ด้วยการปรับใช้โมเดล AI ขนาดใหญ่-ในวงกว้างและความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของการประมวลผลประสิทธิภาพสูง- การเชื่อมต่อระหว่างทองแดงแบบดั้งเดิมกำลังเผชิญกับ "ปัญหาคอขวดในการสื่อสาร" และ "กำแพงพลังงาน" อย่างรุนแรง สาระสำคัญของโค-แพ็คเกจออปติก (CPO) คือการนำสวิตช์ ASIC, ชิปโฟโตนิกซิลิคอน, เลเซอร์ และอาร์เรย์ไฟเบอร์กลับมาไว้บนซับสเตรตของบรรจุภัณฑ์เดียว ระยะการส่งสัญญาณไฟฟ้าสั้นลงอย่างมากจาก "สเกลเซนติเมตร" เป็น "สเกลมิลลิเมตร" ซึ่งลดความยาวการเชื่อมต่อไฟฟ้าลงอย่างมากและลดการใช้พลังงานลง 30%–50% ทำให้เป็นเส้นทางสำคัญในการฝ่าฟันปัญหาคอขวดเหล่านี้
เห็นได้ชัดว่าเมื่อเครื่องยนต์แบบออปติคัลไม่ได้ "เสียบ" เข้ากับแผงด้านหน้าของสวิตช์อีกต่อไป แต่ "อยู่ร่วมกัน" กับชิปประมวลผลแทน ระบบจะมีความซับซ้อนมากขึ้น และการเลือกใช้วัสดุกลายเป็นปัจจัยชี้ขาดว่า CPO สามารถเข้าถึงการผลิตจำนวนมากได้หรือไม่ ในการกำหนดค่าวัสดุใหม่รอบนี้ ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) มีความโดดเด่นในฐานะผู้เล่นพิเศษ-โดยมีบทบาทสำคัญสองประการที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนแต่มีความสำคัญใน CPO: บทบาทแรกเป็นซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวพาทางกายภาพและ-ฐานกระจายความร้อนสำหรับอุปกรณ์ CPO; อีกอันเป็นท่อนำคลื่นแสงซิลิคอนไนไตรด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นช่องส่งสัญญาณแสงภายในชิปโฟโตนิก
พื้นผิวเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์: ตัวพาที่ต้องการสำหรับบรรจุภัณฑ์ CPO
ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ในบรรจุภัณฑ์แบบรวมที่มีความหนาแน่นสูงของ CPO เครื่องยนต์แบบออปติคัลและชิปสวิตช์ได้รับการผสานรวมอย่างแน่นหนาภายในพื้นที่ขนาดเล็กมาก การบูรณาการระบบจะสูงขึ้น เส้นทางการเชื่อมต่อระหว่างออปโตอิเล็กทรอนิกส์จะสั้นลง และการใช้พลังงานก็น้อยลง-โดยดีทั้งหมด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีอุปกรณ์ที่มีกำลังสูง-จำนวนมากมารวมตัวกันและทำงานพร้อมกัน ความร้อนจำนวนมากจึงสะสม ข้อมูลวรรณกรรมแสดงให้เห็นว่าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 องศามักจะลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ลง 30%–50% หากความร้อนนี้ไม่สามารถกระจายออกไปได้ทันเวลา จะทำให้อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงหรือแม้กระทั่งเกิดความล้มเหลว
วัสดุพิมพ์ของบรรจุภัณฑ์เป็นส่วนประกอบในการกระจายความร้อนหลัก- ในบรรดาวัสดุแบบดั้งเดิม พื้นผิวอินทรีย์ (เช่น FR-4) มีค่าการนำความร้อนต่ำและการจับคู่ CTE ต่ำ จึงไม่เป็นไปตามข้อกำหนดการกระจายพลังงานสูงของ CPO พื้นผิวเซรามิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งพื้นผิวเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ได้กลายเป็นวัสดุพื้นผิวที่สำคัญสำหรับบรรจุภัณฑ์ CPO เนื่องจากมีความแข็งแรงสูง ค่าการนำความร้อนสูง และการจับคู่ CTE
ซิลิคอนไนไตรด์มีชัยโดยการ "ปัดเศษอย่างดี"
ประการแรก ค่าการนำความร้อนของมันดีมาก ในช่วงแรกของการวิจัย -ค่าการนำความร้อนของอุณหภูมิห้องของ Si₃N₄ อยู่ที่ 20–70 W/(m·K) ซึ่งต่ำกว่าค่าการนำความร้อนของ AlN และ SiC มาก ดังนั้นประสิทธิภาพการระบายความร้อนจึงไม่ดึงดูดความสนใจมากนัก ในปี 1995 การรับรู้นี้เปลี่ยนไป นักวิทยาศาสตร์ Haggerty ใช้ทฤษฎีการขนส่งผ่านสถานะของแข็ง-แบบคลาสสิก คำนวณว่าค่าการนำความร้อนต่ำของ Si₃N₄ มีสาเหตุหลักมาจากข้อบกพร่องของโครงตาข่ายและสิ่งเจือปน และคาดการณ์ว่าค่าสูงสุดตามทฤษฎีอาจสูงถึง 320 W/(m·K) ด้วยความพยายามร่วมกันในการวิจัยและอุตสาหกรรม ค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จึงเกินกว่า 177 W/(m·K) เมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตเรซินแบบเดิมซึ่งมีการนำความร้อนต่ำกว่า 1 W/(m·K) นี่คือตัวเปลี่ยน{13}}เกม
ประการที่สอง ซิลิคอนไนไตรด์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ต่ำเพียงประมาณ 3.2×10⁻⁶/ องศา ประมาณหนึ่ง-ของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของ Al₂O₃ บรรจุภัณฑ์ CPO ประกอบด้วยวัสดุ-ชิปซิลิคอนหลายชนิด, ชิปเซมิคอนดักเตอร์ผสม III-V (เช่น เลเซอร์ InP)- แต่ละชนิดมี CTE ที่แตกต่างกัน เมื่อความร้อนในพื้นที่เพิ่มขึ้น การจับคู่ CTE จะกำหนดอายุการใช้งานของข้อต่อบัดกรีโดยตรงภายใต้วงจรความร้อน CTE ของซิลิคอนไนไตรด์นั้นใกล้เคียงกับวัสดุที่ทำจากซิลิคอน-มาก ดังนั้นการใช้เป็นสารตั้งต้นจึงสามารถบรรเทาความเครียดที่ไม่ตรงกันระหว่างวัสดุต่างๆ ในระหว่างรอบการระบายความร้อนได้อย่างมาก
ประการที่สาม คุณสมบัติทางกลของซิลิคอนไนไตรด์มีความโดดเด่น โมดูลัสยืดหยุ่นของมันคือ 320 GPa และความต้านทานแรงดัดงอของมันคือ 920 MPa ประสิทธิภาพทางกลที่เหนือกว่าดังกล่าวหมายความว่าพื้นผิวสามารถทำให้บางลงได้-ซิลิคอนไนไตรด์สามารถลดลงเหลือ 0.32 มม. หรือ 0.25 มม. ในขณะที่อะลูมิเนียมไนไตรด์จะต้องคงไว้ที่ 0.62 มม. เนื่องจากความเปราะบาง วัสดุพิมพ์ที่บางกว่าจะปิดช่องว่างการนำความร้อน: แม้ว่า AlN จะมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า Si₃N₄ แต่ความต้านทานความร้อนโดยรวมของซิลิคอนไนไตรด์ชนิดบางพิเศษ-นั้นโดยพื้นฐานแล้วทัดเทียมกับ AlN ที่หนากว่าโดยพื้นฐานแล้ว นอกจากนี้ ซิลิคอนไนไตรด์ยังมีความแข็งแกร่งโดยรวมมากขึ้น ลดการบิ่นและการแตกหักของคมตัดในระหว่างการผลิตเป็นชุดทางอุตสาหกรรม ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตในการผลิต
ในแง่ของต้นทุน ซิลิคอนไนไตรด์มีราคาแพงกว่าอลูมินามาก แต่มีราคาเพียงประมาณ 60% ของราคาอะลูมิเนียมไนไตรด์ เมื่อใช้ร่วมกับโมดูลรวม TFC (เซรามิกฟิล์มบาง-) ที่เกิดจากการเผาผนึกร่วม-ขั้นตอนเดียว- ต้นทุนการผลิตโดยรวมจะลดลงได้อย่างมาก
ดังนั้น คนในวงการชี้ให้เห็นว่าในห่วงโซ่อุตสาหกรรมการสื่อสารด้วยแสงทั้งหมดและกลุ่มบรรจุภัณฑ์แบบรวม CPO ซิลิคอนไนไตรด์เป็นวัสดุซับสเตรตหลักที่สอดคล้องกับแนวโน้มเทคโนโลยีในอนาคตได้ดีที่สุด โดยมีความเหมาะสมโดยรวมมากกว่าอะลูมิเนียมไนไตรด์มาก
ท่อนำคลื่นแสงซิลิคอนไนไตรด์-"ซุปเปอร์ไฮเวย์สัญญาณแสง" ของ CPO
บทบาทหลักอื่นๆ ของซิลิคอนไนไตรด์ใน CPO แตกต่างจากบทบาทมหภาคในฐานะซับสเตรตสำหรับบรรจุภัณฑ์ คือการเป็นวัสดุนำคลื่นแสงภายในชิปโฟโตนิก ซึ่งรับผิดชอบในการส่งสัญญาณแสง การกำหนดเส้นทาง การแยก การรวม และฟังก์ชันหลักอื่นๆ
แอปพลิเคชันนี้แสดงค่าเชิงแสงที่สำคัญที่สุดของซิลิคอนไนไตรด์ใน CPO โดยหลักแล้วจะใช้เพื่อสร้างบน-ท่อนำคลื่นแสงแบบชิป, เครื่องสะท้อนคลื่นแบบไมโครริง, หวีความถี่แสง, มัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่น-, ตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน, ข้อต่อเกรตติ้ง และอุปกรณ์ออปติคัลแบบพาสซีฟอื่นๆ ทั้งหมด สร้างเครือข่ายออปติกที่สมบูรณ์ภายในกลไกออปติคัล CPO สำหรับการกระจายสัญญาณ การส่งผ่าน การกรอง และมัลติเพล็กซ์/ดีมัลติเพล็กซ์ มักจะเป็นแบบไฮบริด-บูรณาการเข้ากับชิปที่ใช้งาน InP และกลายเป็นแผนงานเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับโมดูลออปติคัล 3.2T CPO รุ่นถัดไปของ NVIDIA
ทำไมต้องซิลิคอนไนไตรด์แทนซิลิคอน? ซิลิคอนไนไตรด์มีดัชนีการหักเหของแสงประมาณ 1.98 ซึ่งให้การจำกัดสนามแสงระหว่างท่อนำคลื่น Si (3.4) และการหุ้มซิลิกา (1.44) ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการออกแบบตัวเชื่อมต่อขอบที่มีความเปรียบต่างของดัชนีสูงและมีส่วนตัดขวาง-ขนาดเล็ก ที่สำคัญกว่านั้น ในสถานการณ์พลังงานสูง-ของ CPO ท่อนำคลื่นซิลิคอนจะต้องทนทุกข์ทรมานจากการดูดกลืนโฟตอนสองครั้ง-และอาจเผาไหม้ได้ ในขณะที่ซิลิคอนไนไตรด์มีแถบความถี่ที่กว้างและไม่ประสบปัญหานี้ ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการส่งสัญญาณแสง-กำลังสูง
นอกจากนี้ ความเข้ากันได้ของกระบวนการท่อนำคลื่นแสงของซิลิคอนไนไตรด์ยังเปิดโอกาสในการบูรณาการที่ต่างกัน กระบวนการสะสมฟิล์มบางของซิลิคอนไนไตรด์- (LPCVD/PECVD/แมกนีตรอนสปัตเตอร์) อยู่ในสภาพสมบูรณ์และเข้ากันได้กับ CMOS- การใช้การสะสม PECVD ที่อุณหภูมิต่ำ-ที่อุณหภูมิกระบวนการต่ำกว่า 400 องศา จะไม่สร้างความเสียหายให้กับชิป front- CMOS ส่วนหน้าหรือชิปที่ใช้งาน III- V ช่วยให้สามารถบูรณาการเสาหินได้โดยตรงบนเวเฟอร์ ซึ่งเข้ากันได้สูงกับแพลตฟอร์มกระบวนการ COUPE ซิลิคอน-โฟโตนิกส์ CPO ของ TSMC
โดยสรุป ท่อนำคลื่นแสงของซิลิคอนไนไตรด์ใน CPO มีบทบาทสองประการในฐานะ-การส่งผ่านแสงแบบออปติกบนชิป "ซุปเปอร์ไฮเวย์" และเป็น "สะพาน" สำหรับไฟเบอร์-ถึง-การมีเพศสัมพันธ์แบบออปติคอลของชิป ทำให้พวกมันเป็นวัสดุหลักที่ใช้งานได้จริงสำหรับการสร้าง-วงจรรวมโฟโตนิกประสิทธิภาพสูง
สถานะปัจจุบันของเทคโนโลยีและอุตสาหกรรม
พื้นผิวซิลิคอนไนไตรด์:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) ระบุอย่างชัดเจนว่าพื้นผิวเซรามิก CPO อยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาขั้นสุดท้าย และคาดว่าจะสามารถผลิตได้เป็นจำนวนมากภายในสามปี ผลิตภัณฑ์ซับสเตรตเซรามิกแบบฟิล์มบาง-ของ Fude Technology ที่มีพื้นผิวเรียบสูงและเข้ากันได้กับ CTE กับชิป ได้รับการจัดอันดับให้เป็น "หนึ่งในแพลตฟอร์มการขนส่งในอุดมคติสำหรับบรรจุภัณฑ์ CPO" Sinocera Materials เปิดเผยในบันทึกนักลงทุนสัมพันธ์ว่า Sinocera Saichuang ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ มีการสำรองทางเทคนิคสำหรับซับสเตรตเซรามิกสำหรับโมดูลออปติก
ท่อนำคลื่นแสงซิลิคอนไนไตรด์:
ในต่างประเทศ Solindes Photonics ได้เปิดตัวแหล่งกำเนิดแสงหวีไมโคร-ซิลิคอนไนไตรด์ที่ปรับให้เหมาะกับ CPO โดยมีอุปกรณ์เดียวที่สามารถส่งสัญญาณความยาวคลื่นได้ 28 ช่องและประสิทธิภาพการแปลงแสง 60% ที่ ISSCC 2026 TSMC ได้เปิดตัวแพลตฟอร์ม CPO โฟโตนิกส์ของซิลิคอน- โดยใช้ท่อนำคลื่นซิลิคอนไนไตรด์เป็นโซลูชันท่อนำคลื่นแสงแบบพาสซีฟมาตรฐาน โรงหล่อโฟโตนิกในประเทศได้เสร็จสิ้นการพัฒนา PDK สำหรับโฟโตนิกซิลิคอนไนไตรด์แบบพาสซีฟแล้ว และกำลังทยอยแนะนำตัวอย่างสำหรับการตรวจสอบ CPO 800G และ 1.6T