Seoses tehisintellekti suurte mudelite laiaulatusliku-kasutamise ja suure jõudlusega andmetöötluse{1}}edenemisega seisavad traditsioonilised vasest ühendused silmitsi tõsiste "kommunikatsiooni kitsaskohtade" ja "jõumüüridega". Kaas-pakendatud optika (CPO) olemus seisneb selles, et lüliti ASIC, ränifotoonkiibid, laserid ja kiudmassiivid tagasi ühele pakendamisalusele. Elektriliste signaalide edastuskaugust lühendatakse drastiliselt sentimeetri skaalalt millimeetri skaalale, vähendades märkimisväärselt elektriühenduste pikkust ja vähendades energiatarbimist 30–50%, muutes selle kriitiliseks teeks nendest kitsaskohtadest läbi murdmiseks.
On selge, et kui optilised mootorid ei ole enam "ühendatud" lüliti esipaneeliga, vaid "kooseluvad" arvutuskiipidega, muutub süsteem palju keerulisemaks ja materjali valik muutub otsustavaks teguriks, kas CPO jõuab masstootmiseni. Selles materjali ümberkonfigureerimise voorus paistab räninitriid (Si₃N₄) silma kui eriline mängija-see mängib CPO-s kaht selgelt erinevat, kuid siiski olulist rolli: üks on räninitriidkeraamiline substraat, mis toimib CPO-seadmete füüsilise kandja ja soojuse{2}}hajutamise alusena; teine on räninitriidi optiline lainejuht, mis toimib fotoonilise kiibi sees optilise signaali edastuskanalina.
Silikoonnitriidkeraamiline substraat: eelistatud kandja CPO pakendamiseks
Nagu eespool mainitud, on CPO suure{0}tihedusega integreeritud pakendis optilised mootorid ja lülitikiibid tihedalt integreeritud äärmiselt väikesesse ruumi. Süsteemi integreeritus on suurem, optoelektrooniliste ühenduste teed lühemad ja energiatarve väiksem-kõik hea. Kui aga nii palju suure võimsusega-seadmeid on kokku pandud ja töötavad samaaegselt, koguneb suur hulk soojust. Kirjanduse andmed näitavad, et elektroonikaseadmete puhul vähendab iga 10 kraadine temperatuuritõus tavaliselt seadme efektiivset eluiga 30–50%. Kui seda soojust ei suudeta õigel ajal hajutada, põhjustab see ristmiku temperatuuri kiiret tõusu, mis toob kaasa jõudluse halvenemise või isegi rikke.
Pakendi substraat on peamine soojust{0}}hajutav komponent. Traditsiooniliste materjalide hulgas on orgaanilistel substraatidel (nagu FR-4) madal soojusjuhtivus ja halb CTE sobivus, mis ei vasta CPO suure võimsuse hajumise nõuetele. Keraamilised aluspinnad, eriti räninitriidkeraamilised aluspinnad, on saanud CPO pakendamise peamiseks substraadimaterjaliks tänu nende suurele tugevusele, kõrgele soojusjuhtivusele ja CTE-sobivusele.
Räninitriid võidab, kui on "hästi{0}}ümardatud".
Esiteks on selle soojusjuhtivus märkimisväärselt hea. Uurimise algstaadiumis oli Si₃N₄ ruumitemperatuuri -soojusjuhtivus 20–70 W/(m·K), mis on palju madalam AlN-i ja SiC omast, nii et selle soojusjuhtivus ei äratanud erilist tähelepanu. 1995. aastal see arusaam muutus. Teadlane Haggerty arvutas klassikalise tahkis{7}}transpordi teooria abil välja, et Si₃N₄ madal soojusjuhtivus tuleneb peamiselt võre defektidest ja lisanditest, ning ennustas, et selle teoreetiline maksimum võib ulatuda 320 W/(m·K). Tänu ühistele jõupingutustele teadusuuringutes ja tööstuses on räninitriidkeraamika soojusjuhtivus nüüdseks ületanud 177 W/(m·K). Võrreldes traditsiooniliste vaigust substraatidega, mille soojusjuhtivus on alla 1 W/(m·K), on see mängu{13}}muutja.
Teiseks on räninitriidi madal soojuspaisumise koefitsient (CTE) vaid umbes 3,2 × 10⁻⁶ kraadi kohta, mis on ligikaudu üks -kolmandik Al₂O3 omast. CPO pakendid sisaldavad mitmest materjalist -ränikiipe, III-V liitpooljuhtkiipe (nt InP laserid)-, millest igaüks on erineva CTE-ga. Kohaliku kuumuse tõusude korral määrab CTE sobitamine otseselt jooteühenduse eluea termilise tsükli korral. Räninitriidi CTE on väga lähedane räni-põhiste materjalide omale, nii et selle kasutamine substraadina võib oluliselt leevendada erinevate materjalide deformatsiooni mittevastavust termiliste tsüklite ajal.
Kolmandaks on räninitriidi mehaanilised omadused silmapaistvad. Selle elastsusmoodul on 320 GPa ja paindetugevus 920 MPa. Selline suurepärane mehaaniline jõudlus tähendab, et substraadi saab õhemaks muuta -ränitriidi saab vähendada 0,32 mm või isegi 0,25 mm-ni, samas kui alumiiniumnitriidi tuleb rabeduse tõttu hoida 0,62 mm juures. Õhem substraat sulgeb soojusjuhtivuse lünga: kuigi AlN-l on kõrgem soojusjuhtivus kui Si₃N4, on üliõhukese räninitriidi üldine soojustakistus põhimõtteliselt võrdne paksema AlN omaga. Lisaks on räninitriidil suurem üldine sitkus, mis vähendab servade lõhenemist ja purunemist tööstusliku partii tootmisel, parandades seega tootmist.
Räninitriid on kulude poolest tunduvalt kallim kui alumiiniumoksiid, kuid ainult umbes 60% alumiiniumnitriidi hinnast. Koos TFC (õhuke{2}}kilekeraamika) integreeritud moodulitega, mis on moodustatud ühe-etapilise koos-paagutamise teel, saab tootmiskulusid oluliselt vähendada.
Seetõttu juhivad tööstusharu asjatundjad tähelepanu sellele, et kogu optilise side tööstuse ketis ja CPO integreeritud pakendinišis on räninitriid põhisubstraadi materjal, mis sobib kõige paremini tulevaste tehnoloogiasuundadega, kusjuures üldine sobivus ületab palju alumiiniumnitriidi oma.
Silicon Nitride Optical Waveguide{0}}CPO "Optical Signal Superhighway"
Erinevalt oma makroskoopilisest rollist pakendamissubstraadina on räninitriidi teine põhiroll CPO-s optilise lainejuhi materjalina fotoonilise kiibi sees, mis vastutab optilise signaali edastamise, marsruutimise, jagamise, kombineerimise ja muude põhifunktsioonide eest.
See rakendus esindab räninitriidi kõige olulisemat optilist väärtust CPO-s. Seda kasutatakse peamiselt -kiibil olevate optiliste lainejuhtide, mikrorõngasresonaatorite, optiliste sageduskammide, lainepikkuste{2}}jaotusmultiplekserite, polarisatsioonikiire jaoturite, võreühenduste ja kõigi muude passiivsete optiliste seadmete valmistamiseks, mis moodustavad CPO optilise mootori sees täieliku optilise võrgu signaali jaotamiseks, edastamiseks, filtreerimiseks/multipleksimiseks ja multipleksimiseks. See on sageli hübriid-integreeritud InP aktiivsete kiipidega ja sellest on saanud NVIDIA järgmise-põlvkonna 3.2T CPO optiliste moodulite standardne tehnoloogiline tegevuskava.
Miks räninitriid räni asemel? Räninitriidi murdumisnäitaja on umbes 1,98, mis tagab optilise välja piiramise Si-lainejuhtide (≈3,4) ja ränidioksiidi kattekihi (≈1,44) vahel, muutes selle üheks kõige lootustandvamaks materjaliks suure indeksiga kontrasti ja väikese ristlõikega servaühenduste kujundamiseks. Veelgi olulisem on see, et CPO suure võimsusega-stsenaariumide korral kannatavad ränilainejuhid kahe-fotoni neeldumise all ja võivad läbi põleda, samas kui räninitriidil on lai ribalaius ja see ei kannata seda probleemi, mistõttu on see ideaalne valik suure võimsusega-optiliste signaalide edastamiseks.
Lisaks avab räninitriidi optilise lainejuhi protsessi ühilduvus heterogeensed integreerimisvõimalused. Räninitriidi õhukese-kile sadestamise protsessid (LPCVD/PECVD/magnetroni pihustamine) on küpsed ja ühilduvad CMOS-ga. Madala -temperatuuri PECVD-sadestamise kasutamine protsessitemperatuuridel alla 400 kraadi ei kahjusta esi-otsa CMOS-kiipe ega III-V aktiivseid kiipe, võimaldades monoliitset integreerimist otse vahvlitele, mis on väga ühilduv TSMC COUPE räni{8}}fotoonika CPO protsessiplatvormiga.
Kokkuvõttes mängivad CPO-s olevad räninitriid-optilised lainejuhid kahekordset rolli kui -kiibil oleva optilise ülekande "superkiire" ja "sillana" kiud---optilise sidestuse jaoks, muutes need põhifunktsionaalseks materjaliks suure jõudlusega-fotooniliste integraallülituste ehitamisel.
Tehnoloogia ja industrialiseerimise hetkeseis
Räninitriidsubstraadid:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) on sõnaselgelt teatanud, et tema CPO keraamilised substraadid on viimases uurimis- ja arendustegevuse sprindifaasis ning peaksid masstootmiseni jõudma kolme aasta jooksul. Fude Technology õhukese{1}}kile keraamilise substraadiga TFC tooted, mille pind on väga tasane ja CTE sobib laastudega, on "üheks ideaalseks kandeplatvormiks CPO pakendamiseks". Sinocera Materials avalikustas oma investorsuhete dokumentides, et tema tütarettevõttel Sinocera Saichuangil on tehnilisi reserve optiliste moodulite keraamiliste substraatide jaoks.
Räninitriidi optilised lainejuhid:
Solindes Photonics on välismaal turule toonud CPO jaoks kohandatud räninitriidmikro{0}}kammvalgusallika, millel on üks seade, mis suudab väljastada 28 lainepikkuse kanalit ja mille optilise muundamise efektiivsus on 60%. TSMC esitles ISSCC 2026. aastal oma räni -fotoonika CPO platvormi, võttes standardse passiivse optilise lainejuhi lahendusena kasutusele räninitriidlainejuhid. Kodumaised fotoonilise valukojad on juba lõpetanud passiivse räninitriidi fotoonika PDK arendamise ja võtavad järk-järgult kasutusele proove 800G ja 1,6T CPO kontrollimiseks.