Līdz ar plašo-AI lielo modeļu ieviešanu un augstas veiktspējas-datošanas nepārtrauktu attīstību, tradicionālie vara starpsavienojumi saskaras ar nopietniem "komunikācijas sastrēgumiem" un "elektrības sienām". Ko-iepakotās optikas (CPO) būtība ir apvienot ASIC slēdzi, silīcija fotoniskās mikroshēmas, lāzerus un šķiedru blokus atpakaļ uz viena iepakojuma substrāta. Elektrisko signālu pārraides attālums ir krasi saīsināts no "centimetru skalas" uz "milimetru skalu", ievērojami samazinot elektrisko starpsavienojumu garumu un samazinot enerģijas patēriņu par 30–50%, padarot to par kritisku ceļu, lai pārvarētu šos vājos punktus.
Skaidrs, ka tad, kad optiskie dzinēji vairs nav "pieslēgti" slēdža priekšējam panelim, bet gan "kopā" ar skaitļošanas mikroshēmām, sistēma kļūst daudz sarežģītāka, un materiālu izvēle kļūst par izšķirošo faktoru, vai CPO var sasniegt masveida ražošanu. Šajā materiāla pārkonfigurācijas kārtā silīcija nitrīds (Si₃N₄) izceļas kā īpašs spēlētājs,{1}}tam ir divas izteikti atšķirīgas, taču būtiskas lomas CPO: viena ir silīcija nitrīda keramikas substrāts, kas kalpo par fizisko nesēju un siltuma-izkliedes bāzi CPO ierīcēm; otrs kā silīcija nitrīda optiskais viļņvads, kas kalpo kā optiskā signāla pārraides kanāls fotoniskās mikroshēmas iekšpusē.
Silīcija nitrīda keramikas substrāts: vēlamais nesējs CPO iepakojumam
Kā minēts iepriekš, liela{0}}blīvuma integrētajā CPO iepakojumā optiskie dzinēji un slēdžu mikroshēmas ir cieši integrētas ārkārtīgi mazā telpā. Sistēmas integrācija ir augstāka, optoelektroniskie starpsavienojumu ceļi ir īsāki un enerģijas patēriņš ir mazāks-labi. Tomēr, ja ir tik daudz -jaudas ierīču, kas ir saliktas kopā un darbojas vienlaikus, uzkrājas liels daudzums siltuma. Literatūras dati liecina, ka elektroniskām ierīcēm ik pēc 10 grādiem temperatūras paaugstināšanās parasti samazina efektīvas ierīces kalpošanas laiku par 30%–50%. Ja šo siltumu nevarēs izkliedēt laikā, tas izraisīs ātru savienojuma temperatūras paaugstināšanos, izraisot veiktspējas pasliktināšanos vai pat atteici.
Iepakojuma substrāts ir primārā siltumu{0}}izkliedējošā sastāvdaļa. Starp tradicionālajiem materiāliem organiskajiem substrātiem (piemēram, FR-4) ir zema siltumvadītspēja un slikta CTE atbilstība, kas neatbilst CPO augstas jaudas izkliedes prasībām. Keramikas substrāti, jo īpaši silīcija nitrīda keramikas substrāti, ir kļuvuši par galveno CPO iepakojuma substrāta materiālu to augstās izturības, augstās siltumvadītspējas un CTE atbilstības dēļ.
Silīcija nitrīds uzvar, jo ir "labi{0}}noapaļots".
Pirmkārt, tā siltumvadītspēja ir ļoti laba. Pētījuma sākumposmā Si₃N₄ telpas temperatūras -temperatūras siltumvadītspēja bija 20–70 W/(m·K), kas ir daudz zemāka nekā AlN un SiC, tāpēc tās siltuma veiktspēja nepievērsa lielu uzmanību. 1995. gadā šī uztvere mainījās. Zinātnieks Hagertijs, izmantojot klasisko cietvielu transportēšanas teoriju, aprēķināja, ka Si₃N₄ zemā siltumvadītspēja galvenokārt ir saistīta ar režģa defektiem un piemaisījumiem, un paredzēja, ka tā teorētiskais maksimums varētu sasniegt 320 W/(m·K). Pateicoties kopīgiem centieniem pētniecībā un rūpniecībā, silīcija nitrīda keramikas siltumvadītspēja tagad ir pārsniegusi 177 W/(m·K). Salīdzinājumā ar tradicionālajiem sveķu substrātiem, kuru siltumvadītspēja ir mazāka par 1 W/(m·K), šī ir spēle{13}}mainīt.
Otrkārt, silīcija nitrīdam ir zems termiskās izplešanās koeficients (CTE) tikai aptuveni 3,2 × 10⁻⁶/grādi, kas ir aptuveni viena -trešdaļa no Al₂O3. CPO iepakojumos ir vairāku materiālu-silīcija mikroshēmas, III-V salikto pusvadītāju mikroshēmas (piemēram, InP lāzeri)-katra ar dažādiem CTE. Kad lokāls siltuma pārspriegums, CTE saskaņošana tieši nosaka lodēšanas savienojuma kalpošanas laiku termiskā cikla laikā. Silīcija nitrīda CTE ir ļoti tuvs materiāliem, kuru pamatā ir silīcija -, tāpēc, izmantojot to kā substrātu, termisko ciklu laikā var ievērojami samazināt deformācijas neatbilstību starp dažādiem materiāliem.
Treškārt, silīcija nitrīda mehāniskās īpašības ir izcilas. Tā elastības modulis ir 320 GPa, un tā lieces izturība ir 920 MPa. Šāda izcila mehāniskā veiktspēja nozīmē, ka substrātu var padarīt plānāku -silīcija nitrīdu var samazināt līdz 0,32 mm vai pat 0,25 mm, savukārt alumīnija nitrīdam trausluma dēļ jāsaglabā 0,62 mm. Plānāks substrāts novērš siltumvadītspējas spraugu: lai gan AlN ir augstāka siltumvadītspēja nekā Si₃N4, ultra-plānā silīcija nitrīda kopējā termiskā pretestība būtībā ir līdzvērtīga biezāka AlN siltumvadītspējai. Turklāt silīcija nitrīdam ir lielāka kopējā stingrība, samazinot malu šķelšanos un lūzumu rūpnieciskās sērijveida ražošanas laikā, tādējādi uzlabojot ražošanas ražu.
Izmaksu ziņā silīcija nitrīds ir ievērojami dārgāks nekā alumīnija oksīds, bet tikai aptuveni 60% no alumīnija nitrīda cenas. Apvienojumā ar TFC (plānas-plēves keramikas) integrētajiem moduļiem, kas izveidoti ar vienpakāpju-ko-saķepināšanu, kopējās ražošanas izmaksas var ievērojami samazināt.
Tāpēc nozares pārstāvji norāda, ka visā optisko sakaru nozares ķēdē un CPO integrētajā iepakojuma nišā silīcija nitrīds ir galvenais substrāta materiāls, kas vislabāk atbilst nākotnes tehnoloģiju tendencēm, un kopējā piemērotība ievērojami pārsniedz alumīnija nitrīda piemērotību.
Silīcija nitrīda optiskais viļņvads{0}}CPO "Optiskā signāla lielceļš"
Atšķirībā no tā makroskopiskās lomas kā iepakojuma substrātam, silīcija nitrīda cita galvenā loma CPO ir kā optiskā viļņvada materiāls fotoniskajā mikroshēmā, kas ir atbildīgs par optiskā signāla pārraidi, maršrutēšanu, sadalīšanu, apvienošanu un citām galvenajām funkcijām.
Šī lietojumprogramma atspoguļo visbūtiskāko silīcija nitrīda optisko vērtību CPO. To galvenokārt izmanto, lai izgatavotu uz-mikroshēmu optiskos viļņvadus, mikrogredzenu rezonatorus, optisko frekvenču ķemmes, viļņu garuma-dalīšanas multipleksorus, polarizācijas staru sadalītājus, režģa savienotājus un visas citas pasīvās optiskās ierīces, kas veido pilnu optisko tīklu CPO optiskajā dzinējā signālu izplatīšanai, pārraidei, filtrēšanai/timulleksēšanai un daudzkārtējai multipleksēšanai. Tas bieži ir hibrīds-integrēts ar InP aktīvajām mikroshēmām un ir kļuvis par standarta tehnoloģiju ceļvedi NVIDIA nākamās-paaudzes 3.2T CPO optiskajiem moduļiem.
Kāpēc silīcija nitrīds silīcija vietā? Silīcija nitrīda laušanas koeficients ir aptuveni 1,98, kas nodrošina optiskā lauka ierobežojumu starp Si viļņvadiem (≈3,4) un silīcija dioksīda apšuvumu (≈1,44), padarot to par vienu no daudzsološākajiem materiāliem malu savienotāju projektēšanai ar augstu indeksa kontrastu un mazu šķērsgriezumu. Vēl svarīgāk ir tas, ka CPO lielas -jaudas scenārijos silīcija viļņvadi cieš no divu-fotonu absorbcijas un var izdegt, turpretim silīcija nitrīdam ir plaša joslas atstarpe, un tas nav saistīts ar šo problēmu, tāpēc tas ir ideāls risinājums lielas-jaudas optisko signālu pārraidīšanai.
Turklāt silīcija nitrīda optiskā viļņvada procesa saderība paver neviendabīgas integrācijas iespējas. Silīcija nitrīda plānās -kārtiņas nogulsnēšanas procesi (LPCVD/PECVD/magnetrona izsmidzināšana) ir nobrieduši un saderīgi ar CMOS{2}}. Izmantojot zemas -temperatūras PECVD nogulsnēšanos procesa temperatūrā, kas zemāka par 400 grādiem, tā nesabojā priekšpuses-CMOS mikroshēmas vai III-V aktīvās mikroshēmas, ļaujot monolīti integrēt tieši uz plāksnēm, kas ir ļoti saderīgas ar TSMC COUPE silīcija-fotonikas CPO procesa platformu.
Rezumējot, silīcija nitrīda optiskajiem viļņvadiem CPO ir divējāda loma kā -mikroshēmas optiskās pārraides "supermaģistrālei" un kā "tiltam" šķiedru-uz{2}}optiskajam savienojumam, padarot tos par galveno funkcionālo materiālu augstas veiktspējas fotonisko integrēto shēmu izveidei.
Pašreizējais tehnoloģiju un industrializācijas stāvoklis
Silīcija nitrīda substrāti:
CETC (Ķīnas elektronikas tehnoloģiju grupas korporācija) ir skaidri paziņojusi, ka tās CPO keramikas substrāti atrodas pēdējā pētniecības un izstrādes sprinta fāzē un sagaidāms, ka tie sasniegs masveida ražošanu trīs gadu laikā. Fude Technology TFC plānās -plēves keramikas substrāta izstrādājumi ar augstu virsmas līdzenumu un CTE saskaņošanu ar mikroshēmām ir pozicionēti kā "viena no ideālajām nesēja platformām CPO iepakojumam". Sinocera Materials savos investoru attiecību ierakstos atklāja, ka tā meitasuzņēmumam Sinocera Saichuang ir tehniskās rezerves optisko moduļu keramikas substrātiem.
Silīcija nitrīda optiskie viļņvadi:
Ārzemēs uzņēmums Solindes Photonics ir laidis klajā silīcija nitrīda mikro{0}}ķemmes gaismas avotu, kas pielāgots CPO ar vienu ierīci, kas spēj izvadīt 28 viļņu garuma kanālus un optiskās konversijas efektivitāti 60%. 2026. gada ISSCC izstādē TSMC prezentēja savu silīcija-fotonikas CPO platformu, pieņemot silīcija nitrīda viļņvadus kā standarta pasīvo optisko viļņvadu risinājumu. Vietējās fotoniskās lietuves jau ir pabeigušas PDK izstrādi pasīvajai silīcija nitrīda fotonikai un pakāpeniski ievieš paraugus 800G un 1,6T CPO verifikācijai.