Uz -primenu velikih modela sa umjetnom inteligencijom i kontinuirani napredak računarstva visokih{1}}performansi, tradicionalne bakrene interkonekcije suočavaju se sa ozbiljnim "uskim grlima u komunikaciji" i "zidovima napajanja". Suština ko-upakovane optike (CPO) je da dovede prekidač ASIC, silicijumske fotonske čipove, lasere i nizove vlakana nazad na jednu podlogu za pakovanje. Udaljenost prijenosa električnih signala je drastično skraćena sa "centimetarske skale" na "milimetarsku skalu", značajno smanjujući dužinu električnih interkonekcija i smanjujući potrošnju energije za 30%-50%, što ga čini kritičnim putem za probijanje ovih uskih grla.
Jasno je da kada optički motori više nisu "uključeni" u prednju ploču prekidača, već umjesto toga "kohabitiraju" sa računarskim čipovima, sistem postaje daleko složeniji, a odabir materijala postaje odlučujući faktor u tome da li CPO može dostići masovnu proizvodnju. U ovom krugu rekonfiguracije materijala, silicijum nitrid (Si₃N₄) se ističe kao poseban igrač-on igra dvije izrazito različite, ali kritične uloge u CPO: jednu, kao keramički supstrat od silicijum nitrida, koji služi kao fizički nosač i toplina-baza za CPO uređaje; drugi, kao optički talasovod od silicijum nitrida, koji služi kao kanal za prenos optičkog signala unutar fotonskog čipa.
Keramički supstrat od silicijum nitrida: Poželjni nosač za CPO ambalažu
Kao što je gore spomenuto, u integriranom pakovanju CPO visoke{0}}gustine, optički motori i čipovi prekidača su čvrsto integrirani u izuzetno malom prostoru. Sistemska integracija je veća, optoelektronski interkonektivni putevi su kraći, a potrošnja energije niža-sve dobro. Međutim, sa toliko -uređaja velike snage koji su spakovani zajedno i rade istovremeno, akumulira se velika količina topline. Podaci iz literature pokazuju da za elektronske uređaje, svakih 10 stepeni porasta temperature obično smanjuje efektivni životni vijek uređaja za 30%-50%. Ako se ova toplina ne može raspršiti na vrijeme, to će uzrokovati brzi porast temperature spoja, što će dovesti do degradacije performansi ili čak kvara.
Podloga za pakovanje je primarna komponenta{0}}koja odvodi toplinu. Među tradicionalnim materijalima, organski supstrati (kao što je FR-4) imaju nisku toplotnu provodljivost i loše usklađivanje CTE-a, ne ispunjavajući zahtjeve CPO za rasipanje velike snage. Keramičke podloge, posebno keramičke podloge od silicijum nitrida, postale su ključni materijal supstrata za CPO ambalažu zbog svoje visoke čvrstoće, visoke toplotne provodljivosti i CTE podudaranja.
Silicijum nitrid pobjeđuje tako što je "dobro-zaokružen."
Prvo, njegova toplotna provodljivost je izuzetno dobra. U ranim fazama istraživanja, toplotna provodljivost Si₃N₄ na sobnoj temperaturi bila je 20–70 W/(m·K), daleko niža od one kod AlN i SiC, tako da njegove termičke performanse nisu privlačile veliku pažnju. Godine 1995. ova percepcija se promijenila. Naučnik Haggerty je, kroz klasičnu-teoriju transporta u čvrstom stanju, izračunao da je niska toplotna provodljivost Si₃N₄ uglavnom uzrokovana defektima rešetke i nečistoćama, te je predvidio da bi njegov teoretski maksimum mogao doseći 320 W/(m·K). Zahvaljujući zajedničkim naporima u istraživanju i industriji, toplotna provodljivost keramike silicijum nitrida sada je premašila 177 W/(m·K). U poređenju sa tradicionalnim supstratima od smole, koji imaju toplotnu provodljivost ispod 1 W/(m·K), ovo je{13}}promena.
Drugo, silicijum nitrid ima nizak koeficijent termičke ekspanzije (CTE) od samo 3,2×10⁻⁶/ stepen, otprilike jednu-trećinu od Al2O₃. CPO paketi sadrže više materijala-silicijumskih čipova, III-V složenih poluprovodničkih čipova (kao što su InP laseri)-svaki sa različitim CTE. Kod lokalnih toplinskih udara, CTE usklađivanje direktno određuje vijek trajanja lemnog spoja pod termičkim ciklusom. CTE silicijum nitrida je veoma blizak materijalima na bazi silicijuma{9}}, tako da njegovo korišćenje kao supstrata može u velikoj meri ublažiti neusklađenost deformacija između različitih materijala tokom termičkih ciklusa.
Treće, mehanička svojstva silicijum nitrida su izvanredna. Modul elastičnosti mu je 320 GPa, a čvrstoća na savijanje 920 MPa. Takve superiorne mehaničke performanse znače da se podloga može učiniti tanjom-da se silicijum nitrid može smanjiti na 0,32 mm ili čak 0,25 mm, dok se aluminijum nitrid, zbog krhkosti, mora zadržati na 0,62 mm. Tanja podloga zatvara jaz u toplotnoj provodljivosti: iako AlN ima veću toplotnu provodljivost od Si₃N₄, ukupna toplotna otpornost ultra-tankog silicijum nitrida je u suštini jednaka otpornosti debljeg AlN. Štaviše, silicijum nitrid ima veću ukupnu žilavost, smanjuje lomljenje ivica i lomljenja tokom industrijske serijske proizvodnje, čime se poboljšava proizvodni prinos.
Što se tiče cene, silicijum nitrid je znatno skuplji od glinice, ali samo oko 60% cene aluminijum nitrida. U kombinaciji sa integrisanim modulima TFC (-keramika od tankog filma) formiranim jedno-ko-korakalnim sinterovanjem, ukupni troškovi proizvodnje mogu se značajno smanjiti.
Stoga, insajderi iz industrije ističu da je u cijelom lancu industrije optičkih komunikacija i niši integriranog pakiranja CPO, silicijum nitrid osnovni materijal supstrata koji se najbolje uklapa u buduće tehnološke trendove, s ukupnom prikladnošću koja daleko premašuje onu aluminij nitrida.
Optički talasovod sa silicijum nitridom-"Superput optičkog signala" CPO-a
Za razliku od svoje makroskopske uloge kao supstrata za pakovanje, druga ključna uloga silicijum nitrida u CPO je materijal optičkog talasovoda unutar fotonskog čipa, odgovoran za prenos optičkog signala, usmeravanje, cepanje, kombinovanje i druge ključne funkcije.
Ova aplikacija predstavlja najvažniju optičku vrijednost silicijum nitrida u CPO. Prvenstveno se koristi za proizvodnju na-optičkim talasovodima, mikroprstenastim rezonatorima, optičkim frekventnim češljevima, multiplekserima s podjelom talasnih dužina, razdjelnicima polarizacije snopa, rešetkastim spojnicama i svim ostalim pasivnim optičkim uređajima, formirajući kompletnu optičku mrežu unutar CPO optičkog motora za distribuciju signala i višestruki prijenos, multiplex filter/definiranje. Često je hibridno-integrisan sa InP aktivnim čipovima i postao je standardni tehnološki putokaz za sledeću-generaciju 3.2T CPO optičkih modula NVIDIA.
Zašto silicijum nitrid umesto silicijum? Silicijum nitrid ima indeks prelamanja od oko 1,98, pružajući ograničenje optičkog polja između Si talasovoda (≈3,4) i obloge od silicijum dioksida (≈1,44), što ga čini jednim od materijala koji najviše obećava za projektovanje ivičnih spojnica sa visokim indeksnim kontrastom i malim poprečnim - presecima. Što je još važnije, u CPO scenarijima velike-snage, silicijumski talasovodi pate od apsorpcije dva-fotona i mogu izgorjeti, dok silicijum nitrid ima širok pojas i ne pati od ovog problema, što ga čini idealnim izborom za prijenos optičkih signala velike-snage.
Osim toga, kompatibilnost procesa optičkog talasovoda silicijum nitrida otvara heterogene mogućnosti integracije. Procesi taloženja tankog-filma silicijum nitrida (LPCVD/PECVD/magnetronsko raspršivanje) su zreli i CMOS-kompatibilni. Koristeći nisko-taloženje PECVD na niskim temperaturama na temperaturama ispod 400 stepeni, ne oštećuje prednje{6}}CMOS čipove ili III-V aktivne čipove, omogućavajući monolitnu integraciju direktno na pločice, visoko kompatibilan sa TSMC-ovom COUPE silikonsko{8}} procesom CPOph platforme.
Ukratko, optički talasovodi od silicijum nitrida u CPO igraju dvostruku ulogu kao -optički prijenos na čipu "superautoput" i kao "most" za optičko spajanje vlakana-na-čip, što ih čini osnovnim funkcionalnim materijalom za izgradnju fotonskih integriranih kola visokih-performansi.
Trenutni status tehnologije i industrijalizacije
Supstrati silicijum nitrida:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) je eksplicitno izjavio da su njegove CPO keramičke podloge u završnoj fazi istraživanja i razvoja i da se očekuje da će dostići masovnu proizvodnju u roku od tri godine. Fude Technology TFC proizvodi od tankoslojne keramičke podloge, sa svojom visokom ravnošću površine i CTE usklađenim sa čipovima, pozicionirani su kao "jedna od idealnih platformi za nošenje CPO ambalaže." Sinocera Materials je u svojoj evidenciji za odnose s investitorima otkrila da njena podružnica, Sinocera Saichuang, ima tehničke rezerve za keramičke podloge za optičke module.
Optički talasovodi od silicijum nitrida:
U inostranstvu, Solindes Photonics je lansirao mikro-češljasti izvor svjetlosti od silicijum nitrida prilagođen za CPO, sa jednim uređajem koji može da emituje 28 kanala talasne dužine i efikasnost optičke konverzije od 60%. Na ISSCC 2026, TSMC je predstavio svoju silicijum-fotoničku CPO platformu, usvajajući talasovode od silicijum nitrida kao standardno rešenje za pasivne optičke talasovode. Domaće fotonske livnice već su završile razvoj PDK za pasivnu fotoniku silicijum nitrida i postepeno uvode uzorke za 800G i 1.6T CPO verifikaciju.