A nagy{0}} mesterséges intelligenciamodellek széles körű elterjedésével és a nagy teljesítményű számítástechnika folyamatos fejlődésével{1}} a hagyományos réz összeköttetések súlyos „kommunikációs szűk keresztmetszetek” és „erőműfalak” elé néznek. A co-packed optics (CPO) lényege, hogy az ASIC kapcsolót, a szilícium fotonikus chipeket, a lézereket és a száltömböket egyetlen csomagolási hordozóra helyezze vissza. Az elektromos jelek átviteli távolsága drasztikusan lerövidül a "centiméteres skáláról" a "milliméteres skálára", jelentősen csökkentve az elektromos összeköttetések hosszát és 30–50%-kal csökkentve az energiafogyasztást, így ez kritikus út a szűk keresztmetszetek áttöréséhez.
Nyilvánvaló, hogy amikor az optikai motorokat már nem „csatlakoztatják” a kapcsoló előlapjához, hanem „együtt élnek” a számítási chipekkel, a rendszer sokkal összetettebbé válik, és az anyagválasztás döntő tényezővé válik abban, hogy a CPO elérje-e a tömeggyártást. Ebben az anyag-újrakonfigurálási körben a szilícium-nitrid (Si₃N₄) különleges szereplőként tűnik ki,{1}}két határozottan eltérő, mégis kritikus szerepet tölt be a CPO-ban: az egyik, mint szilícium-nitrid kerámia szubsztrát, amely a CPO-eszközök fizikai hordozójaként és hő{2}}elvezetési alapjaként szolgál; a másik szilícium-nitrid optikai hullámvezető, amely optikai jelátviteli csatornaként szolgál a fotonikus chip belsejében.
Szilícium-nitrid kerámia szubsztrát: a CPO-csomagolások előnyben részesített hordozója
Amint fentebb említettük, a CPO nagy sűrűségű integrált csomagolásában az optikai motorok és a kapcsolóchipek szorosan integrálva vannak egy rendkívül kis helyen. A rendszerintegráció magasabb, az optoelektronikai összeköttetési utak rövidebbek, az energiafogyasztás pedig alacsonyabb-minden jó. Azonban a sok nagy teljesítményű-eszköz összecsomagolásával és egyidejű működésével nagy mennyiségű hő halmozódik fel. A szakirodalmi adatok azt mutatják, hogy az elektronikus eszközök esetében minden 10 fokos hőmérséklet-emelkedés jellemzően 30–50%-kal csökkenti az eszközök tényleges élettartamát. Ha ezt a hőt nem lehet időben eloszlatni, az a csomópontok hőmérsékletének gyors emelkedését okozza, ami teljesítményromláshoz vagy akár meghibásodáshoz vezet.
A csomagolóanyag az elsődleges{0}}hőelvezető komponens. A hagyományos anyagok közül a szerves szubsztrátumok (például az FR-4) alacsony hővezető képességgel és rossz CTE-illesztéssel rendelkeznek, így nem felelnek meg a CPO nagy teljesítményű disszipációs követelményeinek. A kerámia hordozók, különösen a szilícium-nitrid kerámia hordozók a CPO-csomagolás kulcsfontosságú hordozóanyagává váltak nagy szilárdságuk, nagy hővezető képességük és CTE-illesztésük miatt.
A szilícium-nitrid „jól{0}}kerekített” nyer.
Először is, a hővezető képessége kiemelkedően jó. A kutatás kezdeti szakaszában a Si₃N₄ szobahőmérsékletű hővezető képessége 20–70 W/(m·K) volt, ami jóval alacsonyabb, mint az AlN és a SiC, így hőteljesítménye nem keltett különösebb figyelmet. 1995-ben ez a felfogás megváltozott. Haggerty tudós a klasszikus szilárdtest-transzport elmélet segítségével kiszámította, hogy a Si3N4 alacsony hővezető képessége főként a rácshibáknak és szennyeződéseknek köszönhető, és megjósolta, hogy elméleti maximuma elérheti a 320 W/(m·K) értéket. A kutatás és az ipar közös erőfeszítéseinek köszönhetően a szilícium-nitrid kerámiák hővezető képessége mára meghaladta a 177 W/(m·K) értéket. A hagyományos műgyanta hordozókhoz képest, amelyek hővezető képessége 1 W/(m·K) alatt van, ez egy játék-váltó.
Másodszor, a szilícium-nitrid hőtágulási együtthatója (CTE) alacsony, csak körülbelül 3,2 × 10⁻⁶/fok, ami nagyjából egyharmada az Al2O3-énak. A CPO-csomagok több anyagú-szilícium chipet, III-V összetett félvezető chipeket (például InP lézereket)- tartalmaznak, mindegyik különböző CTE-vel. Helyi hőlökések esetén a CTE illesztés közvetlenül meghatározza a forrasztási kötés élettartamát termikus ciklus alatt. A szilícium-nitrid CTE-je nagyon közel áll a szilícium-alapú anyagokéhoz, így szubsztrátként való használata nagymértékben enyhítheti a különböző anyagok közötti alakváltozási eltéréseket a hőciklusok során.
Harmadszor, a szilícium-nitrid mechanikai tulajdonságai kiemelkedőek. Rugalmassági modulusa 320 GPa, hajlítószilárdsága 920 MPa. Az ilyen kiváló mechanikai teljesítmény azt jelenti, hogy az aljzat vékonyabbá tehető. A szilícium-nitrid 0,32 mm-re vagy akár 0,25 mm-re csökkenthető, míg az alumínium-nitridet a ridegség miatt 0,62 mm-en kell tartani. A vékonyabb szubsztrátum bezárja a hővezető képességi rést: bár az AlN hővezető képessége nagyobb, mint a Si₃N4, az ultra-vékony szilícium-nitrid teljes hőellenállása lényegében megegyezik a vastagabb AlNével. Ezen túlmenően a szilícium-nitrid nagyobb általános szívóssággal rendelkezik, csökkenti az élek leforgácsolását és törését az ipari tételes gyártás során, így javítva a gyártási hozamot.
Költség szempontjából a szilícium-nitrid lényegesen drágább, mint az alumínium-oxid, de csak körülbelül 60%-a az alumínium-nitrid árának. A TFC (vékony-filmkerámia) integrált modulokkal, amelyeket egy-lépéses együtt-szinterezéssel alakítanak ki, a teljes gyártási költségek jelentősen csökkenthetők.
Ezért az iparági bennfentesek rámutatnak, hogy a teljes optikai kommunikációs iparági láncban és a CPO integrált csomagolási résében a szilícium-nitrid az a fő szubsztrátum anyag, amely a legjobban illeszkedik a jövő technológiai trendjeihez, és általános alkalmassága messze meghaladja az alumínium-nitridéét.
Szilícium-nitrid optikai hullámvezető{0}}A CPO „optikai jel szupersztrádája”
Ellentétben a csomagolóanyagként betöltött makroszkopikus szerepével, a szilícium-nitrid másik alapvető szerepe a CPO-ban, hogy optikai hullámvezető anyag a fotonikus chipben, amely felelős az optikai jelátvitelért, az útválasztásért, a felosztásért, a kombinálásért és más kulcsfontosságú funkciókért.
Ez az alkalmazás a CPO-ban lévő szilícium-nitrid leglényegesebb optikai értékét képviseli. Elsősorban chipes optikai hullámvezetők, mikrogyűrűs rezonátorok, optikai frekvenciafésűk, hullámhossz{2}}multiplexerek, polarizációs sugárosztók, rácscsatolók és minden egyéb passzív optikai eszköz gyártására használják, amelyek a teljes optikai hálózatot alkotják a CPO optikai motoron belül a jelelosztáshoz, átvitelhez, szűréshez/multiplexeléshez és multiplexeléshez. Gyakran hibrid -integrálják az InP aktív chipekkel, és az NVIDIA következő-generációs 3.2T CPO optikai moduljainak szabványos technológiai útitervévé vált.
Miért szilícium-nitrid a szilícium helyett? A szilícium-nitrid törésmutatója körülbelül 1,98, ami optikai térelhatárolást biztosít a Si-hullámvezetőké (≈3,4) és a szilícium-dioxid burkolata (≈1,44) között, így az egyik legígéretesebb anyag a nagy indexű kontraszttal és kis keresztmetszetű élcsatolókkal. Ennél is fontosabb, hogy a CPO nagy teljesítményű-szcenárióiban a szilícium hullámvezetők két-foton abszorpcióban szenvednek, és kiéghetnek, míg a szilícium-nitrid széles sávszélességgel rendelkezik, és nem szenved ettől a problémától, így ideális választás nagy-teljesítményű optikai jelek továbbítására.
Ezenkívül a szilícium-nitrid optikai hullámvezető eljárás kompatibilitása heterogén integrációs lehetőségeket nyit meg. A szilícium-nitrid vékony-filmes leválasztási eljárások (LPCVD/PECVD/magnetronporlasztás) kiforrott és CMOS-kompatibilisek. Alacsony-hőmérsékletű PECVD-leválasztás 400 fok alatti folyamathőmérsékleten nem károsítja az elülső-CMOS chipeket vagy a III-V aktív chipeket, lehetővé téve a monolitikus integrációt közvetlenül az ostyákon, és nagymértékben kompatibilis a TSMC COUPE szilícium-fotonikai CPO folyamatplatformjával.
Összefoglalva, a CPO-ban található szilícium-nitrid optikai hullámvezetők kettős szerepet töltenek be, mint a chipen lévő optikai átviteli „szuperút” és a szálas{1}}chip optikai csatolás „hídjaként”, így a nagy teljesítményű fotonikus integrált áramkörök építésének alapvető funkcionális anyaga.
A technológia és az iparosítás jelenlegi állása
Szilícium-nitrid szubsztrátok:
A CETC (China Electronics Technology Group Corporation) kifejezetten kijelentette, hogy CPO-kerámia szubsztrátumai a végső K+F sprint fázisban vannak, és várhatóan három éven belül elérik a tömegtermelést. A Fude Technology TFC vékony{1}filmes kerámia szubsztrát termékei nagy felületi síkságukkal és CTE-vel a forgácsokhoz illeszkedve „az egyik ideális hordozóplatform a CPO-csomagoláshoz”. A Sinocera Materials a befektetői kapcsolataiban közzétette, hogy leányvállalata, a Sinocera Saichuang rendelkezik műszaki tartalékokkal az optikai modulok kerámia hordozóihoz.
Szilícium-nitrid optikai hullámvezetők:
A tengerentúlon a Solindes Photonics piacra dobott egy CPO-hoz adaptált szilícium-nitrid mikro{0}}fésűs fényforrást, egyetlen eszközzel, amely 28 hullámhosszú csatornát képes kibocsátani, és 60%-os optikai konverziós hatásfokkal rendelkezik. A 2026-os ISSCC kiállításon a TSMC bemutatta szilícium-fotonikai CPO-platformját, amely a szilícium-nitrid hullámvezetőket alkalmazza standard passzív optikai hullámvezető megoldásként. A hazai fotonikus öntödék már befejezték a passzív szilícium-nitrid fotonika PDK fejlesztését, és fokozatosan vezetik be a mintákat a 800G és 1,6T CPO-ellenőrzéshez.