В результате широкомасштабного-развертывания крупных моделей искусственного интеллекта и продолжающегося развития высокопроизводительных-вычислений традиционные медные межсоединения сталкиваются с серьезными «узкими местами связи» и «стенами электропередачи». Сущность совместно-оптической оптики (CPO) заключается в том, чтобы поместить коммутатор ASIC, кремниевые фотонные чипы, лазеры и оптоволоконные массивы обратно на единую упаковочную подложку. Расстояние передачи электрических сигналов резко сокращается с «сантиметрового масштаба» до «миллиметрового», что значительно сокращает длину электрических межсоединений и снижает энергопотребление на 30–50%, что делает его критически важным способом преодоления этих узких мест.
Очевидно, что когда оптические механизмы больше не «подключаются» к передней панели коммутатора, а вместо этого «сосуществуют» с вычислительными чипами, система становится гораздо более сложной, и выбор материала становится решающим фактором в том, сможет ли CPO достичь массового производства. На этом этапе реконфигурации материалов нитрид кремния (Si₃N₄) выделяется как особый игрок-он играет две совершенно разные, но важные роли в CPO: во-первых, в качестве керамической подложки из нитрида кремния, служащей физическим носителем и основой рассеивания тепла-для устройств CPO; другой — оптический волновод из нитрида кремния, служащий каналом передачи оптического сигнала внутри фотонного чипа.
Керамическая подложка из нитрида кремния: предпочтительный носитель для упаковки CPO
Как упоминалось выше, в интегрированном корпусе CPO высокой-плотности оптические механизмы и микросхемы переключателей тесно интегрированы в чрезвычайно небольшом пространстве. Системная интеграция выше, пути оптоэлектронных соединений короче, а энергопотребление ниже-все хорошо. Однако при таком большом количестве-мощных устройств, собранных вместе и работающих одновременно, накапливается большое количество тепла. Литературные данные показывают, что для электронных устройств каждые 10 градусов повышения температуры обычно сокращают эффективный срок службы устройства на 30–50%. Если это тепло не удастся рассеять вовремя, это приведет к быстрому повышению температуры перехода, что приведет к снижению производительности или даже отказу.
Подложка упаковки – это основной-компонент, рассеивающий тепло. Среди традиционных материалов органические подложки (такие как FR-4) имеют низкую теплопроводность и плохое соответствие КТР, что не соответствует требованиям CPO по рассеиванию высокой мощности. Керамические подложки, особенно керамические подложки из нитрида кремния, стали ключевым материалом подложки для упаковки CPO из-за их высокой прочности, высокой теплопроводности и соответствия КТР.
Нитрид кремния выигрывает, потому что он "хорошо-округлен".
Во-первых, у него очень хорошая теплопроводность. На ранних этапах исследований теплопроводность Si₃N₄ при комнатной-температуре составляла 20–70 Вт/(м·К), что намного ниже, чем у AlN и SiC, поэтому его тепловые характеристики не привлекали особого внимания. В 1995 году это мнение изменилось. Ученый Хаггерти с помощью классической теории переноса в твердом - состоянии рассчитал, что низкая теплопроводность Si₃N₄ обусловлена главным образом дефектами решетки и примесями, и предсказал, что ее теоретический максимум может достигать 320 Вт/(м·К). Благодаря совместным усилиям исследователей и промышленности теплопроводность керамики из нитрида кремния превысила 177 Вт/(м·К). По сравнению с традиционными полимерными подложками, теплопроводность которых ниже 1 Вт/(м·К), это кардинально меняет правила игры.
Во-вторых, нитрид кремния имеет низкий коэффициент теплового расширения (КТР), составляющий всего около 3,2×10⁻⁶/градус, что примерно на одну-треть меньше, чем у Al₂O₃. Пакеты CPO содержат несколько материалов:-кремниевые чипы, полупроводниковые чипы III-V (например, лазеры InP)-каждый с разными КТР. При локальных скачках тепла согласование КТР напрямую определяет срок службы паяного соединения при термоциклировании. КТР нитрида кремния очень близок к КТР материалов на основе кремния-, поэтому его использование в качестве подложки может значительно уменьшить несоответствие напряжений между различными материалами во время термических циклов.
В-третьих, механические свойства нитрида кремния выдающиеся. Его модуль упругости составляет 320 ГПа, прочность на изгиб — 920 МПа. Такие превосходные механические характеристики означают, что подложку можно сделать тоньше.-Толщина нитрида кремния может быть уменьшена до 0,32 мм или даже 0,25 мм, тогда как нитрид алюминия из-за хрупкости должен оставаться на уровне 0,62 мм. Более тонкая подложка закрывает разрыв в теплопроводности: хотя AlN имеет более высокую теплопроводность, чем Si₃N₄, общее термическое сопротивление ультра-тонкого нитрида кремния по существу находится на одном уровне с сопротивлением более толстого AlN. Кроме того, нитрид кремния имеет более высокую общую ударную вязкость, уменьшая сколы и поломки кромок во время промышленного серийного производства, тем самым повышая производительность производства.
С точки зрения стоимости нитрид кремния значительно дороже оксида алюминия, но лишь примерно на 60% дешевле нитрида алюминия. В сочетании с интегрированными модулями TFC (тонкопленочная керамика), сформированными путем одноэтапного-совместного-спекания, общие производственные затраты могут быть значительно снижены.
Таким образом, инсайдеры отрасли отмечают, что во всей цепочке отрасли оптической связи и в нише интегрированной упаковки CPO нитрид кремния является основным материалом подложки, который лучше всего соответствует будущим технологическим тенденциям, а его общая пригодность намного превосходит нитрид алюминия.
Оптический волновод из нитрида кремния-"Супермагистраль оптического сигнала" CPO
В отличие от своей макроскопической роли в качестве упаковочной подложки, другая основная роль нитрида кремния в CPO заключается в том, что он является материалом оптического волновода внутри фотонного чипа, отвечающим за передачу оптического сигнала, маршрутизацию, разделение, объединение и другие ключевые функции.
Это приложение представляет собой наиболее важную оптическую ценность нитрида кремния в CPO. Он в основном используется для изготовления на кристалле оптических волноводов, микрокольцевых резонаторов, гребенок оптических частот, мультиплексоров с разделением по длине волны-, поляризационных светоделителей, решетчатых соединителей и всех других пассивных оптических устройств, образующих полную оптическую сеть внутри оптического механизма CPO для распределения, передачи, фильтрации и мультиплексирования/демультиплексирования сигналов. Он часто представляет собой гибридную-интеграцию с активными чипами InP и стал стандартной технологической картой для оптических модулей NVIDIA следующего-поколения 3.2T CPO.
Почему нитрид кремния вместо кремния? Нитрид кремния имеет показатель преломления около 1,98, что обеспечивает ограничение оптического поля между показателями кремниевых волноводов (≈3,4) и кварцевой оболочкой (≈1,44), что делает его одним из наиболее перспективных материалов для создания краевых соединителей с высоким контрастом показателя и малыми поперечными сечениями-. Что еще более важно, в сценариях CPO с высокой-мощностью кремниевые волноводы страдают от двух-фотонного поглощения и могут перегореть, тогда как нитрид кремния имеет широкую запрещенную зону и не страдает от этой проблемы, что делает его идеальным выбором для передачи оптических сигналов высокой-мощности.
Кроме того, совместимость технологии оптических волноводов на основе нитрида кремния открывает возможности гетерогенной интеграции. Процессы нанесения тонких-пленок нитрида кремния (LPCVD/PECVD/магнетронное распыление) являются отработанными и совместимыми с КМОП-. Используя низкотемпературное PECVD-осаждение при температуре процесса ниже 400 градусов, он не повреждает передние-КМОП-чипы или активные чипы III-V, что обеспечивает монолитную интеграцию непосредственно на пластинах и обеспечивает высокую совместимость с технологической платформой CPO кремния-фотоники TSMC COUPE.
Таким образом, оптические волноводы из нитрида кремния в CPO играют двойную роль: как «супермагистраль» оптической передачи внутри кристалла и как «мост» для оптического соединения волокна-к-чипу, что делает их основным функциональным материалом для создания высокопроизводительных фотонных интегральных схем.
Текущее состояние технологий и индустриализации
Подложки из нитрида кремния:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) прямо заявила, что ее керамические подложки CPO находятся на заключительной стадии исследований и разработок и, как ожидается, начнут массовое производство в течение трех лет. Тонкопленочные керамические подложки TFC компании Fude Technology с их высокой плоскостностью поверхности и КТР, соответствующим чипам, позиционируются как «одна из идеальных несущих платформ для упаковки CPO». Компания Sinocera Materials в своих отчетах по связям с инвесторами сообщила, что ее дочерняя компания Sinocera Saichuang имеет технические резервы для производства керамических подложек для оптических модулей.
Оптические волноводы из нитрида кремния:
За рубежом компания Solindes Photonics выпустила микро--гребенчатый источник света из нитрида кремния, адаптированный для CPO, с одним устройством, способным выдавать 28 каналов длины волны и эффективностью оптического преобразования 60 %. На выставке ISSCC 2026 компания TSMC представила свою платформу CPO для кремниевой-фотоники, приняв волноводы из нитрида кремния в качестве стандартного решения для пассивных оптических волноводов. Отечественные фотонные заводы уже завершили разработку PDK для пассивной фотоники на основе нитрида кремния и постепенно вводят образцы для проверки CPO 800G и 1,6T.