S rozsáhlým-zaváděním velkých modelů umělé inteligence a neustálým vývojem-výkonných počítačů čelí tradiční měděná propojení vážným „komunikačním překážkám“ a „silovým stěnám“. Podstatou co{3}}balené optiky (CPO) je přenést ASIC přepínače, křemíkové fotonické čipy, lasery a vláknová pole zpět na jediný obalový substrát. Přenosová vzdálenost elektrických signálů je drasticky zkrácena z „centimetrového měřítka“ na „milimetrové měřítko“, což výrazně snižuje délku elektrického propojení a snižuje spotřebu energie o 30–50 %, což z něj činí kritickou cestu k překonání těchto úzkých míst.
Je zřejmé, že když optické motory již nejsou „zastrčeny“ do předního panelu přepínače, ale místo toho „bydlí“ s výpočetními čipy, systém se stává mnohem složitějším a výběr materiálu se stává rozhodujícím faktorem pro to, zda CPO může dosáhnout sériové výroby. V tomto kole materiálové rekonfigurace vyniká nitrid křemíku (Si₃N₄) jako speciální hráč-, který hraje v CPO dvě zřetelně odlišné, ale kritické role: jednu jako keramický substrát z nitridu křemíku, který slouží jako fyzický nosič a základ-odvádění tepla pro zařízení CPO; druhý, jako optický vlnovod z nitridu křemíku, sloužící jako kanál přenosu optického signálu uvnitř fotonického čipu.
Keramický substrát z nitridu křemíku: Preferovaný nosič pro balení CPO
Jak je uvedeno výše, v integrovaném balení CPO s vysokou{0}}hustotou jsou optické motory a přepínací čipy těsně integrovány na extrémně malém prostoru. Systémová integrace je vyšší, optoelektronické propojovací cesty jsou kratší a spotřeba energie je nižší-vše dobré. S tolika-výkonovými zařízeními, která jsou sdružena a fungují současně, se však akumuluje velké množství tepla. Literární údaje ukazují, že u elektronických zařízení každé zvýšení teploty o 10 stupňů obvykle snižuje efektivní životnost zařízení o 30–50 %. Pokud toto teplo nemůže být včas odvedeno, způsobí rychlé zvýšení teploty spoje, což povede ke snížení výkonu nebo dokonce k selhání.
Obalový substrát je primární složkou odvádějící teplo-. Mezi tradičními materiály mají organické substráty (jako FR-4) nízkou tepelnou vodivost a špatné přizpůsobení CTE, takže nesplňují požadavky CPO na vysoký rozptylový výkon. Keramické substráty, zejména keramické substráty z nitridu křemíku, se staly klíčovým substrátovým materiálem pro CPO obaly díky své vysoké pevnosti, vysoké tepelné vodivosti a přizpůsobení CTE.
Nitrid křemíku vítězí tím, že je „dobře-zakulacený“.
Za prvé, jeho tepelná vodivost je pozoruhodně dobrá. V raných fázích výzkumu byla tepelná vodivost Si₃N₄ při pokojové teplotě 20–70 W/(m·K), mnohem nižší než u AlN a SiC, takže jeho tepelné vlastnosti nepřitahovaly příliš pozornosti. V roce 1995 se toto vnímání změnilo. Vědec Haggerty pomocí klasické teorie transportu v pevném-stavu vypočítal, že nízká tepelná vodivost Si₃N₄ je způsobena hlavně mřížkovými defekty a nečistotami, a předpověděl, že jeho teoretické maximum by mohlo dosáhnout 320 W/(m·K). Díky společnému úsilí ve výzkumu a průmyslu nyní tepelná vodivost keramiky z nitridu křemíku přesáhla 177 W/(m·K). Ve srovnání s tradičními pryskyřičnými substráty, které mají tepelnou vodivost nižší než 1 W/(m·K), jde o-změnu hry.
Za druhé, nitrid křemíku má nízký koeficient tepelné roztažnosti (CTE) pouze asi 3,2×10⁻⁶/stupeň, což je zhruba jedna-třetina než Al₂O₃. Balíčky CPO obsahují různé materiály-křemíkové čipy, III-V složené polovodičové čipy (jako jsou lasery InP)-každý s různými CTE. Když dojde k místním tepelným rázům, přizpůsobení CTE přímo určuje životnost pájeného spoje při tepelném cyklování. CTE nitridu křemíku se velmi blíží CTE materiálů na bázi křemíku, -takže jeho použití jako substrátu může výrazně zmírnit nesoulad napětí mezi různými materiály během tepelných cyklů.
Za třetí, mechanické vlastnosti nitridu křemíku jsou vynikající. Jeho modul pružnosti je 320 GPa a jeho pevnost v ohybu je 920 MPa. Tento vynikající mechanický výkon znamená, že substrát může být tenčí-nitrid křemíku může být snížen na 0,32 mm nebo dokonce 0,25 mm, zatímco nitrid hliníku musí být kvůli křehkosti udržován na 0,62 mm. Tenčí substrát uzavírá mezeru tepelné vodivosti: ačkoli AlN má vyšší tepelnou vodivost než Si₃N₄, celkový tepelný odpor ultra-tenkého nitridu křemíku je v podstatě stejný jako u silnějšího AlN. Kromě toho má nitrid křemíku větší celkovou houževnatost, snižuje odlamování hran a lámání během průmyslové sériové výroby, čímž se zvyšuje výtěžnost výroby.
Z hlediska nákladů je nitrid křemíku podstatně dražší než oxid hlinitý, ale pouze asi 60 % ceny nitridu hliníku. V kombinaci s TFC (tenká-keramická vrstva) integrovanými moduly vytvořenými-jednostupňovým společným-slinováním lze výrazně snížit celkové výrobní náklady.
Zasvěcenci z oboru proto poukazují na to, že v celém řetězci optické komunikace a v oblasti integrovaného balení CPO je nitrid křemíku základním substrátovým materiálem, který nejlépe odpovídá budoucím technologickým trendům, přičemž celková vhodnost daleko převyšuje vhodnost nitridu hliníku.
Optický vlnovod z nitridu křemíku-„Superdálnice optického signálu“ CPO
Na rozdíl od jeho makroskopické role jako obalového substrátu je další klíčovou úlohou nitridu křemíku v CPO jako materiál optického vlnovodu uvnitř fotonického čipu, který je zodpovědný za přenos optického signálu, směrování, dělení, kombinování a další klíčové funkce.
Tato aplikace představuje nejdůležitější optickou hodnotu nitridu křemíku v CPO. Primárně se používá k výrobě-optických vlnovodů na čipu, mikrokroužkových rezonátorů, optických frekvenčních hřebenů, vlnových{2}} multiplexerů s dělením, polarizačních děličů paprsků, mřížkových vazebních členů a všech dalších pasivních optických zařízení, která tvoří kompletní optickou síť uvnitř optického motoru CPO pro distribuci signálu, přenos, filtrování a multiplexování/demultiplexování. Často je hybridní-integrovaný s aktivními čipy InP a stal se standardním technologickým plánem pro další -generaci optických modulů NVIDIA 3.2T CPO.
Proč nitrid křemíku místo křemíku? Nitrid křemíku má index lomu asi 1,98, což zajišťuje omezení optického pole mezi vlnovodem Si (≈3,4) a povlakem oxidu křemičitého (≈1,44), což z něj činí jeden z nejslibnějších materiálů pro navrhování okrajových spojek s vysokým kontrastem indexu a malými průřezy. Ještě důležitější je, že ve scénářích s vysokým-výkonem CPO křemíkové vlnovody trpí absorpcí dvou-fotonů a mohou se spálit, zatímco nitrid křemíku má širokou pásmovou mezeru a tímto problémem netrpí, takže je ideální volbou pro přenos vysoce-optických signálů.
Kromě toho kompatibilita procesu optického vlnovodu nitridu křemíku otevírá možnosti heterogenní integrace. Procesy nanášení tenkých-filmů z nitridu křemíku (LPCVD/PECVD/magnetronové naprašování) jsou vyzrálé a kompatibilní s CMOS-. Použití nízkoteplotní{4}}depozice PECVD při procesních teplotách pod 400 stupňů, nepoškozuje přední-čipy CMOS ani aktivní čipy III{7}}V, což umožňuje monolitickou integraci přímo na waferech, vysoce kompatibilní s křemíkovou{8}}fotonikovou platformou CPO společnosti TSMC.
Stručně řečeno, optické vlnovody z nitridu křemíku v CPO hrají dvojí roli jako -optická přenosová „superdálnice“ na čipu a jako „most“ pro optickou vazbu mezi vlákny-k-čipu, což z nich činí základní funkční materiál pro vytváření vysoce-výkonných fotonických integrovaných obvodů.
Současný stav technologie a industrializace
Substráty z nitridu křemíku:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) výslovně uvedla, že její keramické substráty CPO jsou ve finální fázi R&D sprintu a očekává se, že do tří let dosáhnou sériové výroby. Tenkovrstvé keramické substráty TFC-od společnosti Fude Technology se díky své vysoké rovinnosti povrchu a CTE shodující se s čipy staví jako „jedna z ideálních nosných platforem pro balení CPO“. Společnost Sinocera Materials zveřejněná ve svých vztazích s investory uvádí, že její dceřiná společnost Sinocera Saichuang má technické rezervy na keramické substráty pro optické moduly.
Optické vlnovody z nitridu křemíku:
Společnost Solindes Photonics v zámoří uvedla na trh mikro-hřebenový světelný zdroj z nitridu křemíku přizpůsobený pro CPO, s jediným zařízením schopným vydávat 28 kanálů vlnových délek a s účinností optické konverze 60 %. Na ISSCC 2026 společnost TSMC představila svou křemíkovou -fotonikovou platformu CPO, která využívá vlnovody z nitridu křemíku jako standardní řešení pasivních optických vlnovodů. Tuzemské fotonické slévárny již dokončily vývoj PDK pro pasivní fotoniku nitridu křemíku a postupně zavádějí vzorky pro ověření 800G a 1,6T CPO.