Didžiuliai{0}}diegiant didelius dirbtinio intelekto modelius ir nuolat tobulėjant didelio-našumo skaičiavimui, tradicinės varinės jungtys susiduria su rimtomis „ryšio kliūtimis“ ir „galios sienomis“. Supakuotos optikos (CPO) esmė yra jungiklio ASIC, silicio fotoninių lustų, lazerių ir skaidulų matricų grąžinimas ant vieno pakuotės pagrindo. Elektrinių signalų perdavimo atstumas drastiškai sutrumpėja nuo „centimetro skalės“ iki „milimetro skalės“, žymiai sumažinant elektros jungties ilgį ir sumažinant energijos suvartojimą 30–50 proc., todėl tai yra labai svarbus būdas įveikti šias kliūtis.
Akivaizdu, kad kai optiniai varikliai nebėra „prijungiami“ prie jungiklio priekinio skydelio, o „sugyvena“ su skaičiavimo lustais, sistema tampa daug sudėtingesnė, o medžiagų pasirinkimas tampa lemiamu veiksniu, ar CPO gali pasiekti masinę gamybą. Šiame medžiagos pertvarkymo etape silicio nitridas (Si₃N₄) išsiskiria kaip ypatingas žaidėjas,{1}}jis atlieka du aiškiai skirtingus, tačiau esminius CPO vaidmenis: vieną, kaip keraminį silicio nitrido substratą, veikiantį kaip fizinis nešiklis ir šilumos{2} išsklaidymo bazė CPO įrenginiams; kitas, kaip silicio nitrido optinis bangolaidis, tarnaujantis kaip optinio signalo perdavimo kanalas fotoninio lusto viduje.
Silicio nitrido keraminis substratas: pageidaujamas CPO pakuočių nešiklis
Kaip minėta pirmiau, didelio{0}}tankio integruotoje CPO pakuotėje optiniai varikliai ir jungiklių lustai yra tvirtai integruoti itin mažoje erdvėje. Sistemos integravimas yra didesnis, optoelektroninių sujungimų keliai trumpesni, o energijos suvartojimas mažesnis-viskas gerai. Tačiau kai tiek daug didelės galios{4}}įrenginių yra supakuoti ir veikiantys vienu metu, susikaupia daug šilumos. Literatūros duomenys rodo, kad elektroniniams prietaisams kas 10 laipsnių temperatūros pakilimas paprastai sumažina efektyvų prietaiso tarnavimo laiką 30–50%. Jei ši šiluma negali būti laiku išsklaidyta, sankryžos temperatūra greitai pakils, o tai sukels veikimo pablogėjimą arba net gedimą.
Pakuotės substratas yra pagrindinis šilumą{0}}sklaidantis komponentas. Tarp tradicinių medžiagų organiniai substratai (pvz., FR-4) turi mažą šilumos laidumą ir prastą CTE atitikimą, todėl neatitinka CPO didelės galios išsklaidymo reikalavimų. Keraminiai substratai, ypač silicio nitrido keraminiai substratai, dėl didelio stiprumo, didelio šilumos laidumo ir CTE atitikimo tapo pagrindine CPO pakavimo substrato medžiaga.
Silicio nitridas laimi, nes yra „gerai{0}}apvalus“.
Pirma, jo šilumos laidumas yra nepaprastai geras. Ankstyvosiose tyrimų stadijose Si₃N₄ kambario temperatūros šilumos laidumas buvo 20–70 W/(m·K), daug mažesnis nei AlN ir SiC, todėl jo šiluminės charakteristikos nesukėlė daug dėmesio. 1995 metais šis suvokimas pasikeitė. Mokslininkas Haggerty, remdamasis klasikine kietojo kūno transporto teorija, apskaičiavo, kad žemą Si₃N₄ šilumos laidumą daugiausia lemia gardelės defektai ir priemaišos, ir numatė, kad jo teorinis maksimumas gali siekti 320 W/(m·K). Bendrų mokslinių tyrimų ir pramonės pastangų dėka silicio nitrido keramikos šilumos laidumas dabar viršijo 177 W/(m·K). Palyginti su tradiciniais dervos pagrindais, kurių šilumos laidumas mažesnis nei 1 W/(m·K), tai yra žaidimo{13}}keitiklis.
Antra, silicio nitrido šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE) yra mažas – tik apie 3,2 × 10⁻⁶/laipsnis, maždaug trečdalis Al₂O3. CPO paketuose yra kelių medžiagų-silicio lustai, III-V sudėtiniai puslaidininkiniai lustai (pvz., InP lazeriai)-kiekvienas su skirtingais CTE. Kai vietiniai šilumos šuoliai, CTE suderinimas tiesiogiai nustato lydmetalio jungties tarnavimo laiką, kai veikia šiluminis ciklas. Silicio nitrido CTE yra labai artimas silicio -pagrindo medžiagoms, todėl naudojant jį kaip pagrindą galima žymiai sumažinti įvairių medžiagų deformacijų neatitikimą šiluminių ciklų metu.
Trečia, silicio nitrido mechaninės savybės yra išskirtinės. Jo tamprumo modulis yra 320 GPa, o stipris lenkiant yra 920 MPa. Dėl tokių puikių mechaninių savybių substratas gali būti plonesnis, -silicio nitrido storis gali būti sumažintas iki 0,32 mm arba net 0,25 mm, o aliuminio nitridas dėl trapumo turi būti 0,62 mm. Plonesnis substratas uždaro šilumos laidumo spragą: nors AlN šilumos laidumas yra didesnis nei Si₃N4, bendra ultra-plono silicio nitrido šiluminė varža iš esmės prilygsta storesnio AlN. Be to, silicio nitridas pasižymi didesniu bendru kietumu, sumažina kraštų skilimą ir lūžimą pramoninės partijos gamybos metu, todėl padidėja gamybos išeiga.
Kalbant apie kainą, silicio nitridas yra daug brangesnis nei aliuminio oksidas, bet tik apie 60% aliuminio nitrido kainos. Kartu su TFC (plona{2}}plėvelės keramikos) integruotais moduliais, sudarytais vieno-veiksmo ko-sukepinimo būdu, bendras gamybos sąnaudas galima žymiai sumažinti.
Todėl pramonės atstovai atkreipia dėmesį į tai, kad visoje optinių ryšių pramonės grandinėje ir CPO integruotų pakuočių nišoje silicio nitridas yra pagrindinė substrato medžiaga, kuri geriausiai atitinka ateities technologijų tendencijas, o bendras tinkamumas gerokai viršija aliuminio nitrido tinkamumą.
Silicio nitrido optinis bangolaidis{0}}CPO „optinio signalo greitkelis“
Skirtingai nuo makroskopinio pakavimo pagrindo vaidmens, kitas pagrindinis silicio nitrido vaidmuo CPO yra optinio bangolaidžio medžiaga fotoninėje mikroschemoje, atsakinga už optinio signalo perdavimą, nukreipimą, padalijimą, derinimą ir kitas pagrindines funkcijas.
Ši programa atspindi svarbiausią CPO silicio nitrido optinę vertę. Jis visų pirma naudojamas -lustiniams optiniams bangolaidžiams, mikrožiediniams rezonatoriams, optinių dažnių šukėms, bangos ilgio-dalijimo multiplekseriams, poliarizacijos pluošto skirstytuvams, grotelių jungtims ir visiems kitiems pasyviems optiniams įrenginiams gaminti, sudarančius visą optinį tinklą CPO optinio variklio viduje, skirtą signalų paskirstymui, perdavimui, filtravimui ir multipleksavimui. Jis dažnai yra hibridinis-integruotas su InP aktyviaisiais lustais ir tapo standartiniu NVIDIA naujos-kartos 3.2T CPO optinių modulių technologijos planu.
Kodėl silicio nitridas vietoj silicio? Silicio nitrido lūžio rodiklis yra apie 1,98, todėl optinis laukas ribojamas tarp Si bangolaidžių (≈3,4) ir silicio dioksido apvalkalo (≈1,44), todėl tai yra viena iš perspektyviausių medžiagų kuriant didelio indekso kontrasto ir mažo skerspjūvio kraštines jungtis. Dar svarbiau, kad CPO didelės galios{5}}scenarijų atveju silicio bangolaidžiai kenčia nuo dviejų-fotonų sugerties ir gali perdegti, o silicio nitrido diapazonas yra platus ir dėl šios problemos nėra, todėl jis yra idealus pasirinkimas didelės-galios optiniams signalams perduoti.
Be to, silicio nitrido optinio bangolaidžio proceso suderinamumas atveria nevienalytes integracijos galimybes. Silicio nitrido plonosios{1}plėvelės nusodinimo procesai (LPCVD/PECVD/magnetroninis purškimas) yra brandūs ir suderinami su CMOS{2}}. Naudojant žemos-temperatūros PECVD nusodinimą esant žemesnei nei 400 laipsnių proceso temperatūrai, jis nepažeidžia priekinių-galų CMOS lustų arba III-V aktyvių lustų, todėl galima monolitiškai integruoti tiesiai į plokšteles, puikiai suderinamas su TSMC COUPE silicio{8}}fotonikos CPO proceso platforma.
Apibendrinant galima pasakyti, kad silicio nitrido optiniai bangolaidžiai CPO atlieka dvejopą vaidmenį kaip lusto optinio perdavimo „supergreitkelis“ ir kaip skaidulų-į-lusto optinio ryšio „tiltas“, todėl jie yra pagrindinė funkcinė medžiaga kuriant didelio našumo-fotoninius integrinius grandynus.
Dabartinė technologijų ir industrializacijos padėtis
Silicio nitrido substratai:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) aiškiai pareiškė, kad jos CPO keramikos substratai yra paskutiniame MTTP sprinto etape ir tikimasi, kad per trejus metus jie pasieks masinę gamybą. „Fude Technology“ TFC plonos plėvelės{1}}keraminio pagrindo gaminiai, kurių paviršius yra lygus ir CTE atitinka drožles, yra „viena iš idealių CPO pakavimo platformų“. „Sinocera Materials“ savo ryšių su investuotojais įrašuose atskleidė, kad jos dukterinė įmonė „Sinocera Saichuang“ turi techninių rezervų optinių modulių keraminiams pagrindams.
Silicio nitrido optiniai bangolaidžiai:
Užsienyje „Solindes Photonics“ pristatė silicio nitrido mikro{0}}šukų šviesos šaltinį, pritaikytą CPO, su vienu įrenginiu, galinčiu perduoti 28 bangos ilgio kanalus ir 60 % optinio konversijos efektyvumą. 2026 m. ISSCC parodoje TSMC pristatė savo silicio-fotonikos CPO platformą, pritaikė silicio nitrido bangolaidžius kaip standartinį pasyvų optinio bangolaidžio sprendimą. Buitinės fotoninės liejyklos jau baigė kurti PDK pasyviajai silicio nitrido fotonikai ir palaipsniui pristato 800G ir 1,6T CPO patikros pavyzdžius.