Dengan-penyediaan skala besar model besar AI dan kemajuan berterusan-pengkomputeran berprestasi tinggi, sambung tembaga tradisional menghadapi "kesesakan komunikasi" dan "dinding kuasa" yang teruk. Intipati optik berpakej bersama (CPO) adalah untuk membawa suis ASIC, cip fotonik silikon, laser dan tatasusunan gentian kembali ke substrat pembungkusan tunggal. Jarak penghantaran isyarat elektrik dipendekkan secara drastik daripada "skala sentimeter" kepada "skala milimeter," dengan ketara mengurangkan panjang sambung elektrik dan mengurangkan penggunaan kuasa sebanyak 30%–50%, menjadikannya laluan kritikal untuk menerobos kesesakan ini.
Jelas sekali, apabila enjin optik tidak lagi "dipalamkan" ke panel hadapan suis tetapi sebaliknya "berkediaman" dengan cip pengiraan, sistem menjadi jauh lebih kompleks, dan pemilihan bahan menjadi faktor penentu sama ada MSM boleh mencapai pengeluaran besar-besaran. Dalam pusingan konfigurasi semula bahan ini, silikon nitrida (Si₃N₄) menonjol sebagai pemain istimewa-ia memainkan dua peranan yang berbeza namun kritikal dalam MSM: satu, sebagai substrat seramik silikon nitrida, berfungsi sebagai pembawa fizikal dan haba-asas pelesapan untuk peranti MSM; yang lain, sebagai pandu gelombang optik nitrida silikon, berfungsi sebagai saluran penghantaran isyarat optik di dalam cip fotonik.
Substrat Seramik Silikon Nitrida: Pembawa Pilihan untuk Pembungkusan MSM
Seperti yang dinyatakan di atas, dalam-pembungkusan bersepadu berketumpatan tinggi MSM, enjin optik dan cip suis disepadukan rapat dalam ruang yang sangat kecil. Penyepaduan sistem lebih tinggi, laluan antara sambungan optoelektronik lebih pendek dan penggunaan kuasa lebih rendah-semuanya baik. Walau bagaimanapun, dengan begitu banyak peranti kuasa tinggi-yang dibungkus bersama dan beroperasi serentak, sejumlah besar haba terkumpul. Data literatur menunjukkan bahawa untuk peranti elektronik, setiap kenaikan suhu 10 darjah biasanya mengurangkan hayat peranti berkesan sebanyak 30%–50%. Jika haba ini tidak dapat dilesapkan dalam masa, ia akan menyebabkan suhu simpang meningkat dengan cepat, membawa kepada kemerosotan prestasi atau kegagalan.
Substrat pembungkusan ialah komponen-penyelesapan utama. Antara bahan tradisional, substrat organik (seperti FR-4) mempunyai kekonduksian terma yang rendah dan padanan CTE yang lemah, gagal memenuhi keperluan pelesapan kuasa tinggi CPO. Substrat seramik, terutamanya substrat seramik silikon nitrida, telah menjadi bahan substrat utama untuk pembungkusan MSM kerana kekuatannya yang tinggi, kekonduksian terma yang tinggi dan padanan CTE.
Silikon nitrida menang dengan menjadi "bulat-baik".
Pertama, kekonduksian termanya sangat baik. Pada peringkat awal penyelidikan, kekonduksian terma suhu bilik-Si₃N₄ ialah 20–70 W/(m·K), jauh lebih rendah daripada AlN dan SiC, jadi prestasi termanya tidak menarik perhatian. Pada tahun 1995, persepsi ini berubah. Saintis Haggerty, melalui teori pengangkutan keadaan pepejal klasik-, mengira bahawa kekonduksian terma rendah Si₃N₄ disebabkan terutamanya oleh kecacatan kekisi dan kekotoran, dan meramalkan maksimum teorinya boleh mencapai 320 W/(m·K). Terima kasih kepada usaha bersama dalam penyelidikan dan industri, kekonduksian terma seramik silikon nitrida kini telah melepasi 177 W/(m·K). Berbanding dengan substrat resin tradisional, yang mempunyai kekonduksian terma di bawah 1 W/(m·K), ini ialah{13}penukar permainan.
Kedua, silikon nitrida mempunyai pekali pengembangan terma (CTE) yang rendah hanya kira-kira 3.2×10⁻⁶/ darjah , kira-kira satu-pertiga daripada Al₂O₃. Pakej CPO mengandungi berbilang bahan-cip silikon, III-cip semikonduktor kompaun V (seperti laser InP)-setiap satu dengan CTE yang berbeza. Apabila lonjakan haba tempatan, padanan CTE secara langsung menentukan hayat sambungan pateri di bawah kitaran haba. CTE silikon nitrida sangat hampir dengan bahan berasaskan silikon-, jadi menggunakannya sebagai substrat boleh mengurangkan ketidakpadanan terikan antara bahan yang berbeza semasa kitaran haba.
Ketiga, sifat mekanikal silikon nitrida adalah luar biasa. Modulus keanjalannya ialah 320 GPa, dan kekuatan lenturnya ialah 920 MPa. Prestasi mekanikal yang unggul sedemikian bermakna substrat boleh dibuat lebih nipis-silikon nitrida boleh dikurangkan kepada 0.32 mm atau malah 0.25 mm, manakala aluminium nitrida, disebabkan kerapuhan, mesti dikekalkan pada 0.62 mm. Substrat yang lebih nipis menutup jurang kekonduksian terma: walaupun AlN mempunyai kekonduksian terma yang lebih tinggi daripada Si₃N₄, rintangan haba keseluruhan bagi ultra-nitrida silikon nipis pada asasnya adalah setanding dengan AlN yang lebih tebal. Selain itu, silikon nitrida mempunyai keliatan keseluruhan yang lebih besar, mengurangkan cipratan tepi dan pecah semasa pengeluaran kelompok industri, sekali gus meningkatkan hasil pembuatan.
Dari segi kos, silikon nitrida jauh lebih mahal daripada alumina tetapi hanya kira-kira 60% harga aluminium nitrida. Digabungkan dengan modul bersepadu TFC (-filem seramik) yang dibentuk oleh pensinteran-satu langkah-, kos pengeluaran keseluruhan boleh dikurangkan dengan ketara.
Oleh itu, orang dalam industri menegaskan bahawa dalam keseluruhan rantaian industri komunikasi optik dan niche pembungkusan bersepadu MSM, nitrida silikon ialah bahan substrat teras yang paling sesuai dengan aliran teknologi masa hadapan, dengan kesesuaian keseluruhan jauh melebihi aluminium nitrida.
Pandu Gelombang Optik Silicon Nitride-"Lebuh Raya Isyarat Optik" MSM
Tidak seperti peranan makroskopiknya sebagai substrat pembungkusan, peranan teras silikon nitrida lain dalam MSM ialah sebagai bahan pandu gelombang optik di dalam cip fotonik, bertanggungjawab untuk penghantaran isyarat optik, penghalaan, pemisahan, penggabungan dan fungsi utama lain.
Aplikasi ini mewakili nilai optik paling penting bagi silikon nitrida dalam MSM. Ia digunakan terutamanya untuk mengarang pada-pandu gelombang optik cip, resonator gelang mikro, sikat frekuensi optik, pemultipleks pembahagian panjang gelombang-, pembahagi rasuk polarisasi, pengganding parut dan semua peranti optik pasif yang lain, membentuk rangkaian optik lengkap di dalam enjin optik CPO untuk pengedaran isyarat, penghantaran, penapisan dan pemultipleksan/demultiplexing. Ia selalunya hibrid-diintegrasikan dengan cip aktif InP dan telah menjadi peta jalan teknologi standard untuk modul optik 3.2T CPO generasi- NVIDIA yang seterusnya.
Mengapa silikon nitrida bukannya silikon? Silikon nitrida mempunyai indeks biasan kira-kira 1.98, memberikan sekatan medan optik antara pandu gelombang Si (≈3.4) dan salutan silika (≈1.44), menjadikannya salah satu bahan yang paling menjanjikan untuk mereka bentuk pengganding tepi dengan kontras indeks tinggi dan keratan rentas-kecil. Lebih penting lagi, dalam senario kuasa tinggi-CPO, pandu gelombang silikon mengalami dua-penyerapan foton dan boleh terbakar, manakala silikon nitrida mempunyai jurang jalur yang lebar dan tidak mengalami isu ini, menjadikannya pilihan ideal untuk menghantar isyarat optik kuasa tinggi-.
Di samping itu, keserasian proses pandu gelombang optik silikon nitrida membuka peluang penyepaduan heterogen. Proses pemendapan filem nipis silikon nitrida-(LPCVD/PECVD/magnetron sputtering) adalah matang dan serasi-CMOS. Menggunakan pemendapan PECVD bersuhu-rendah pada suhu proses di bawah 400 darjah , ia tidak merosakkan cip CMOS-hujung hadapan atau cip aktif III-V, membenarkan penyepaduan monolitik terus pada wafer, sangat serasi dengan platform proses CPO silikon COUPE TSMC-fotonik.
Ringkasnya, pandu gelombang optik silikon nitrida dalam MSM memainkan dua peranan sebagai-transmisi optik pada cip "lebuh raya besar" dan sebagai "jambatan" untuk gentian-ke-gandingan optik cip, menjadikannya bahan berfungsi teras untuk membina-litar bersepadu fotonik berprestasi tinggi.
Status Teknologi dan Perindustrian Semasa
Substrat Silikon Nitrida:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) telah menyatakan dengan jelas bahawa substrat seramik MSMnya berada dalam fasa pecut R&D terakhir dan dijangka mencapai pengeluaran besar-besaran dalam tempoh tiga tahun. Produk substrat seramik filem TFC nipis-Fude Technology, dengan kerataan permukaan yang tinggi dan padanan CTE dengan cip, diletakkan sebagai "salah satu platform pembawa yang ideal untuk pembungkusan MSM." Sinocera Materials mendedahkan dalam rekod hubungan pelaburnya bahawa anak syarikatnya, Sinocera Saichuang, mempunyai rizab teknikal untuk substrat seramik untuk modul optik.
Pandu Gelombang Optik Silikon Nitrida:
Di luar negara, Solindes Photonics telah melancarkan sumber cahaya sisir mikro-silikon nitrida yang disesuaikan untuk MSM, dengan satu peranti yang mampu mengeluarkan 28 saluran panjang gelombang dan kecekapan penukaran optik sebanyak 60%. Pada ISSCC 2026, TSMC melancarkan platform CPO fotonik-silikonnya, menggunakan pandu gelombang silikon nitrida sebagai penyelesaian pandu gelombang optik pasif standard. Faurin fotonik domestik telah pun menyelesaikan pembangunan PDK untuk fotonik nitrida silikon pasif dan secara beransur-ansur memperkenalkan sampel untuk pengesahan MSM 800G dan 1.6T.