Tekoälyn suurten mallien laajamittaisen-käytön ja tehokkaan-laskennan jatkuvan kehittymisen myötä perinteiset kupariliitännät kohtaavat vakavia "viestinnän pullonkauloja" ja "voimamuureja". Co-packed optics (CPO) ydin on tuoda kytkimen ASIC, piifotonisirut, laserit ja kuituryhmät takaisin yhdelle pakkaussubstraatille. Sähköisten signaalien lähetysetäisyys lyhenee huomattavasti "senttiasteikosta" "millimetriasteikkoon", mikä vähentää merkittävästi sähköliitäntöjen pituutta ja vähentää virrankulutusta 30–50 %, mikä tekee siitä kriittisen polun näiden pullonkaulojen murtamiseen.
On selvää, että kun optisia moottoreita ei enää "kytketä" kytkimen etupaneeliin, vaan sen sijaan "asuvat yhdessä" laskentasirujen kanssa, järjestelmästä tulee paljon monimutkaisempi ja materiaalin valinnasta tulee ratkaiseva tekijä, voiko CPO päästä massatuotantoon. Tässä materiaalin uudelleenkonfigurointikierroksessa piinitridi (Si₃N₄) erottuu erityisenä toimijana,{1}}sillä on kaksi selvästi erilaista, mutta silti tärkeää roolia CPO:ssa: toinen piinitridikeraaminen alusta, joka toimii fyysisenä kantajana ja lämmön{2}}poistopohjana CPO-laitteille; toinen piinitridi-optisena aaltoputkena, joka toimii optisena signaalin siirtokanavana fotonisirun sisällä.
Keraaminen piinitridi-substraatti: CPO-pakkausten ensisijainen kantaja
Kuten edellä mainittiin, suuren{0}}tiheyden integroidussa CPO-pakkauksessa optiset moottorit ja kytkinsirut on integroitu tiiviisti erittäin pieneen tilaan. Järjestelmäintegraatio on korkeampi, optoelektroniset liitäntäreitit lyhyempiä ja virrankulutus alhaisempi-kaikki hyvä. Kuitenkin, kun niin monta-tehokasta laitetta on pakattu yhteen ja jotka toimivat samanaikaisesti, kerääntyy suuri määrä lämpöä. Kirjallisuustiedot osoittavat, että elektroniikkalaitteissa jokainen 10 asteen lämpötilan nousu tyypillisesti lyhentää laitteen tehollista käyttöikää 30–50 %. Jos tätä lämpöä ei voida hajottaa ajoissa, se aiheuttaa liitoslämpötilan nopean nousun, mikä johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen tai jopa epäonnistumiseen.
Pakkausalusta on ensisijainen lämpöä{0}}haihduttava komponentti. Perinteisistä materiaaleista orgaanisilla substraateilla (kuten FR-4) on alhainen lämmönjohtavuus ja huono CTE-sovitus, mikä ei täytä CPO:n korkean tehonhäviön vaatimuksia. Keraamisista substraateista, erityisesti piinitridikeraamisista substraateista, on tullut keskeinen substraattimateriaali CPO-pakkauksissa niiden korkean lujuuden, korkean lämmönjohtavuuden ja CTE-sovituksen vuoksi.
Piinitridi voittaa olemalla "hyvin{0}}pyöristetty".
Ensinnäkin sen lämmönjohtavuus on huomattavan hyvä. Tutkimuksen alkuvaiheessa Si₃N4:n huoneenlämpö{1}}lämpöjohtavuus oli 20–70 W/(m·K), paljon pienempi kuin AlN:n ja SiC:n, joten sen lämpötehokkuus ei herättänyt paljon huomiota. Vuonna 1995 tämä käsitys muuttui. Tiedemies Haggerty laski klassisen solid-state-kuljetusteorian avulla, että Si3N4:n alhainen lämmönjohtavuus johtuu pääasiassa hilavirheistä ja epäpuhtauksista, ja ennusti sen teoreettisen maksimiarvon saavuttavan 320 W/(m·K). Tutkimuksen ja teollisuuden yhteisten ponnistelujen ansiosta piinitridikeramiikan lämmönjohtavuus on nyt ylittänyt 177 W/(m·K). Verrattuna perinteisiin hartsisubstraatteihin, joiden lämmönjohtavuus on alle 1 W/(m·K), tämä on peli{13}}muuttaja.
Toiseksi piinitridillä on alhainen lämpölaajenemiskerroin (CTE) vain noin 3,2 × 10⁻⁶/aste, joka on noin -kolmasosa Al2O3:sta. CPO-paketit sisältävät useita materiaaleja-piisiruja, III-V-yhdistepuolijohdesiruja (kuten InP-lasereita)-joissakin eri CTE:illä. Kun paikalliset lämpöpiikit, CTE-sovitus määrittää suoraan juotosliitoksen käyttöiän lämpökierron aikana. Piinitridin CTE on hyvin lähellä pii-pohjaisten materiaalien vastaavaa, joten sen käyttö substraattina voi suuresti lieventää eri materiaalien välistä jännityseroja lämpösyklien aikana.
Kolmanneksi piinitridin mekaaniset ominaisuudet ovat erinomaiset. Sen kimmomoduuli on 320 GPa ja taivutuslujuus 920 MPa. Tällainen ylivoimainen mekaaninen suorituskyky tarkoittaa, että alustaa voidaan ohentaa -piinitridi voidaan pienentää 0,32 mm:iin tai jopa 0,25 mm:iin, kun taas alumiininitridi haurauden vuoksi on pidettävä 0,62 mm:ssä. Ohuempi substraatti sulkee lämmönjohtavuusraon: vaikka AlN:llä on korkeampi lämmönjohtavuus kuin Si3N4:llä, ultra-ohuen piinitridin kokonaislämpövastus on olennaisesti sama kuin paksumman AlN:n. Lisäksi piinitridillä on suurempi yleinen sitkeys, mikä vähentää reunojen halkeilua ja murtumista teollisen erätuotannon aikana, mikä parantaa valmistuksen saantoa.
Kustannusten suhteen piinitridi on huomattavasti kalliimpaa kuin alumiinioksidi, mutta vain noin 60 % alumiininitridin hinnasta. Yhdessä TFC (ohut{2}}kalvokeraamiset) integroidut moduulit, jotka on muodostettu yksivaiheisella-ko-sintrauksella, kokonaistuotantokustannuksia voidaan vähentää merkittävästi.
Siksi alan sisäpiiriläiset huomauttavat, että koko optisen viestinnän teollisuuden ketjussa ja CPO:n integroidussa pakkausrakenteessa piinitridi on ydinsubstraattimateriaali, joka sopii parhaiten tulevaisuuden teknologiatrendeihin, ja kokonaissoveltuvuus ylittää huomattavasti alumiininitridin.
Silicon Nitride Optical Waveguide{0}}CPO:n "Optical Signal Superhighway"
Toisin kuin sen makroskooppinen rooli pakkaussubstraattina, piinitridin toinen ydinrooli CPO:ssa on optisena aaltoputkimateriaalina fotonisen sirun sisällä, joka vastaa optisen signaalin siirrosta, reitityksestä, jakamisesta, yhdistämisestä ja muista avaintoiminnoista.
Tämä sovellus edustaa piinitridin tärkeintä optista arvoa CPO:ssa. Sitä käytetään ensisijaisesti -optisten aaltoputkien, mikrorengasresonaattoreiden, optisten taajuuskampojen, aallonpituus-jakokanavoimien, polarisaatiosäteen jakajien, hilaliittimien ja kaikkien muiden passiivisten optisten laitteiden valmistukseen, jotka muodostavat täydellisen optisen verkon CPO-optisen moottorin sisällä signaalin jakelua, siirtoa, suodatusta ja multipleksointia varten. Se on usein hybridi-integroitu aktiivisten InP-sirujen kanssa, ja siitä on tullut NVIDIA:n seuraavan-sukupolven 3.2T CPO-optisten moduulien vakioteknologian etenemissuunnitelma.
Miksi piinitridi piin sijaan? Piinitridin taitekerroin on noin 1,98, mikä tarjoaa optisen kentän rajauksen Si-aaltojohtojen (≈3,4) ja piidioksidiverhouksen (≈1,44) välille, mikä tekee siitä yhden lupaavimpia materiaaleja suunnitellessa reunaliittimiä, joilla on korkea indeksin kontrasti ja pieni poikkileikkaus. Vielä tärkeämpää on, että CPO:n suuritehoisissa-skenaarioissa piiaaltoputket kärsivät kahden-fotonin absorptiosta ja voivat palaa loppuun, kun taas piinitridillä on laaja kaistaväli, eikä se kärsi tästä ongelmasta, joten se on ihanteellinen valinta suuritehoisten optisten signaalien lähettämiseen.
Lisäksi piinitridi optisen aaltoputkiprosessin yhteensopivuus avaa heterogeenisiä integraatiomahdollisuuksia. Piinitridiohut{1}}kalvopinnoitusprosessit (LPCVD/PECVD/magnetronisputterointi) ovat kypsiä ja CMOS{2}}yhteensopivia. Matalan -lämpötilojen PECVD-pinnoitus alle 400 asteen prosessilämpötiloissa ei vahingoita etupään CMOS-siruja tai III-V-aktiivisia siruja, mikä mahdollistaa monoliittisen integroinnin suoraan kiekoille, mikä on erittäin yhteensopiva TSMC:n COUPE-pii-fotoniikka-CPO-prosessialustan kanssa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että piinitridi-optisilla aaltoputkilla CPO:ssa on kaksoisrooli sirulla olevan optisen lähetyksen "supervaltatienä" ja "siltana" kuitu---optiselle kytkimelle, mikä tekee niistä keskeisen toiminnallisen materiaalin tehokkaiden-fotoniisten integroitujen piirien rakentamisessa.
Teknologian ja teollistumisen nykytila
Piinitridi-substraatit:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) on nimenomaisesti todennut, että sen keraamiset CPO-substraatit ovat viimeisessä T&K-sprinttivaiheessa ja niiden odotetaan saavuttavan massatuotannon kolmen vuoden sisällä. Fude Technologyn TFC-ohut{1}}kalvokeraamiset substraattituotteet, joilla on korkea pinnan tasaisuus ja CTE-sovitus lastujen kanssa, on sijoitettu "yhdeksi ihanteellisista kantoalustoista CPO-pakkauksille". Sinocera Materials ilmoitti sijoittajasuhdetiedoissaan, että sen tytäryhtiöllä Sinocera Saichuangilla on teknisiä varoja optisten moduulien keraamisiin substraatteihin.
Optiset piinitridiaaltoputket:
Ulkomailla Solindes Photonics on tuonut markkinoille piinitridimikro-kampavalolähteen, joka on mukautettu CPO:lle ja jolla on yksi laite, joka pystyy tuottamaan 28 aallonpituuskanavaa ja jonka optinen muunnosteho on 60 %. TSMC esitteli ISSCC 2026:ssa pii-fotoniikka-CPO-alustansa, jossa piinitridiaaltoputket on otettu käyttöön passiivisena optisena aaltoputkiratkaisuna. Kotimaiset fotonivalimot ovat jo saaneet päätökseen PDK-kehityksen passiivista piinitridifotoniikkaa varten ja ottavat vähitellen käyttöön näytteitä 800G ja 1.6T CPO-todentamista varten.