostjo površine in CTE, ki se ujemajo s čipi, veljajo za »eno od idealnih nosilnih platform za embalažo CPO«. Sinocera Materials je v svojih zapisih o odnosih z vlagatelji razkrila, da ima njena hčerinska družba Sinocera Saichuang tehnične rezerve za keramične substrate za optične module.
Optični valovod iz silicijevega nitrida:
V tujini je Solindes Photonics lansiral svetlobni vir mikro{0}}glava iz silicijevega nitrida, prilagojen za CPO, z eno samo napravo, ki lahko oddaja 28 kanalov valovne dolžine in 60-odstotno učinkovitostjo optične pretvorbe. Na sejmu ISSCC 2026 je TSMC predstavil svojo platformo CPO za-fotoniko iz silicija, pri čemer je valovode iz silicijevega nitrida sprejel kot standardno pasivno rešitev optičnega valovoda. Domače fotonske livarne so že zaključile razvoj PDK za pasivno fotoniko iz silicijevega nitrida in postopoma uvajajo vzorce za verifikacijo 800G in 1,6T CPO.