Odată cu implementarea-la scară largă a modelelor mari de inteligență artificială și progresul continuu al calculului de înaltă-performanță, interconexiunile tradiționale din cupru se confruntă cu „blocuri de comunicare” și „pereți de putere”. Esența opticii co-împachetate (CPO) este de a aduce comutatorul ASIC, cipurile fotonice de siliciu, laserele și matricele de fibre înapoi pe un singur substrat de ambalare. Distanța de transmisie a semnalelor electrice este scurtată drastic de la „scara centimetrică” la „scara milimetrică”, reducând semnificativ lungimea interconexiunii electrice și reducând consumul de energie cu 30%-50%, făcându-l o cale critică pentru a depăși aceste blocaje.
În mod clar, atunci când motoarele optice nu mai sunt „conectate” la panoul frontal al comutatorului, ci „coabitează” cu cipurile de calcul, sistemul devine mult mai complex, iar selecția materialului devine factorul decisiv în ceea ce privește dacă CPO poate ajunge la producția de masă. În această rundă de reconfigurare a materialului, nitrura de siliciu (Si₃N₄) iese în evidență ca un jucător special-joacă două roluri distincte, dar critice în CPO: unul, ca substrat ceramic cu nitrură de siliciu, care servește ca purtător fizic și bază de disipare-căldurii pentru dispozitivele CPO; celălalt, ca un ghid de undă optic cu nitrură de siliciu, care servește drept canal de transmisie a semnalului optic în interiorul cipul fotonic.
Substrat ceramic cu nitrură de siliciu: purtătorul preferat pentru ambalajul CPO
După cum sa menționat mai sus, în ambalajul integrat de-densitate mare al CPO, motoarele optice și cipurile comutatoare sunt strâns integrate într-un spațiu extrem de mic. Integrarea sistemului este mai mare, căile de interconectare optoelectronice sunt mai scurte, iar consumul de energie este mai mic-toate bune. Cu toate acestea, cu atât de multe dispozitive-de putere mare împachetate și care funcționează simultan, se acumulează o cantitate mare de căldură. Datele din literatură arată că, pentru dispozitivele electronice, fiecare creștere cu 10 grade a temperaturii reduce de obicei durata de viață efectivă a dispozitivului cu 30%-50%. Dacă această căldură nu poate fi disipată în timp, va duce la creșterea rapidă a temperaturii la joncțiune, ducând la degradarea performanței sau chiar la defecțiune.
Substratul de ambalare este componenta-primară de disipare a căldurii. Printre materialele tradiționale, substraturile organice (cum ar fi FR-4) au conductivitate termică scăzută și potrivire CTE slabă, nereușind să îndeplinească cerințele CPO de disipare a puterii mari. Substraturile ceramice, în special substraturile ceramice cu nitrură de siliciu, au devenit materialul de substrat cheie pentru ambalarea CPO datorită rezistenței lor ridicate, conductivității termice ridicate și potrivirii CTE.
Nitrura de siliciu câștigă fiind „bine-rotunjită”.
În primul rând, conductivitatea sa termică este remarcabil de bună. În primele etape ale cercetării, conductivitatea termică la temperatura camerei a Si₃N₄ a fost de 20–70 W/(m·K), mult mai mică decât cea a AlN și SiC, astfel încât performanța sa termică nu a atras prea multă atenție. În 1995, această percepție s-a schimbat. Omul de știință Haggerty, prin teoria clasică a transportului în stare solidă, a calculat că conductivitatea termică scăzută a Si₃N₄ se datorează în principal defectelor rețelei și impurităților și a prezis că maximul său teoretic ar putea atinge 320 W/(m·K). Datorită eforturilor comune din cercetare și industrie, conductivitatea termică a ceramicii cu nitrură de siliciu a depășit acum 177 W/(m·K). În comparație cu substraturile tradiționale din rășină, care au o conductivitate termică sub 1 W/(m·K), aceasta este o schimbare-de joc.
În al doilea rând, nitrura de siliciu are un coeficient scăzut de dilatare termică (CTE) de numai aproximativ 3,2×10⁻⁶/grad, aproximativ o treime din cel al Al₂O₃. Pachetele CPO conțin mai multe materiale-cipuri de siliciu, cipuri semiconductoare compuse III-V (cum ar fi laserele InP)-fiecare cu CTE-uri diferite. Când căldura locală crește, potrivirea CTE determină în mod direct durata de viață a îmbinării de lipit sub ciclul termic. CTE-ul nitrurii de siliciu este foarte apropiat de cel al materialelor pe bază de siliciu-, astfel încât utilizarea acesteia ca substrat poate atenua foarte mult nepotrivirea deformarii dintre diferitele materiale în timpul ciclurilor termice.
În al treilea rând, proprietățile mecanice ale nitrurii de siliciu sunt remarcabile. Modulul său de elasticitate este de 320 GPa, iar rezistența sa la încovoiere este de 920 MPa. O astfel de performanță mecanică superioară înseamnă că substratul poate fi făcut mai subțire-nitrura de siliciu poate fi redusă la 0,32 mm sau chiar 0,25 mm, în timp ce nitrura de aluminiu, din cauza fragilității, trebuie menținută la 0,62 mm. Substratul mai subțire închide decalajul de conductivitate termică: deși AlN are o conductivitate termică mai mare decât Si₃N₄, rezistența termică totală a nitrurii de siliciu ultra-subțiri este în esență egală cu cea a AlN mai gros. Mai mult, nitrura de siliciu are o duritate generală mai mare, reducând ciobirea marginilor și ruperea în timpul producției industriale a lotului, îmbunătățind astfel randamentul de fabricație.
În ceea ce privește costul, nitrura de siliciu este considerabil mai scumpă decât alumina, dar doar cu aproximativ 60% din prețul nitrurii de aluminiu. În combinație cu modulele integrate TFC (-film de ceramică subțire) formate printr-un-co-sinterizare într-un singur pas, costurile totale de producție pot fi reduse semnificativ.
Prin urmare, specialiștii din industrie subliniază că în întregul lanț al industriei de comunicații optice și în nișa de ambalare integrată CPO, nitrura de siliciu este materialul substrat de bază care se aliniază cel mai bine cu tendințele viitoare ale tehnologiei, adecvarea generală o depășește cu mult pe cea a nitrurii de aluminiu.
Ghid de undă optic cu nitrură de siliciu-„Optical Signal Superhighway” a CPO
Spre deosebire de rolul său macroscopic ca substrat de ambalare, celălalt rol de bază al nitrurii de siliciu în CPO este ca material de ghidaj de undă optic în interiorul cipului fotonic, responsabil pentru transmisia semnalului optic, rutare, divizare, combinare și alte funcții cheie.
Această aplicație reprezintă cea mai esențială valoare optică a nitrurii de siliciu în CPO. Este folosit în principal pentru a fabrica ghiduri de undă optice pe-cip, rezonatoare cu microring, piepteni de frecvență optică, multiplexoare cu diviziune-lungimii de undă, divizoare de fascicul de polarizare, cuple de rețea și toate celelalte dispozitive optice pasive, formând rețeaua optică completă în interiorul motorului optic CPO pentru distribuția, transmisia și multiplexarea semnalului, multiplexarea/filtrarea. Este adesea integrat-hibrid cu cipurile active InP și a devenit foaia de parcurs tehnologică standard pentru modulele optice CPO 3.2T de generație următoare NVIDIA-.
De ce nitrură de siliciu în loc de siliciu? Nitrura de siliciu are un indice de refracție de aproximativ 1,98, oferind o confinare a câmpului optic între ghidurile de undă Si (≈3.4) și placarea cu silice (≈1.44), făcându-l unul dintre cele mai promițătoare materiale pentru proiectarea cuplelor de margine cu contrast de indice mare și secțiuni transversale mici-. Mai important, în scenariile CPO de mare-putere, ghidurile de undă de siliciu suferă de absorbția a doi-fotoni și se pot arde, în timp ce nitrura de siliciu are o bandă interzisă mare și nu suferă de această problemă, ceea ce o face o alegere ideală pentru transmiterea de semnale optice de-putere mare.
În plus, compatibilitatea cu procesul de ghidare de undă optică cu nitrură de siliciu deschide oportunități eterogene de integrare. Procesele de depunere a peliculei subțiri de-nitrură de siliciu (LPCVD/PECVD/pulverizare cu magnetron) sunt mature și compatibile-CMOS. Folosind depunerea PECVD la temperatură joasă-la temperaturi de proces sub 400 de grade, nu deteriorează cipurile CMOS frontale-capitele sau cipurile active III{-V, permițând integrarea monolitică direct pe plachete, foarte compatibilă cu platforma de proces-fotonică CPO de siliciu a TSMC.
În rezumat, ghidurile de undă optice cu nitrură de siliciu din CPO joacă un rol dublu ca „superautostradă” de transmisie optică pe-cip și ca „punte” pentru cuplarea optică-la-fibră la-, făcându-le materialul funcțional de bază pentru construirea de circuite integrate fotonice de-înaltă performanță.
Starea actuală a tehnologiei și industrializării
Substraturi cu nitrură de siliciu:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) a declarat în mod explicit că substraturile sale ceramice CPO sunt în faza finală de sprint de cercetare și dezvoltare și se așteaptă să ajungă la producția de masă în termen de trei ani. Produsele cu substrat ceramic cu film subțire-TFC de la Fude Technology, cu planeitatea lor mare a suprafeței și potrivirea CTE cu cipurile, sunt poziționate ca „una dintre platformele de transport ideale pentru ambalarea CPO”. Sinocera Materials a dezvăluit în relațiile cu investitorii că filiala sa, Sinocera Saichuang, are rezerve tehnice pentru substraturi ceramice pentru module optice.
Ghiduri de undă optice cu nitrură de siliciu:
În străinătate, Solindes Photonics a lansat o sursă de lumină cu micro-pieptene cu nitrură de siliciu adaptată pentru CPO, cu un singur dispozitiv capabil să emită 28 de canale cu lungime de undă și o eficiență de conversie optică de 60%. La ISSCC 2026, TSMC și-a dezvăluit platforma CPO-fotonică de siliciu, adoptând ghiduri de undă cu nitrură de siliciu ca soluție standard de ghidare de undă optică pasivă. Turnătoriile fotonice interne au finalizat deja dezvoltarea PDK pentru fotonica pasivă cu nitrură de siliciu și introduc treptat mostre pentru verificarea CPO 800G și 1.6T.