Με τη-ανάπτυξη μεγάλων μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης σε μεγάλη κλίμακα και τη συνεχή πρόοδο των υπολογιστών υψηλής απόδοσης-, οι παραδοσιακές χάλκινες διασυνδέσεις αντιμετωπίζουν σοβαρά "συμφόρηση επικοινωνίας" και "τείχη ισχύος". Η ουσία των συν-συσκευασμένων οπτικών (CPO) είναι να επαναφέρει τον διακόπτη ASIC, τα φωτονικά τσιπ πυριτίου, τα λέιζερ και τις συστοιχίες ινών σε ένα μόνο υπόστρωμα συσκευασίας. Η απόσταση μετάδοσης των ηλεκτρικών σημάτων μειώνεται δραστικά από την "κλίμακα εκατοστών" στην "κλίμακα χιλιοστών", μειώνοντας σημαντικά το μήκος ηλεκτρικής διασύνδεσης και μειώνοντας την κατανάλωση ρεύματος κατά 30%–50%, καθιστώντας την μια κρίσιμη διαδρομή για να ξεπεραστούν αυτά τα σημεία συμφόρησης.
Σαφώς, όταν οι οπτικοί κινητήρες δεν είναι πλέον «συνδεδεμένοι» στον μπροστινό πίνακα του διακόπτη, αλλά «συγκατοικούν» με υπολογιστικά τσιπ, το σύστημα γίνεται πολύ πιο περίπλοκο και η επιλογή υλικού γίνεται ο αποφασιστικός παράγοντας για το εάν το CPO μπορεί να φτάσει στη μαζική παραγωγή. Σε αυτόν τον γύρο αναδιαμόρφωσης υλικού, το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4) ξεχωρίζει ως ειδικός παίκτης-διαδραματίζει δύο σαφώς διαφορετικούς αλλά κρίσιμους ρόλους στο CPO: ο ένας, ως κεραμικό υπόστρωμα νιτριδίου του πυριτίου, που χρησιμεύει ως φυσικός φορέας και βάση διαρροής θερμότητας- για συσκευές CPO. το άλλο, ως οπτικός κυματοδηγός νιτριδίου του πυριτίου, που χρησιμεύει ως κανάλι μετάδοσης οπτικού σήματος μέσα στο φωτονικό τσιπ.
Κεραμικό υπόστρωμα νιτριδίου πυριτίου: Ο προτιμώμενος φορέας για τη συσκευασία CPO
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στην ενσωματωμένη{0}}υψηλή πυκνότητα συσκευασία του CPO, οι οπτικοί κινητήρες και τα τσιπ μεταγωγέων ενσωματώνονται στενά σε έναν εξαιρετικά μικρό χώρο. Η ενοποίηση του συστήματος είναι υψηλότερη, οι οπτοηλεκτρονικές διαδρομές διασύνδεσης είναι μικρότερες και η κατανάλωση ενέργειας είναι χαμηλότερη-όλα καλά. Ωστόσο, με τόσες πολλές-συσκευές υψηλής ισχύος που συσκευάζονται μαζί και λειτουργούν ταυτόχρονα, συσσωρεύεται μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Βιβλιογραφικά δεδομένα δείχνουν ότι για τις ηλεκτρονικές συσκευές, κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 βαθμούς συνήθως μειώνει την αποτελεσματική διάρκεια ζωής της συσκευής κατά 30%-50%. Εάν αυτή η θερμότητα δεν μπορεί να διαλυθεί εγκαίρως, θα προκαλέσει ταχεία αύξηση της θερμοκρασίας των συνδέσμων, οδηγώντας σε υποβάθμιση της απόδοσης ή ακόμα και αστοχία.
Το υπόστρωμα συσκευασίας είναι το κύριο συστατικό που διαχέει-τη θερμότητα. Μεταξύ των παραδοσιακών υλικών, τα οργανικά υποστρώματα (όπως το FR-4) έχουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και κακή αντιστοίχιση CTE, αποτυγχάνοντας να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις διασποράς υψηλής ισχύος του CPO. Τα κεραμικά υποστρώματα, ειδικά τα κεραμικά υποστρώματα νιτριδίου του πυριτίου, έχουν γίνει το βασικό υλικό υποστρώματος για τη συσκευασία CPO λόγω της υψηλής αντοχής, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της αντιστοίχισης CTE.
Το νιτρίδιο του πυριτίου κερδίζει με το να είναι "καλά-στρογγυλεμένο".
Πρώτον, η θερμική του αγωγιμότητα είναι αξιοσημείωτα καλή. Στα πρώτα στάδια της έρευνας, η θερμική αγωγιμότητα θερμοκρασίας δωματίου του Si₃N4 ήταν 20–70 W/(m·K), πολύ χαμηλότερη από αυτή του AlN και του SiC, επομένως η θερμική του απόδοση δεν τράβηξε μεγάλη προσοχή. Το 1995, αυτή η αντίληψη άλλαξε. Ο επιστήμονας Χάγκερτι, μέσω της κλασικής{7}}θεωρίας μεταφοράς στερεάς κατάστασης, υπολόγισε ότι η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα του Si3N4 οφείλεται κυρίως σε ελαττώματα και ακαθαρσίες του πλέγματος και προέβλεψε ότι το θεωρητικό μέγιστο θα μπορούσε να φτάσει τα 320 W/(m·K). Χάρη σε κοινές προσπάθειες στην έρευνα και τη βιομηχανία, η θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών νιτριδίου του πυριτίου έχει πλέον ξεπεράσει τα 177 W/(m·K). Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υποστρώματα ρητίνης, τα οποία έχουν θερμική αγωγιμότητα κάτω από 1 W/(m·K), αυτό αλλάζει{13}}το παιχνίδι.
Δεύτερον, το νιτρίδιο του πυριτίου έχει χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) μόνο περίπου 3,2 × 10-6/ βαθμό, περίπου το ένα - τρίτο του Al2O3. Τα πακέτα CPO περιέχουν πολλαπλά υλικά-τσιπ πυριτίου, τσιπ σύνθετων ημιαγωγών III{{5}V (όπως λέιζερ InP)-το καθένα με διαφορετικά CTE. Όταν αυξάνεται η τοπική θερμότητα, η αντιστοίχιση CTE καθορίζει άμεσα τη διάρκεια ζωής του συνδέσμου συγκόλλησης υπό θερμική ανακύκλωση. Το CTE του νιτριδίου του πυριτίου είναι πολύ κοντά σε αυτό των υλικών με βάση το πυρίτιο-, επομένως η χρήση του ως υποστρώματος μπορεί να μειώσει σημαντικά την αναντιστοιχία τάσεων μεταξύ διαφορετικών υλικών κατά τη διάρκεια των θερμικών κύκλων.
Τρίτον, οι μηχανικές ιδιότητες του νιτριδίου του πυριτίου είναι εξαιρετικές. Ο συντελεστής ελαστικότητάς του είναι 320 GPa και η αντοχή του στην κάμψη είναι 920 MPa. Αυτή η ανώτερη μηχανική απόδοση σημαίνει ότι το υπόστρωμα μπορεί να γίνει πιο λεπτό-το νιτρίδιο του πυριτίου μπορεί να μειωθεί στα 0,32 mm ή ακόμα και στα 0,25 mm, ενώ το νιτρίδιο του αλουμινίου, λόγω ευθραυστότητας, πρέπει να διατηρείται στα 0,62 mm. Το λεπτότερο υπόστρωμα κλείνει το κενό θερμικής αγωγιμότητας: αν και το AlN έχει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το Si3N4, η συνολική θερμική αντίσταση του εξαιρετικά λεπτού νιτριδίου του πυριτίου είναι ουσιαστικά ίδια με εκείνη του παχύτερου AlN. Επιπλέον, το νιτρίδιο του πυριτίου έχει μεγαλύτερη συνολική σκληρότητα, μειώνοντας το θρυμματισμό των άκρων και τη θραύση κατά τη βιομηχανική παραγωγή παρτίδων, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση κατασκευής.
Όσον αφορά το κόστος, το νιτρίδιο του πυριτίου είναι σημαντικά πιο ακριβό από την αλουμίνα, αλλά μόνο περίπου το 60% της τιμής του νιτριδίου του αργιλίου. Σε συνδυασμό με ενσωματωμένες μονάδες TFC (λεπτού-υμενίου κεραμικού) που σχηματίζονται από-συντήρηση ενός βήματος-το συνολικό κόστος παραγωγής μπορεί να μειωθεί σημαντικά.
Ως εκ τούτου, οι εμπειρογνώμονες του κλάδου επισημαίνουν ότι σε ολόκληρη την αλυσίδα της βιομηχανίας οπτικών επικοινωνιών και την ενσωματωμένη θέση συσκευασίας CPO, το νιτρίδιο του πυριτίου είναι το βασικό υλικό υποστρώματος που ευθυγραμμίζεται καλύτερα με τις μελλοντικές τάσεις της τεχνολογίας, με τη συνολική καταλληλότητα να υπερβαίνει κατά πολύ αυτή του νιτριδίου του αλουμινίου.
Οπτικός κυματοδηγός νιτριδίου πυριτίου-Η "Οπτική Υπερεθνική οδός" του CPO
Σε αντίθεση με τον μακροσκοπικό του ρόλο ως υπόστρωμα συσκευασίας, ο άλλος βασικός ρόλος του νιτριδίου του πυριτίου στο CPO είναι ως υλικό οπτικού κυματοδηγού μέσα στο φωτονικό τσιπ, υπεύθυνο για τη μετάδοση οπτικού σήματος, τη δρομολόγηση, τη διάσπαση, το συνδυασμό και άλλες βασικές λειτουργίες.
Αυτή η εφαρμογή αντιπροσωπεύει την πιο ουσιαστική οπτική αξία του νιτριδίου του πυριτίου στο CPO. Χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή-οπτικών κυματοδηγών τσιπ, αντηχείων μικροδακτυλίου, χτένες οπτικής συχνότητας, πολυπλέκτης μήκους κύματος-διαίρεσης, διαχωριστών δέσμης πόλωσης, συζεύκτες πλέγματος και όλων των άλλων παθητικών οπτικών συσκευών, σχηματίζοντας το πλήρες οπτικό δίκτυο διανομής μέσα στο CPO, optical transmission filtering, multiplexing, signaling. Συχνά είναι υβριδικό-ενσωματωμένο με InP ενεργά τσιπ και έχει γίνει ο τυπικός οδικός χάρτης τεχνολογίας για τις οπτικές μονάδες 3.2T CPO επόμενης- γενιάς της NVIDIA.
Γιατί νιτρίδιο πυριτίου αντί για πυρίτιο; Το νιτρίδιο του πυριτίου έχει δείκτη διάθλασης περίπου 1,98, παρέχοντας περιορισμό οπτικού πεδίου μεταξύ αυτού των κυματοδηγών Si (≈3,4) και της επένδυσης πυριτίου (≈1,44), καθιστώντας το ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά για το σχεδιασμό συζευκτών ακμών με υψηλό δείκτη αντίθεσης και μικρής διατομής-. Το πιο σημαντικό, σε σενάρια υψηλής ισχύος-CPO, οι κυματοδηγοί πυριτίου υποφέρουν από απορρόφηση δύο{{6}φωτονίων και μπορεί να καούν, ενώ το νιτρίδιο του πυριτίου έχει μεγάλο διάκενο ζώνης και δεν υποφέρει από αυτό το πρόβλημα, καθιστώντας το ιδανική επιλογή για τη μετάδοση οπτικών σημάτων υψηλής- ισχύος.
Επιπλέον, η συμβατότητα διεργασίας οπτικού κυματοδηγού νιτριδίου πυριτίου ανοίγει ετερογενείς ευκαιρίες ολοκλήρωσης. Οι διεργασίες εναπόθεσης μεμβράνης λεπτού-νιτριδίου πυριτίου (LPCVD/PECVD/sputtering με μαγνήτρον) είναι ώριμες και συμβατές με CMOS-. Χρησιμοποιώντας χαμηλή{4}}απόθεση PECVD θερμοκρασίας σε θερμοκρασίες διεργασίας κάτω των 400 βαθμών , δεν καταστρέφει τα μπροστινά τσιπ CMOS ή τα ενεργά τσιπ III-V, επιτρέποντας μονολιθική ενσωμάτωση απευθείας σε γκοφρέτες, εξαιρετικά συμβατή με τα φωτόνια επεξεργασίας COUPE πυριτίου της TSMC{{8}.
Συνοπτικά, οι οπτικοί κυματοδηγοί νιτριδίου του πυριτίου στο CPO διαδραματίζουν διπλό ρόλο ως ο «υπερεθνικός δρόμος» οπτικής μετάδοσης στο τσιπ και ως η «γέφυρα» για τη σύζευξη οπτικών ινών-σε
Τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας και της εκβιομηχάνισης
Υποστρώματα νιτριδίου πυριτίου:
Η CETC (China Electronics Technology Group Corporation) έχει δηλώσει ρητά ότι τα κεραμικά υποστρώματα CPO της βρίσκονται στην τελική φάση σπριντ Ε&Α και αναμένεται να φτάσουν στη μαζική παραγωγή εντός τριών ετών. Τα προϊόντα με κεραμικό υπόστρωμα λεπτής{1}}μεμβράνης TFC της Fude Technology, με την υψηλή επιπεδότητα της επιφάνειας και το CTE που ταιριάζει με τα τσιπ, τοποθετούνται ως "μία από τις ιδανικές πλατφόρμες μεταφοράς για συσκευασία CPO". Η Sinocera Materials αποκάλυψε στα αρχεία σχέσεων με τους επενδυτές ότι η θυγατρική της, Sinocera Saichuang, διαθέτει τεχνικά αποθέματα για κεραμικά υποστρώματα για οπτικές μονάδες.
Οπτικοί κυματοδηγοί νιτριδίου πυριτίου:
Στο εξωτερικό, η Solindes Photonics κυκλοφόρησε μια πηγή φωτός μικρο-νιτριδίου πυριτίου προσαρμοσμένη για CPO, με μία συσκευή ικανή να εξάγει 28 κανάλια μήκους κύματος και απόδοση οπτικής μετατροπής 60%. Στο ISSCC 2026, η TSMC αποκάλυψε την πλατφόρμα CPO της-φωτονικής πυριτίου, υιοθετώντας κυματοδηγούς νιτριδίου πυριτίου ως την τυπική λύση παθητικού οπτικού κυματοδηγού. Τα εγχώρια φωτονικά χυτήρια έχουν ήδη ολοκληρώσει την ανάπτυξη PDK για παθητική φωτονική νιτριδίου του πυριτίου και εισάγουν σταδιακά δείγματα για επαλήθευση CPO 800G και 1,6T.