Met de grootschalige inzet van grote AI-modellen en de voortdurende vooruitgang van high-performance computing worden traditionele koperverbindingen geconfronteerd met ernstige 'communicatieknelpunten' en 'machtsmuren'. De essentie van co-verpakte optica (CPO) is om de switch-ASIC, silicium fotonische chips, lasers en fiberarrays terug te brengen op één enkel verpakkingssubstraat. De transmissieafstand van elektrische signalen wordt drastisch ingekort van de "centimeterschaal" naar de "millimeterschaal", waardoor de lengte van de elektrische verbinding aanzienlijk wordt verminderd en het energieverbruik met 30% tot 50% wordt verminderd, waardoor het een cruciaal pad wordt om deze knelpunten te doorbreken.
Het is duidelijk dat wanneer optische motoren niet langer worden "ingeplugd" in het voorpaneel van de schakelaar, maar in plaats daarvan "samenwonen" met computerchips, het systeem veel complexer wordt en de materiaalkeuze de doorslaggevende factor wordt in de vraag of CPO massaproductie kan bereiken. In deze ronde van materiaalherconfiguratie onderscheidt siliciumnitride (Si₃N₄) zich als een speciale speler-het speelt twee duidelijk verschillende, maar cruciale rollen in CPO: één, als een keramisch substraat van siliciumnitride, dat dient als de fysieke drager en warmteafvoer-basis voor CPO-apparaten; de andere als optische golfgeleider van siliciumnitride, die dient als het optische signaaloverdrachtkanaal in de fotonische chip.
Siliciumnitride keramisch substraat: de voorkeursdrager voor CPO-verpakkingen
Zoals hierboven vermeld, zijn in de geïntegreerde verpakking met hoge{0}}dichtheid van CPO optische motoren en schakelchips nauw geïntegreerd in een extreem kleine ruimte. De systeemintegratie is hoger, opto-elektronische verbindingspaden zijn korter en het stroomverbruik is lager-alles goed. Omdat er echter zo veel apparaten met een hoog vermogen- bij elkaar zijn gepakt en tegelijkertijd werken, hoopt zich een grote hoeveelheid warmte op. Uit literatuurgegevens blijkt dat voor elektronische apparaten elke temperatuurstijging van 10 graden doorgaans de effectieve levensduur van het apparaat met 30% tot 50% verkort. Als deze warmte niet op tijd kan worden afgevoerd, zal de junctietemperatuur snel stijgen, wat leidt tot prestatieverlies of zelfs falen.
Het verpakkingssubstraat is de primaire warmte-dissiperende component. Van de traditionele materialen hebben organische substraten (zoals FR-4) een lage thermische geleidbaarheid en een slechte CTE-aanpassing, waardoor ze niet voldoen aan de vereisten voor hoge vermogensdissipatie van CPO. Keramische substraten, vooral keramische substraten van siliciumnitride, zijn het belangrijkste substraatmateriaal voor CPO-verpakkingen geworden vanwege hun hoge sterkte, hoge thermische geleidbaarheid en CTE-matching.
Siliciumnitride wint omdat het 'goed-afgerond' is.
Ten eerste is de thermische geleidbaarheid opmerkelijk goed. In de vroege stadia van het onderzoek was de thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur van Si₃N₄ 20–70 W/(m·K), veel lager dan die van AlN en SiC, dus de thermische prestaties ervan trokken niet veel aandacht. In 1995 veranderde deze perceptie. Wetenschapper Haggerty heeft op basis van de klassieke vaste--toestandstransporttheorie berekend dat de lage thermische geleidbaarheid van Si₃N₄ voornamelijk te wijten is aan roosterdefecten en onzuiverheden, en voorspelde dat het theoretische maximum ervan 320 W/(m·K) zou kunnen bereiken. Dankzij gezamenlijke inspanningen in onderzoek en industrie heeft de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek nu de 177 W/(m·K) overschreden. Vergeleken met traditionele harssubstraten, die een thermische geleidbaarheid van minder dan 1 W/(m·K) hebben, is dit een gamechanger-.
Ten tweede heeft siliciumnitride een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van slechts ongeveer 3,2×10⁻⁶/graad, ongeveer een-derde van die van Al₂O₃. CPO-pakketten bevatten meerdere materialen-siliciumchips, III-V-compound-halfgeleiderchips (zoals InP-lasers)-elk met verschillende CTE's. Wanneer lokale hittegolven optreden, bepaalt CTE-matching direct de levensduur van de soldeerverbinding onder thermische cycli. De CTE van siliciumnitride ligt heel dicht bij die van materialen op basis van silicium-, dus het gebruik ervan als substraat kan de spanningsmismatch tussen verschillende materialen tijdens thermische cycli aanzienlijk verminderen.
Ten derde zijn de mechanische eigenschappen van siliciumnitride uitstekend. De elastische modulus is 320 GPa en de buigsterkte is 920 MPa. Dergelijke superieure mechanische prestaties betekenen dat het substraat dunner kan worden gemaakt.-Siliciumnitride kan worden teruggebracht tot 0,32 mm of zelfs 0,25 mm, terwijl aluminiumnitride vanwege de brosheid op 0,62 mm moet worden gehouden. Het dunnere substraat dicht de kloof in thermische geleidbaarheid: hoewel AlN een hogere thermische geleidbaarheid heeft dan Si₃N₄, is de algehele thermische weerstand van ultra-dun siliciumnitride in essentie vergelijkbaar met die van dikker AlN. Bovendien heeft siliciumnitride een grotere algehele taaiheid, waardoor het afbrokkelen en breken van de randen tijdens industriële batchproductie wordt verminderd, waardoor de productieopbrengst wordt verbeterd.
In termen van kosten is siliciumnitride aanzienlijk duurder dan aluminiumoxide, maar slechts ongeveer 60% van de prijs van aluminiumnitride. Gecombineerd met geïntegreerde TFC-modules (dunne-filmkeramiek), gevormd door mede-sinteren in één-stap, kunnen de totale productiekosten aanzienlijk worden verlaagd.
Daarom wijzen insiders uit de industrie erop dat siliciumnitride in de gehele keten van de optische communicatie-industrie en de geïntegreerde CPO-verpakkingsniche het kernsubstraatmateriaal is dat het beste aansluit bij toekomstige technologische trends, waarbij de algehele geschiktheid die van aluminiumnitride ver overtreft.
Siliciumnitride optische golfgeleider-De 'optische signaalsnelweg' van CPO
In tegenstelling tot zijn macroscopische rol als verpakkingssubstraat, is de andere kernrol van siliciumnitride in CPO die van optisch golfgeleidermateriaal in de fotonische chip, verantwoordelijk voor optische signaaloverdracht, routering, splitsing, combinatie en andere sleutelfuncties.
Deze toepassing vertegenwoordigt de meest essentiële optische waarde van siliciumnitride in CPO. Het wordt voornamelijk gebruikt voor het vervaardigen op-chip optische golfgeleiders, microringresonatoren, optische frequentiekammen, golflengte-verdelingsmultiplexers, polarisatiestraalsplitters, roosterkoppelingen en alle andere passieve optische apparaten, die het volledige optische netwerk vormen binnen de optische CPO-engine voor signaaldistributie, transmissie, filtering en multiplexing/demultiplexing. Het is vaak hybride-geïntegreerd met actieve InP-chips en is de standaardtechnologieroutekaart geworden voor NVIDIA's volgende-generatie 3,2T CPO optische modules.
Waarom siliciumnitride in plaats van silicium? Siliciumnitride heeft een brekingsindex van ongeveer 1,98, wat zorgt voor optische veldbeperking tussen die van Si-golfgeleiders (≈3,4) en silicabekleding (≈1,44), waardoor het een van de meest veelbelovende materialen is voor het ontwerpen van randkoppelingen met een hoog indexcontrast en kleine dwarsdoorsneden. Belangrijker is dat in CPO-scenario's met hoog-vermogen siliciumgolfgeleiders last hebben van twee-fotonenabsorptie en kunnen doorbranden, terwijl siliciumnitride een grote bandafstand heeft en geen last heeft van dit probleem, waardoor het een ideale keuze is voor het verzenden van optische signalen met hoog-vermogen.
Bovendien opent de compatibiliteit van siliciumnitride optische golfgeleiderprocessen heterogene integratiemogelijkheden. Dunne{1}}filmafzettingsprocessen van siliciumnitride (LPCVD/PECVD/magnetronsputteren) zijn volwassen en CMOS-compatibel. Door gebruik te maken van PECVD-afzetting bij lage- temperaturen bij procestemperaturen onder de 400 graden, beschadigt het geen front-CMOS-chips of III-V actieve chips, waardoor monolithische integratie direct op wafers mogelijk is, zeer compatibel met TSMC's COUPE silicium-fotonica CPO-procesplatform.
Samenvattend spelen optische golfgeleiders van siliciumnitride in CPO een dubbele rol als de 'supersnelweg' voor optische transmissie op de -chip en als de 'brug' voor optische koppeling van glasvezel{1}}naar-chip, waardoor ze het functionele kernmateriaal vormen voor het bouwen van hoogwaardige- fotonische geïntegreerde schakelingen.
Huidige status van technologie en industrialisatie
Siliciumnitridesubstraten:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) heeft expliciet verklaard dat zijn CPO-keramische substraten zich in de laatste R&D-sprintfase bevinden en naar verwachting binnen drie jaar massaproductie zullen bereiken. De TFC dunne-film-keramische substraatproducten van Fude Technology, met hun hoge oppervlaktevlakheid en CTE die overeenkomen met chips, worden gepositioneerd als "een van de ideale dragerplatforms voor CPO-verpakkingen." Sinocera Materials maakte in haar investor relations-documenten bekend dat haar dochteronderneming, Sinocera Saichuang, technische reserves heeft voor keramische substraten voor optische modules.
Siliciumnitride optische golfgeleiders:
In het buitenland heeft Solindes Photonics een siliciumnitride micro{0}}kamlichtbron gelanceerd die is aangepast voor CPO, met één enkel apparaat dat 28 golflengtekanalen kan uitzenden en een optische conversie-efficiëntie van 60%. Op ISSCC 2026 onthulde TSMC zijn silicium-fotonica CPO-platform, waarbij siliciumnitride-golfgeleiders werden gebruikt als de standaard passieve optische golfgeleideroplossing. Binnenlandse fotonische gieterijen hebben de PDK-ontwikkeling voor passieve siliciumnitride-fotonica al voltooid en introduceren geleidelijk monsters voor 800G- en 1,6T CPO-verificatie.