Med den storskaliga implementeringen av stora AI-modeller och den fortsatta utvecklingen av hög-beräkningar, möter traditionella kopparanslutningar allvarliga "kommunikationsflaskhalsar" och "kraftväggar". Kärnan i co-packaged optics (CPO) är att föra switch ASIC, kiselfotonchips, lasrar och fibermatriser tillbaka till ett enda förpackningssubstrat. Överföringsavståndet för elektriska signaler förkortas drastiskt från "centimeterskalan" till "millimeterskalan", vilket avsevärt minskar den elektriska sammankopplingens längd och minskar strömförbrukningen med 30 %–50 %, vilket gör det till en kritisk väg för att bryta igenom dessa flaskhalsar.
Det är uppenbart att när optiska motorer inte längre är "inkopplade" till switchens frontpanel utan istället "sambor" med datorchips, blir systemet mycket mer komplext, och materialvalet blir den avgörande faktorn för om CPO kan nå massproduktion. I den här omgången av materialomkonfiguration utmärker sig kiselnitrid (Si₃N₄) som en speciell aktör-den spelar två distinkt olika men ändå kritiska roller i CPO: en, som ett keramiskt kiselnitridsubstrat, som fungerar som den fysiska bäraren och värme-avledningsbasen för CPO-enheter; den andra, som en optisk vågledare av kiselnitrid, som fungerar som den optiska signalöverföringskanalen inuti fotonchippet.
Keramiskt substrat av kiselnitrid: den föredragna bäraren för CPO-förpackningar
Som nämnts ovan, i den integrerade högdensitetsförpackningen av CPO, är optiska motorer och switchchips tätt integrerade i ett extremt litet utrymme. Systemintegration är högre, optoelektroniska sammankopplingsvägar är kortare och strömförbrukningen är lägre-allt bra. Men med så många-högeffektsenheter packade och som fungerar samtidigt, ackumuleras en stor mängd värme. Litteraturdata visar att för elektroniska enheter minskar varje 10-gradig temperaturhöjning vanligtvis enhetens effektiva livslängd med 30–50 %. Om denna värme inte kan försvinna i tid, kommer det att leda till att korsningstemperaturerna stiger snabbt, vilket leder till prestandaförsämring eller till och med fel.
Förpackningssubstratet är den primära-värmeavledande komponenten. Bland traditionella material har organiska substrat (som FR-4) låg värmeledningsförmåga och dålig CTE-matchning, vilket inte uppfyller CPO:s krav på hög effektförlust. Keramiska substrat, särskilt keramiska substrat av kiselnitrid, har blivit det viktigaste substratmaterialet för CPO-förpackningar på grund av deras höga hållfasthet, höga värmeledningsförmåga och CTE-matchning.
Kiselnitrid vinner genom att vara "väl-avrundad".
För det första är dess värmeledningsförmåga anmärkningsvärt bra. I de tidiga forskningsstadierna var den termiska konduktiviteten i rumstemperaturen för Si₃N₄ 20–70 W/(m·K), mycket lägre än den för AlN och SiC, så dess termiska prestanda väckte inte mycket uppmärksamhet. 1995 förändrades denna uppfattning. Forskaren Haggerty, genom klassisk fast-transportteori, beräknade att den låga värmeledningsförmågan hos Si₃N₄ främst beror på gallerdefekter och föroreningar, och förutspådde att dess teoretiska maximum kunde nå 320 W/(m·K). Tack vare gemensamma ansträngningar inom forskning och industri har den termiska konduktiviteten hos kiselnitridkeramer nu överstigit 177 W/(m·K). Jämfört med traditionella hartssubstrat, som har en värmeledningsförmåga under 1 W/(m·K), är detta en{13}}omvandlare.
För det andra har kiselnitrid en låg termisk expansionskoefficient (CTE) på endast cirka 3,2×10⁻⁶/grad, ungefär en-tredjedel av Al₂O3. CPO-paket innehåller flera material-kiselchips, III-V sammansatta halvledarchips (som InP-lasrar)-var och en med olika CTE. När lokala värmeökningar bestämmer CTE-matchning direkt lödfogens livslängd under termisk cykling. Kiselnitrids CTE ligger mycket nära den för kisel-baserade material, så att använda den som substrat kan avsevärt lindra töjningsfelanpassningen mellan olika material under termiska cykler.
För det tredje är kiselnitrids mekaniska egenskaper enastående. Dess elasticitetsmodul är 320 GPa och dess böjhållfasthet är 920 MPa. Sådana överlägsna mekaniska prestanda innebär att substratet kan göras tunnare-kiselnitrid kan reduceras till 0,32 mm eller till och med 0,25 mm, medan aluminiumnitrid, på grund av sprödhet, måste hållas vid 0,62 mm. Det tunnare substratet stänger det termiska konduktivitetsgapet: även om AlN har högre värmeledningsförmåga än Si₃N4, är den totala termiska resistansen för ultra-tunn kiselnitrid väsentligen i nivå med den för tjockare AlN. Dessutom har kiselnitrid större total seghet, vilket minskar kantflisning och brott under industriell satsproduktion, vilket förbättrar tillverkningsutbytet.
Kostnadsmässigt är kiselnitrid betydligt dyrare än aluminium, men endast cirka 60 % av priset på aluminiumnitrid. Kombinerat med TFC (tunn-filmkeramik) integrerade moduler bildade av en-samsintring-, kan de totala produktionskostnaderna reduceras avsevärt.
Därför påpekar branschinsiders att i hela den optiska kommunikationsindustrins kedja och den integrerade CPO-förpackningsnischen är kiselnitrid det kärnsubstratmaterial som bäst överensstämmer med framtida tekniktrender, med den övergripande lämpligheten som vida överstiger aluminiumnitrids.
Silicon Nitride Optical Waveguide-CPO:s "Optical Signal Superhighway"
Till skillnad från dess makroskopiska roll som ett förpackningssubstrat, är kiselnitrids andra centrala roll i CPO som ett optiskt vågledarmaterial inuti det fotoniska chipet, ansvarigt för optisk signalöverföring, routing, delning, kombinering och andra nyckelfunktioner.
Denna applikation representerar det mest väsentliga optiska värdet av kiselnitrid i CPO. Den används i första hand för att tillverka optiska vågledare på-chip, mikroringresonatorer, optiska frekvenskammar, våglängds-multiplexrar, polarisationsstråldelare, gitterkopplare och alla andra passiva optiska enheter, som bildar det kompletta optiska nätverket inuti den optiska CPO-motorn för signaldistribution, överföring och multiplexering av signaler, överföring och multiplex. Den är ofta hybrid-integrerad med aktiva InP-chips och har blivit standardteknikens färdplan för NVIDIAs nästa-generations 3.2T CPO optiska moduler.
Varför kiselnitrid istället för kisel? Kiselnitrid har ett brytningsindex på cirka 1,98, vilket ger en optisk fältbegränsning mellan den för Si-vågledare (≈3,4) och kiseldioxidbeklädnad (≈1,44), vilket gör det till ett av de mest lovande materialen för att designa kantkopplare med hög indexkontrast och små tvärsnitt. Ännu viktigare är att i scenarier för CPO-hög-effekt lider kiselvågledare av två-fotonabsorption och kan brinna ut, medan kiselnitrid har ett brett bandgap och inte lider av detta problem, vilket gör det till ett idealiskt val för att överföra optiska signaler med hög-effekt.
Dessutom öppnar kiselnitrid optisk vågledarprocesskompatibilitet upp för heterogena integrationsmöjligheter. Kiselnitrid tunn-filmavsättningsprocesser (LPCVD/PECVD/magnetronförstoftning) är mogna och CMOS-kompatibla. Genom att använda låg-temperatur PECVD-avsättning vid processtemperaturer under 400 grader skadar den inte främre- CMOS-chips eller III-V aktiva chips, vilket möjliggör monolitisk integration direkt på wafers, mycket kompatibel med TSMC:s COUPE-kisel-fotonik-CPO-processplattform.
Sammanfattningsvis spelar optiska vågledare av kiselnitrid i CPO en dubbel roll som -chip optisk transmission "superhighway" och som "bryggan" för fiber-till-chip optisk koppling, vilket gör dem till det centrala funktionella materialet för att bygga hög-fotoniska integrerade kretsar.
Nuvarande status för teknik och industrialisering
Silikonnitridsubstrat:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) har uttryckligen sagt att dess CPO-keramiska substrat befinner sig i den slutliga FoU-sprintfasen och förväntas nå massproduktion inom tre år. Fude Technologys TFC-tunn-film-keramiska substratprodukter, med sin höga ytplanhet och CTE-matchning med chips, är positionerade som "en av de idealiska bärarplattformarna för CPO-förpackning." Sinocera Materials avslöjade i sina investerarrelationer att dess dotterbolag, Sinocera Saichuang, har tekniska reserver för keramiska substrat för optiska moduler.
Optiska vågledare av kiselnitrid:
Utomlands har Solindes Photonics lanserat en mikro-kiselnitrid-ljuskälla anpassad för CPO, med en enda enhet som kan mata ut 28 våglängdskanaler och en optisk omvandlingseffektivitet på 60 %. Vid ISSCC 2026 presenterade TSMC sin kisel-photonics CPO-plattform, som anammade vågledare av kiselnitrid som den passiva optiska vågledarens standardlösning. Inhemska fotonikgjuterier har redan slutfört PDK-utveckling för passiv kiselnitridfotonik och introducerar gradvis prover för 800G och 1,6T CPO-verifiering.