AI büyük modellerinin geniş-ölçekli dağıtımı ve yüksek-performanslı bilgi işlemdeki sürekli ilerlemeyle birlikte, geleneksel bakır ara bağlantılar ciddi "iletişim darboğazları" ve "güç duvarları" ile karşı karşıyadır. Birlikte paketlenmiş optiklerin (CPO) özü, anahtar ASIC'ini, silikon fotonik çipleri, lazerleri ve fiber dizilerini tek bir paketleme alt katmanına geri getirmektir. Elektrik sinyallerinin iletim mesafesi "santimetre ölçeğinden" "milimetre ölçeğine" kadar büyük ölçüde kısaltılmıştır, bu da elektrik ara bağlantı uzunluğunu önemli ölçüde azaltır ve güç tüketimini %30 ila %50 oranında azaltır, bu da onu bu darboğazları aşmak için kritik bir yol haline getirir.
Açıkçası, optik motorlar artık anahtarın ön paneline "takılı" olmayıp bunun yerine bilgi işlem çipleriyle "birlikte yaşadığında" sistem çok daha karmaşık hale gelir ve malzeme seçimi, CPO'nun seri üretime ulaşıp ulaşamayacağı konusunda belirleyici faktör haline gelir. Malzemenin yeniden yapılandırılmasının bu turunda, silikon nitrür (Si₃N₄) özel bir oyuncu olarak öne çıkıyor-CPO'da tamamen farklı ancak kritik iki rol oynuyor: birincisi, CPO cihazları için fiziksel taşıyıcı ve ısı-dağıtma tabanı olarak görev yapan silikon nitrit seramik alt tabaka olarak; diğeri ise silikon nitrür optik dalga kılavuzu olarak fotonik çipin içinde optik sinyal iletim kanalı görevi görüyor.
Silikon Nitrür Seramik Substrat: CPO Ambalajında Tercih Edilen Taşıyıcı
Yukarıda belirtildiği gibi, CPO'nun{0}yüksek yoğunluklu entegre paketinde optik motorlar ve anahtar çipleri son derece küçük bir alanda sıkı bir şekilde entegre edilmiştir. Sistem entegrasyonu daha yüksek, optoelektronik ara bağlantı yolları daha kısa ve güç tüketimi daha düşük-hepsi iyi. Ancak, bu kadar çok sayıda yüksek güçlü cihazın bir araya toplanıp aynı anda çalışması- nedeniyle büyük miktarda ısı birikir. Literatür verileri, elektronik cihazlar için sıcaklıktaki her 10 derecelik artışın tipik olarak cihazın etkin ömrünü %30 ila %50 oranında azalttığını göstermektedir. Bu ısının zamanında dağıtılması mümkün değilse, bağlantı sıcaklıklarının hızla yükselmesine neden olacak, bu da performansın düşmesine ve hatta arızaya yol açacaktır.
Ambalaj alt tabakası birincil ısıyı-yayan bileşendir. Geleneksel malzemeler arasında, organik alt tabakalar (FR-4 gibi) düşük ısı iletkenliğine ve zayıf CTE uyumuna sahip olup, CPO'nun yüksek güç dağıtımı gereksinimlerini karşılamada başarısız olurlar. Seramik substratlar, özellikle silikon nitrür seramik substratlar, yüksek mukavemetleri, yüksek termal iletkenlikleri ve CTE uyumluluğu nedeniyle CPO ambalajlama için temel substrat malzemesi haline geldi.
Silisyum nitrür "çok yönlü" olmasıyla kazanır-.
İlk olarak, termal iletkenliği oldukça iyidir. Araştırmanın ilk aşamalarında, Si₃N₄'nin oda-sıcaklığındaki termal iletkenliği 20–70 W/(m·K) idi; bu, AlN ve SiC'ninkinden çok daha düşüktü, dolayısıyla termal performansı çok fazla ilgi çekmedi. 1995 yılında bu algı değişti. Bilim adamı Haggerty, klasik katı-iletişim teorisi yoluyla, Si₃N₄'nin düşük ısı iletkenliğinin temel olarak kafes kusurlarından ve safsızlıklardan kaynaklandığını hesapladı ve teorik maksimumunun 320 W/(m·K)'ye ulaşabileceğini tahmin etti. Araştırma ve endüstrideki ortak çabalar sayesinde silikon nitrür seramiklerin termal iletkenliği artık 177 W/(m·K)'yi aştı. Isıl iletkenliği 1 W/(m·K)'nin altında olan geleneksel reçine alt katmanlarla karşılaştırıldığında bu, oyunun kurallarını-değiştirecek bir özelliktir.
İkincisi, silikon nitrürün yalnızca 3,2×10⁻⁶/ derece kadar düşük bir termal genleşme katsayısı (CTE) vardır, bu da Al₂O₃'nun kabaca -üçte biri kadardır. CPO paketleri, her biri farklı CTE'lere sahip birden fazla malzeme-silikon çip, III-V bileşik yarı iletken çip (InP lazerler gibi)- içerir. Yerel ısı dalgalanmaları durumunda CTE uyumu, termal döngü altında lehim bağlantı ömrünü doğrudan belirler. Silisyum nitrürün CTE'si, silikon-bazlı malzemelerinkine çok yakındır, dolayısıyla onu alt tabaka olarak kullanmak, termal döngüler sırasında farklı malzemeler arasındaki gerilim uyumsuzluğunu büyük ölçüde azaltabilir.
Üçüncüsü, silikon nitrürün mekanik özellikleri olağanüstüdür. Elastik modülü 320 GPa, eğilme mukavemeti ise 920 MPa'dır. Bu tür üstün mekanik performans, alt tabakanın daha ince hale getirilebileceği-silikon nitrürün 0,32 mm'ye, hatta 0,25 mm'ye azaltılabileceği, oysa alüminyum nitrürün kırılganlık nedeniyle 0,62 mm'de tutulması gerektiği anlamına gelir. Daha ince alt tabaka, termal iletkenlik boşluğunu kapatır: AlN, Si₃N₄'den daha yüksek termal iletkenliğe sahip olmasına rağmen, ultra-ince silikon nitrürün genel termal direnci, esas olarak daha kalın AlN'ninkiyle aynıdır. Ayrıca silikon nitrür daha fazla genel dayanıklılığa sahiptir, endüstriyel seri üretim sırasında kenar kırılmasını ve kırılmayı azaltır, böylece üretim verimini artırır.
Maliyet açısından, silisyum nitrür alüminadan çok daha pahalıdır ancak alüminyum nitrürün fiyatının yalnızca %60'ı kadardır. Tek-adımlı sinterlemeyle oluşturulan TFC (ince-film seramik) entegre modüller ile birleştirildiğinde, genel üretim maliyetleri önemli ölçüde azaltılabilir.
Bu nedenle sektördeki kişiler, tüm optik iletişim endüstrisi zincirinde ve CPO entegre paketleme alanında silikon nitrürün, alüminyum nitrürünkini çok aşan genel uygunlukla, gelecekteki teknoloji trendlerine en iyi uyum sağlayan temel alt tabaka malzemesi olduğuna dikkat çekiyor.
Silikon Nitrür Optik Dalga Kılavuzu-CPO'nun "Optik Sinyal Otoyolu"
Bir paketleme substratı olarak makroskobik rolünün aksine, silikon nitrürün CPO'daki diğer temel rolü, optik sinyal iletimi, yönlendirme, bölme, birleştirme ve diğer temel işlevlerden sorumlu olan fotonik çip içindeki bir optik dalga kılavuzu malzemesi olmasıdır.
Bu uygulama CPO'daki silikon nitrürün en önemli optik değerini temsil eder. Öncelikle-çip optik dalga kılavuzları, mikro halkalı rezonatörler, optik frekans tarakları, dalga boyu-bölme çoğullayıcıları, polarizasyon ışın bölücüleri, ızgara bağlaştırıcıları ve diğer tüm pasif optik aygıtları üretmek için kullanılır; sinyal dağıtımı, iletim, filtreleme ve çoğullama/çoğullama çözme için CPO optik motoru içindeki eksiksiz optik ağı oluşturur. Genellikle InP aktif çiplerle hibrit-entegredir ve NVIDIA'nın yeni-nesil 3,2T CPO optik modülleri için standart teknoloji yol haritası haline gelmiştir.
Neden silikon yerine silikon nitrür? Silisyum nitrürün kırılma indeksi yaklaşık 1,98'dir ve Si dalga kılavuzları (≈3,4) ile silika kaplama (≈1,44) arasında optik alan sınırlaması sağlar ve bu da onu yüksek indeks kontrastına ve küçük kesitlere sahip kenar bağlaştırıcıları tasarlamak için en umut verici malzemelerden biri yapar. Daha da önemlisi, CPO yüksek-güç senaryolarında, silikon dalga kılavuzları iki-foton emiliminden muzdariptir ve yanabilir, oysa silikon nitrür geniş bir bant aralığına sahiptir ve bu sorundan etkilenmez, bu da onu yüksek-güçlü optik sinyallerin iletilmesi için ideal bir seçim haline getirir.
Ayrıca silikon nitrür optik dalga kılavuzu proses uyumluluğu, heterojen entegrasyon fırsatlarının önünü açar. Silikon nitrür ince-film biriktirme işlemleri (LPCVD/PECVD/magnetron püskürtme) olgunlaşmıştır ve CMOS-uyumludur. 400 derecenin altındaki proses sıcaklıklarında düşük-sıcaklıkta PECVD biriktirme kullanıldığında, ön uç CMOS çiplerine veya III-V aktif çiplere zarar vermez, doğrudan plakalar üzerinde monolitik entegrasyona izin verir ve TSMC'nin COUPE silikon-fotonik CPO proses platformuyla son derece uyumludur.
Özetle, CPO'daki silikon nitrit optik dalga kılavuzları,-çip üzerinde optik iletim "süper otoyolu" ve fiber-çip-optik bağlantısı için "köprü" olarak ikili bir rol oynar ve bu da onları yüksek-performanslı fotonik entegre devreler oluşturmak için temel işlevsel malzeme haline getirir.
Teknoloji ve Sanayileşmenin Mevcut Durumu
Silikon Nitrür Yüzeyler:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation), CPO seramik substratlarının son Ar-Ge sprint aşamasında olduğunu ve üç yıl içinde seri üretime ulaşmasının beklendiğini açıkça belirtti. Fude Technology'nin TFC ince-film seramik alt katman ürünleri, yüksek yüzey düzgünlüğü ve çiplerle eşleşen CTE'si ile "CPO paketleme için ideal taşıyıcı platformlardan biri" olarak konumlandırılıyor. Sinocera Materials, yatırımcı ilişkileri kayıtlarında yan kuruluşu Sinocera Saichuang'ın optik modüller için seramik alt katmanlara yönelik teknik rezervlere sahip olduğunu açıkladı.
Silikon Nitrür Optik Dalga Kılavuzları:
Solindes Photonics, yurt dışında, 28 dalga boyu kanal çıkışı sağlayabilen tek bir cihaza ve %60 optik dönüşüm verimliliğine sahip, CPO için uyarlanmış bir silikon nitrür mikro{0}}tarak ışık kaynağını piyasaya sürdü. TSMC, ISSCC 2026'da, standart pasif optik dalga kılavuzu çözümü olarak silikon nitrür dalga kılavuzlarını benimseyen silikon-fotonik CPO platformunu tanıttı. Yerli fotonik dökümhaneleri, pasif silikon nitrür fotoniği için PDK geliştirmeyi halihazırda tamamladı ve 800G ve 1.6T CPO doğrulaması için örnekleri yavaş yavaş tanıtıyor.