Уз -примену великих модела са вештачком интелигенцијом и континуирани напредак рачунарства високих{1}}перформанси, традиционалне бакарне интерконекције суочавају се са озбиљним „уским грлима у комуникацији“ и „зидовима напајања“. Суштина ко-упаковане оптике (ЦПО) је да врати АСИЦ прекидача, силицијумске фотонске чипове, ласере и низове влакана назад на једну подлогу за паковање. Удаљеност преноса електричних сигнала је драстично скраћена са „центиметарске скале“ на „милиметарску скалу“, значајно смањујући дужину електричних интерконекција и смањујући потрошњу енергије за 30%–50%, што га чини критичним путем за пробијање ових уских грла.
Јасно је да када оптички мотори више нису "укључени" у предњу плочу прекидача, већ уместо тога "кохабитирају" са рачунарским чиповима, систем постаје далеко сложенији, а избор материјала постаје одлучујући фактор у томе да ли ЦПО може да достигне масовну производњу. У овој рунди реконфигурације материјала, силицијум нитрид (Си₃Н₄) се истиче као посебан играч-он игра две изразито различите, али критичне улоге у ЦПО: једну, као керамички супстрат од силицијум нитрида, који служи као физички носач и база за одвођење топлоте-за ЦПО уређаје; други, као оптички таласовод од силицијум нитрида, који служи као канал за пренос оптичког сигнала унутар фотонског чипа.
Керамички супстрат од силицијум нитрида: Пожељни носач за ЦПО паковање
Као што је горе поменуто, у интегрисаном паковању ЦПО високе{0}}густине, оптички мотори и чипови прекидача су чврсто интегрисани у изузетно малом простору. Интеграција система је већа, оптоелектронски путеви међусобног повезивања су краћи, а потрошња енергије нижа-све добро. Међутим, са толико -уређаја велике снаге који су спаковани заједно и раде истовремено, акумулира се велика количина топлоте. Подаци из литературе показују да за електронске уређаје сваки пораст температуре од 10 степени обично смањује ефективни животни век уређаја за 30%–50%. Ако се ова топлота не може распршити на време, то ће довести до брзог пораста температуре споја, што ће довести до деградације перформанси или чак квара.
Подлога за паковање је примарна компонента{0}}која одваја топлоту. Међу традиционалним материјалима, органски супстрати (као што је ФР-4) имају ниску топлотну проводљивост и лоше ЦТЕ подударање, не испуњавајући захтеве за расипање велике снаге ЦПО. Керамичке подлоге, посебно керамичке подлоге од силицијум нитрида, постале су кључни материјал супстрата за ЦПО паковање због своје високе чврстоће, високе топлотне проводљивости и ЦТЕ подударања.
Силицијум нитрид побеђује тако што је „добро{0}}заокружен“.
Прво, његова топлотна проводљивост је изузетно добра. У раним фазама истраживања, топлотна проводљивост Си₃Н₄ при собној -температури била је 20–70 В/(м·К), далеко нижа од оне код АлН и СиЦ, тако да његове топлотне перформансе нису привлачиле велику пажњу. Године 1995. ова перцепција се променила. Научник Хагерти је, кроз класичну-теорију транспорта у чврстом стању, израчунао да је ниска топлотна проводљивост Си₃Н₄ углавном последица дефеката решетке и нечистоћа, и предвидео је да би његов теоретски максимум могао да достигне 320 В/(м·К). Захваљујући заједничким напорима у истраживању и индустрији, топлотна проводљивост керамике силицијум нитрида је сада премашила 177 В/(м·К). У поређењу са традиционалним супстратима од смоле, који имају топлотну проводљивост испод 1 В/(м·К), ово је промена{13}}.
Друго, силицијум нитрид има низак коефицијент термичке експанзије (ЦТЕ) од само 3,2×10⁻⁶/степен, отприлике једну-трећину од Ал2О3. ЦПО пакети садрже више материјала-силицијумских чипова, ИИИ-В сложених полупроводничких чипова (као што су ИнП ласери)-сваки са различитим ЦТЕ. Када дође до локалних топлотних удара, ЦТЕ подударање директно одређује век трајања лемног споја под термичким циклусом. ЦТЕ силицијум нитрида је веома близак материјалима на бази силицијум-, тако да његово коришћење као супстрата може у великој мери да ублажи неусклађеност деформација између различитих материјала током термичких циклуса.
Треће, механичка својства силицијум нитрида су изванредна. Његов модул еластичности је 320 ГПа, а чврстоћа на савијање је 920 МПа. Такве супериорне механичке перформансе значе да се подлога може учинити тањом-да се силицијум нитрид може смањити на 0,32 мм или чак 0,25 мм, док се алуминијум нитрид, због кртости, мора задржати на 0,62 мм. Тања подлога затвара јаз у топлотној проводљивости: иако АлН има већу топлотну проводљивост од Си₃Н₄, укупна топлотна отпорност ултра-танког силицијум нитрида је у суштини једнака отпору дебљег АлН. Штавише, силицијум нитрид има већу укупну жилавост, смањујући ивице и ломове током индустријске производње серије, чиме се побољшава производни принос.
Што се тиче цене, силицијум нитрид је знатно скупљи од глинице, али само око 60% цене алуминијум нитрида. У комбинацији са интегрисаним модулима ТФЦ (-керамика танког филма) формираним у једном-корак-корак, укупни трошкови производње могу бити значајно смањени.
Због тога, инсајдери из индустрије истичу да је у целом ланцу индустрије оптичких комуникација и ниши интегрисаног паковања ЦПО, силицијум нитрид основни материјал супстрата који је најбоље усклађен са будућим технолошким трендовима, при чему је укупна погодност далеко већа од оне алуминијум нитрида.
Оптички таласовод од силицијум нитрида-„Суперпут оптичког сигнала“ ЦПО
За разлику од његове макроскопске улоге као супстрата за паковање, друга кључна улога силицијум нитрида у ЦПО је материјал оптичког таласовода унутар фотонског чипа, одговоран за пренос оптичког сигнала, рутирање, цепање, комбиновање и друге кључне функције.
Ова апликација представља најважнију оптичку вредност силицијум нитрида у ЦПО. Првенствено се користи за производњу на-оптичким таласоводима, микропрстенастим резонаторима, оптичким фреквентним чешљевима, мултиплексерима са поделом таласних дужина, разделницима поларизационих зрака, решеткастим спојницама и свим другим пасивним оптичким уређајима, формирајући комплетну оптичку мрежу унутар ЦПО оптичког механизма за дистрибуцију сигнала и вишеструки пренос, мултиплекс филтер/дефинисање. Често је хибридно-интегрисано са ИнП активним чиповима и постало је стандардни технолошки путоказ за следећу-генерацију 3.2Т ЦПО оптичких модула НВИДИА.
Зашто силицијум нитрид уместо силицијум? Силицијум нитрид има индекс преламања од око 1,98, обезбеђујући ограничење оптичког поља између Си таласовода (≈3,4) и облоге од силицијум диоксида (≈1,44), што га чини једним од најперспективнијих материјала за пројектовање ивичних спојница са високим индексним контрастом и малим попречним - пресецима. Што је још важније, у сценаријима велике-снаге ЦПО, силицијумски таласоводи пате од апсорпције два-фотона и могу да изгоре, док силицијум нитрид има широк појас и не пати од овог проблема, што га чини идеалним избором за преношење оптичких сигнала велике-обе снаге.
Поред тога, компатибилност процеса оптичког таласовода силицијум нитрида отвара хетерогене могућности интеграције. Процеси таложења танког{1}} филма силицијум нитрида (ЛПЦВД/ПЕЦВД/магнетронско распршивање) су зрели и ЦМОС-компатибилни. Користећи ниско{4}}таложење ПЕЦВД при температурама процеса испод 400 степени, не оштећује предње{6}} ЦМОС чипове или ИИИ-В активне чипове, омогућавајући монолитну интеграцију директно на плочице, веома компатибилан са ТСМЦ-овом ЦОУПЕ силиконско- процесом ЦПОпх платформе.
Укратко, оптички таласоводи од силицијум нитрида у ЦПО играју двоструку улогу као „суперпут“ за оптички пренос на-чипу и као „мост“ за оптичко повезивање-на-чип, што их чини основним функционалним материјалом за изградњу фотонских интегрисаних кола високих-перформанси.
Тренутни статус технологије и индустријализације
Супстрати силицијум нитрида:
ЦЕТЦ (Цхина Елецтроницс Тецхнологи Гроуп Цорпоратион) је експлицитно изјавио да су његове ЦПО керамичке подлоге у завршној фази истраживања и развоја и да се очекује да ће достићи масовну производњу у року од три године. Фуде Тецхнологи ТФЦ танк{1}}производи за керамичке подлоге, са својом високом равношћу површине и ЦТЕ усклађеним са чиповима, позиционирани су као „једна од идеалних платформи за ношење ЦПО паковања“. Синоцера Материалс је у својој евиденцији за односе са инвеститорима открила да њена подружница, Синоцера Саицхуанг, има техничке резерве за керамичке подлоге за оптичке модуле.
Оптички таласоводи од силицијум нитрида:
У иностранству, Солиндес Пхотоницс је лансирао извор светлости са микро-чешљем од силицијум нитрида прилагођен за ЦПО, са једним уређајем који може да емитује 28 канала таласне дужине и ефикасност оптичке конверзије од 60%. На ИССЦЦ 2026, ТСМЦ је представио своју силицијум{5}}фотоничку ЦПО платформу, усвајајући таласоводе од силицијум нитрида као стандардно решење за пасивне оптичке таласоводе. Домаће фотонске ливнице су већ завршиле развој ПДК за пасивну фотонику силицијум нитрида и постепено уводе узорке за 800Г и 1.6Т ЦПО верификацију.