Con la implementación a gran-escala de modelos de IA de gran tamaño y el avance continuo de la informática de alto-rendimiento, las interconexiones de cobre tradicionales se enfrentan a graves "cuellos de botella en las comunicaciones" y "muros de energía". La esencia de la óptica co-empaquetada (CPO) es reunir el interruptor ASIC, los chips fotónicos de silicio, los láseres y los conjuntos de fibras nuevamente en un único sustrato de empaque. La distancia de transmisión de las señales eléctricas se acorta drásticamente de la "escala de centímetros" a la "escala de milímetros", lo que reduce significativamente la longitud de la interconexión eléctrica y reduce el consumo de energía entre un 30% y un 50%, lo que lo convierte en un camino crítico para superar estos cuellos de botella.
Claramente, cuando los motores ópticos ya no están "conectados" al panel frontal del interruptor sino que "cohabitan" con chips de computación, el sistema se vuelve mucho más complejo y la selección de materiales se convierte en el factor decisivo para que el CPO pueda alcanzar la producción en masa. En esta ronda de reconfiguración de materiales, el nitruro de silicio (Si₃N₄) se destaca como un actor especial:-desempeña dos roles claramente diferentes pero críticos en el CPO: uno, como sustrato cerámico de nitruro de silicio, que sirve como portador físico y base de disipación de calor-para dispositivos CPO; el otro, como una guía de ondas ópticas de nitruro de silicio, que sirve como canal de transmisión de señales ópticas dentro del chip fotónico.
Sustrato cerámico de nitruro de silicio: el soporte preferido para envases de CPO
Como se mencionó anteriormente, en el paquete integrado de alta-densidad de CPO, los motores ópticos y los chips de conmutación están estrechamente integrados en un espacio extremadamente pequeño. La integración del sistema es mayor, las rutas de interconexión optoelectrónica son más cortas y el consumo de energía es menor-todo bien. Sin embargo, con tantos dispositivos de alta-potencia agrupados y funcionando simultáneamente, se acumula una gran cantidad de calor. Los datos publicados muestran que, en el caso de los dispositivos electrónicos, cada aumento de 10 grados en la temperatura suele reducir la vida útil efectiva del dispositivo entre un 30% y un 50%. Si este calor no se puede disipar a tiempo, hará que la temperatura de las uniones aumente rápidamente, lo que provocará una degradación del rendimiento o incluso una falla.
El sustrato del embalaje es el principal componente-disipador de calor. Entre los materiales tradicionales, los sustratos orgánicos (como el FR-4) tienen una conductividad térmica baja y una coincidencia de CTE deficiente, por lo que no cumplen con los requisitos de disipación de alta potencia del CPO. Los sustratos cerámicos, especialmente los sustratos cerámicos de nitruro de silicio, se han convertido en el material de sustrato clave para los envases de CPO debido a su alta resistencia, alta conductividad térmica y coincidencia de CTE.
El nitruro de silicio gana por ser "bien-redondeado".
En primer lugar, su conductividad térmica es notablemente buena. En las primeras etapas de la investigación, la conductividad térmica a temperatura ambiente-del Si₃N₄ era de 20 a 70 W/(m·K), muy inferior a la del AlN y el SiC, por lo que su rendimiento térmico no atrajo mucha atención. En 1995, esta percepción cambió. El científico Haggerty, a través de la teoría clásica del transporte de estado sólido-, calculó que la baja conductividad térmica del Si₃N₄ se debe principalmente a defectos de la red e impurezas, y predijo que su máximo teórico podría alcanzar los 320 W/(m·K). Gracias a los esfuerzos conjuntos de la investigación y la industria, la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio ha superado los 177 W/(m·K). En comparación con los sustratos de resina tradicionales, que tienen una conductividad térmica inferior a 1 W/(m·K), esto supone un cambio radical.
En segundo lugar, el nitruro de silicio tiene un bajo coeficiente de expansión térmica (CTE) de solo aproximadamente 3,2×10⁻⁶/grado, aproximadamente un-tercio del Al₂O₃. Los paquetes de CPO contienen múltiples materiales-chips de silicio, chips semiconductores compuestos III-V (como láseres InP)-cada uno con diferentes CTE. Cuando aumenta el calor local, la coincidencia de CTE determina directamente la vida útil de la junta de soldadura bajo ciclo térmico. El CTE del nitruro de silicio es muy cercano al de los materiales basados en silicio-, por lo que usarlo como sustrato puede aliviar en gran medida el desajuste de tensión entre diferentes materiales durante los ciclos térmicos.
En tercer lugar, las propiedades mecánicas del nitruro de silicio son excepcionales. Su módulo elástico es 320 GPa y su resistencia a la flexión es 920 MPa. Este rendimiento mecánico superior significa que el sustrato se puede adelgazar.-El nitruro de silicio se puede reducir a 0,32 mm o incluso 0,25 mm, mientras que el nitruro de aluminio, debido a su fragilidad, debe mantenerse en 0,62 mm. El sustrato más delgado cierra la brecha de conductividad térmica: aunque el AlN tiene una conductividad térmica mayor que el Si₃N₄, la resistencia térmica general del nitruro de silicio ultra-delgado está esencialmente a la par con la del AlN más grueso. Además, el nitruro de silicio tiene una mayor tenacidad general, lo que reduce el astillado y la rotura de los bordes durante la producción industrial por lotes, mejorando así el rendimiento de fabricación.
En términos de coste, el nitruro de silicio es considerablemente más caro que la alúmina, pero sólo alrededor del 60% del precio del nitruro de aluminio. Combinado con módulos integrados de TFC (película cerámica-delgada) formados por co-sinterización en un-paso, los costos generales de producción se pueden reducir significativamente.
Por lo tanto, los expertos de la industria señalan que en toda la cadena de la industria de las comunicaciones ópticas y el nicho de embalaje integrado de CPO, el nitruro de silicio es el material de sustrato central que mejor se alinea con las tendencias tecnológicas futuras, con una idoneidad general que supera con creces la del nitruro de aluminio.
Guía de ondas ópticas de nitruro de silicio-La "superautopista de señales ópticas" de CPO
A diferencia de su función macroscópica como sustrato de embalaje, la otra función central del nitruro de silicio en el CPO es la de material de guía de ondas ópticas dentro del chip fotónico, responsable de la transmisión, el enrutamiento, la división, la combinación y otras funciones clave de la señal óptica.
Esta aplicación representa el valor óptico más esencial del nitruro de silicio en CPO. Se utiliza principalmente para fabricar guías de ondas ópticas en chip, resonadores de microanillos, peines de frecuencia óptica, multiplexores de división de longitud de onda-, divisores de haz de polarización, acopladores de rejilla y todos los demás dispositivos ópticos pasivos, formando la red óptica completa dentro del motor óptico CPO para la distribución, transmisión, filtrado y multiplexación/demultiplexación de señales. A menudo está integrado-de forma híbrida con chips activos InP y se ha convertido en la hoja de ruta tecnológica estándar para los módulos ópticos CPO 3.2T de próxima-generación de NVIDIA.
¿Por qué nitruro de silicio en lugar de silicio? El nitruro de silicio tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,98, lo que proporciona un confinamiento del campo óptico entre el de las guías de ondas de Si (≈3,4) y el revestimiento de sílice (≈1,44), lo que lo convierte en uno de los materiales más prometedores para diseñar acopladores de borde con alto índice de contraste y pequeñas secciones transversales-. Más importante aún, en escenarios de alta-potencia de CPO, las guías de ondas de silicio sufren una absorción de dos-fotones y pueden quemarse, mientras que el nitruro de silicio tiene una banda prohibida amplia y no sufre este problema, lo que lo convierte en una opción ideal para transmitir señales ópticas de alta-potencia.
Además, la compatibilidad del proceso de guía de ondas ópticas de nitruro de silicio abre oportunidades de integración heterogéneas. Los procesos de deposición de películas delgadas-de nitruro de silicio (LPCVD/PECVD/pulverización con magnetrón) son maduros y compatibles con CMOS-. Al utilizar la deposición de PECVD a baja-temperatura a temperaturas de proceso inferiores a 400 grados, no daña los chips CMOS frontales-ni los chips activos III-V, lo que permite la integración monolítica directamente en obleas, altamente compatible con la plataforma de proceso CPO de fotónica-de silicio COUPE de TSMC.
En resumen, las guías de ondas ópticas de nitruro de silicio en CPO desempeñan una doble función como "supercarretera" de transmisión óptica en-chip y como "puente" para el acoplamiento óptico de fibra-a-chip, lo que las convierte en el material funcional principal para construir circuitos integrados fotónicos de alto-rendimiento.
Estado actual de la tecnología y la industrialización
Sustratos de nitruro de silicio:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) ha declarado explícitamente que sus sustratos cerámicos CPO se encuentran en la fase final de investigación y desarrollo y se espera que alcancen la producción en masa dentro de tres años. Los productos de sustrato cerámico de película delgada-TFC de Fude Technology, con su alta planitud de superficie y CTE coincidente con los chips, se posicionan como "una de las plataformas portadoras ideales para envases de CPO". Sinocera Materials reveló en sus registros de relaciones con inversores que su filial, Sinocera Saichuang, tiene reservas técnicas para sustratos cerámicos para módulos ópticos.
Guías de ondas ópticas de nitruro de silicio:
En el extranjero, Solindes Photonics ha lanzado una fuente de luz de micro{0}}peine de nitruro de silicio adaptada para CPO, con un único dispositivo capaz de generar 28 canales de longitud de onda y una eficiencia de conversión óptica del 60 %. En ISSCC 2026, TSMC presentó su plataforma CPO de fotónica de silicio-, que adopta guías de ondas de nitruro de silicio como solución estándar de guías de ondas ópticas pasivas. Las fundiciones fotónicas nacionales ya han completado el desarrollo de PDK para fotónica pasiva de nitruro de silicio y están introduciendo gradualmente muestras para la verificación de CPO de 800G y 1,6T.