S rozsiahlym-nasadením veľkých modelov AI a neustálym pokrokom-výkonnej výpočtovej techniky čelia tradičné medené prepojenia vážnym „komunikačným prekážkam“ a „silovým múrom“. Podstatou co{3}}balenej optiky (CPO) je priviesť prepínač ASIC, kremíkové fotonické čipy, lasery a vláknové polia späť na jediný obalový substrát. Prenosová vzdialenosť elektrických signálov sa drasticky skrátila z „centimetrovej stupnice“ na „milimetrovú mierku“, čím sa výrazne skráti dĺžka elektrického prepojenia a spotreba energie sa zníži o 30 % – 50 %, čo z neho robí kritickú cestu k prekonaniu týchto prekážok.
Je zrejmé, že keď optické motory už nie sú „zapojené“ do predného panela prepínača, ale namiesto toho „spolubývajú“ s výpočtovými čipmi, systém sa stáva oveľa zložitejším a výber materiálu sa stáva rozhodujúcim faktorom v tom, či CPO môže dosiahnuť sériovú výrobu. V tomto kole materiálovej rekonfigurácie vyniká nitrid kremíka (Si₃N₄) ako špeciálny hráč-, ktorý hrá v CPO dve zreteľne odlišné, no kritické úlohy: jednu ako keramický substrát z nitridu kremíka, ktorý slúži ako fyzický nosič a základ- odvádzania tepla pre zariadenia CPO; druhý, ako optický vlnovod z nitridu kremíka, slúžiaci ako kanál na prenos optického signálu vo vnútri fotonického čipu.
Keramický substrát z nitridu kremíka: Preferovaný nosič pre balenie CPO
Ako už bolo spomenuté vyššie, v integrovanom balení CPO s vysokou{0}}hustotou sú optické motory a spínacie čipy tesne integrované na extrémne malom priestore. Systémová integrácia je vyššia, optoelektronické prepojovacie cesty sú kratšie a spotreba energie je nižšia-všetko dobré. Avšak pri toľkých-zariadeniach s vysokým výkonom, ktoré sú združené a fungujú súčasne, sa akumuluje veľké množstvo tepla. Údaje z literatúry ukazujú, že v prípade elektronických zariadení každé zvýšenie teploty o 10 stupňov zvyčajne znižuje efektívnu životnosť zariadenia o 30 % až 50 %. Ak toto teplo nie je možné včas rozptýliť, spôsobí rýchle zvýšenie teploty spojov, čo vedie k zníženiu výkonu alebo dokonca k poruche.
Obalový substrát je primárnou zložkou-odvádzajúcou teplo. Medzi tradičnými materiálmi majú organické substráty (ako FR-4) nízku tepelnú vodivosť a slabé prispôsobenie CTE, čo nespĺňa požiadavky CPO na vysoký rozptyl energie. Keramické substráty, najmä keramické substráty z nitridu kremíka, sa stali kľúčovým substrátovým materiálom pre obaly CPO vďaka svojej vysokej pevnosti, vysokej tepelnej vodivosti a prispôsobeniu CTE.
Nitrid kremíka vyhráva tým, že je „dobre-zaoblený“.
Po prvé, jeho tepelná vodivosť je pozoruhodne dobrá. V počiatočných štádiách výskumu bola tepelná vodivosť Si₃N₄ pri izbovej teplote 20–70 W/(m·K), čo je oveľa nižšia hodnota ako pri AlN a SiC, takže jeho tepelný výkon nepriťahoval veľkú pozornosť. V roku 1995 sa toto vnímanie zmenilo. Vedec Haggerty prostredníctvom klasickej teórie transportu v tuhom-stave vypočítal, že nízka tepelná vodivosť Si₃N₄ je spôsobená najmä mriežkovými defektmi a nečistotami, a predpovedal, že jeho teoretické maximum by mohlo dosiahnuť 320 W/(m·K). Vďaka spoločnému úsiliu vo výskume a priemysle teraz tepelná vodivosť keramiky z nitridu kremíka presiahla 177 W/(m·K). V porovnaní s tradičnými živicovými substrátmi, ktoré majú tepelnú vodivosť pod 1 W/(m·K), ide o-zmenu hry.
Po druhé, nitrid kremíka má nízky koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) len asi 3,2 × 10⁻⁶/stupeň, čo je približne jedna- tretina koeficientu Al₂O₃. Balíky CPO obsahujú viaceré materiály-kremíkové čipy, III-zložené polovodičové čipy (ako sú lasery InP)-každý s rôznymi CTE. Pri lokálnych tepelných rázoch zhoda CTE priamo určuje životnosť spájkovaného spoja pri tepelnom cyklovaní. CTE nitridu kremíka je veľmi blízko k CTE materiálov na báze kremíka, takže jeho použitie ako substrátu môže výrazne zmierniť nesúlad napätia medzi rôznymi materiálmi počas tepelných cyklov.
Po tretie, mechanické vlastnosti nitridu kremíka sú vynikajúce. Jeho modul pružnosti je 320 GPa a jeho pevnosť v ohybe je 920 MPa. Takýto vynikajúci mechanický výkon znamená, že substrát môže byť tenší-, nitrid kremíka sa môže zmenšiť na 0,32 mm alebo dokonca 0,25 mm, zatiaľ čo nitrid hliníka sa v dôsledku krehkosti musí udržiavať na 0,62 mm. Tenší substrát uzatvára medzeru tepelnej vodivosti: hoci AlN má vyššiu tepelnú vodivosť ako Si₃N₄, celkový tepelný odpor ultra-tenkého nitridu kremíka je v podstate rovnaký ako u hrubšieho AlN. Okrem toho má nitrid kremíka väčšiu celkovú húževnatosť, čím sa znižuje vylamovanie hrán a lámanie počas priemyselnej šaržovej výroby, čím sa zlepšuje výrobný výnos.
Pokiaľ ide o náklady, nitrid kremíka je podstatne drahší ako oxid hlinitý, ale len asi 60 % ceny nitridu hliníka. V kombinácii s TFC (tenká-keramická vrstva) integrovanými modulmi vytvorenými-spoločným{4}}spekaním v jednom kroku je možné výrazne znížiť celkové výrobné náklady.
Odborníci v tomto odvetví preto poukazujú na to, že v celom reťazci optického komunikačného priemyslu a integrovanom balení CPO je nitrid kremíka základným substrátovým materiálom, ktorý najlepšie zodpovedá budúcim technologickým trendom, pričom celková vhodnosť ďaleko prevyšuje nitrid hliníka.
Optický vlnovod z nitridu kremíka-„Superdiaľnica optického signálu“ CPO
Na rozdiel od svojej makroskopickej úlohy ako obalového substrátu je ďalšou kľúčovou úlohou nitridu kremíka v CPO ako materiál optického vlnovodu vo vnútri fotonického čipu, ktorý je zodpovedný za prenos optického signálu, smerovanie, delenie, kombinovanie a ďalšie kľúčové funkcie.
Táto aplikácia predstavuje najdôležitejšiu optickú hodnotu nitridu kremíka v CPO. Primárne sa používa na výrobu-optických vlnovodov na čipoch, mikrokruhových rezonátorov, hrebeňov s optickými frekvenciami, multiplexorov s delením vlnových dĺžok{2}}, rozdeľovačov polarizačného lúča, mriežkových spojok a všetkých ostatných pasívnych optických zariadení, ktoré tvoria kompletnú optickú sieť vo vnútri optického stroja CPO na distribúciu, prenos, filtrovanie a multiplexovanie/demultiplexovanie. Často je hybridný-integrovaný s aktívnymi čipmi InP a stal sa štandardným technologickým plánom pre NVIDIA -generáciu optických modulov 3.2T CPO ďalšej generácie.
Prečo nitrid kremíka namiesto kremíka? Nitrid kremíka má index lomu približne 1,98, čo poskytuje obmedzenie optického poľa medzi vlnovodom Si (≈3,4) a povlakom oxidu kremičitého (≈1,44), čo z neho robí jeden z najsľubnejších materiálov na navrhovanie okrajových spojok s vysokým indexovým kontrastom a malými prierezmi. Ešte dôležitejšie je, že v scenároch vysokého výkonu CPO-kremíkové vlnovody trpia absorpciou dvoch-fotónov a môžu vyhorieť, zatiaľ čo nitrid kremíka má veľkú medzeru v pásme a týmto problémom netrpí, čo z neho robí ideálnu voľbu na prenos vysokovýkonných optických signálov.
Okrem toho kompatibilita procesu optického vlnovodu nitridu kremíka otvára možnosti heterogénnej integrácie. Procesy nanášania tenkých vrstiev nitridu kremíka- (LPCVD/PECVD/magnetrónové naprašovanie) sú zrelé a kompatibilné s CMOS-. Použitím nízkoteplotného nanášania PECVD pri procesných teplotách pod 400 stupňov sa nepoškodia predné-čipy CMOS ani aktívne čipy III{7}}V, čo umožňuje monolitickú integráciu priamo na doštičky, čo je vysoko kompatibilné s kremíkovou{8}}fotónovou procesnou platformou CPO od spoločnosti TSMC.
Stručne povedané, optické vlnovody z nitridu kremíka v CPO zohrávajú dvojakú úlohu ako -optická prenosová „superdiaľnica“ na čipe a ako „most“ pre optickú väzbu medzi vláknami-k-čipu, vďaka čomu sú základným funkčným materiálom na vytváranie-výkonných fotonických integrovaných obvodov.
Súčasný stav technológie a industrializácie
Substráty z nitridu kremíka:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) výslovne uviedla, že jej keramické substráty CPO sú vo finálnej fáze výskumu a vývoja a očakáva sa, že do troch rokov dosiahnu sériovú výrobu. Tenkovrstvové keramické substráty TFC-od spoločnosti Fude Technology s vysokou rovinnosťou povrchu a zhodou CTE s čipmi predstavujú „jednu z ideálnych nosných platforiem pre obaly CPO“. Spoločnosť Sinocera Materials zverejnená vo svojich vzťahoch s investormi uvádza, že jej dcérska spoločnosť Sinocera Saichuang má technické rezervy na keramické substráty pre optické moduly.
Optické vlnovody z nitridu kremíka:
Spoločnosť Solindes Photonics v zámorí uviedla na trh mikro-hrebeňový svetelný zdroj z nitridu kremíka prispôsobený pre CPO s jediným zariadením, ktoré je schopné vydávať 28 kanálov s vlnovou dĺžkou a s účinnosťou optickej konverzie 60 %. Na ISSCC 2026 spoločnosť TSMC predstavila svoju kremíkovú -fotónovú platformu CPO, ktorá využíva vlnovody z nitridu kremíka ako štandardné pasívne riešenie optických vlnovodov. Domáce fotonické zlievarne už ukončili vývoj PDK pre pasívnu fotoniku nitridu kremíka a postupne zavádzajú vzorky na overenie 800G a 1,6T CPO.