Dengan penerapan{0}}model besar AI dalam skala besar dan kemajuan komputasi-performa tinggi yang berkelanjutan, interkoneksi tembaga tradisional menghadapi "hambatan komunikasi" dan "dinding daya" yang parah. Inti dari optik kemasan bersama (CPO) adalah menghadirkan saklar ASIC, chip fotonik silikon, laser, dan susunan serat kembali ke satu substrat kemasan. Jarak transmisi sinyal listrik diperpendek secara drastis dari "skala sentimeter" menjadi "skala milimeter", yang secara signifikan mengurangi panjang interkoneksi listrik dan mengurangi konsumsi daya sebesar 30%–50%, menjadikannya jalur penting untuk menerobos kemacetan ini.
Jelasnya, ketika mesin optik tidak lagi “dicolokkan” ke panel depan saklar melainkan “hidup bersama” dengan chip komputasi, sistem menjadi jauh lebih kompleks, dan pemilihan material menjadi faktor penentu apakah CPO dapat mencapai produksi massal. Dalam putaran konfigurasi ulang material ini, silikon nitrida (Si₃N₄) menonjol sebagai pemain khusus-silikon ini memainkan dua peran yang sangat berbeda namun penting dalam CPO: satu, sebagai substrat keramik silikon nitrida, yang berfungsi sebagai pembawa fisik dan basis-pembuangan panas untuk perangkat CPO; yang lainnya, sebagai pandu gelombang optik silikon nitrida, berfungsi sebagai saluran transmisi sinyal optik di dalam chip fotonik.
Substrat Keramik Silikon Nitrida: Pembawa Pilihan untuk Kemasan CPO
Seperti disebutkan di atas, dalam{0}}kemasan CPO yang terintegrasi dengan kepadatan tinggi, mesin optik dan chip saklar terintegrasi erat dalam ruang yang sangat kecil. Integrasi sistem lebih tinggi, jalur interkoneksi optoelektronik lebih pendek, dan konsumsi daya lebih rendah-semuanya baik-baik saja. Namun, dengan banyaknya-perangkat berdaya tinggi yang dikemas bersama dan beroperasi secara bersamaan, sejumlah besar panas terakumulasi. Data literatur menunjukkan bahwa untuk perangkat elektronik, setiap kenaikan suhu 10 derajat biasanya mengurangi masa pakai efektif perangkat sebesar 30%–50%. Jika panas ini tidak dapat dihilangkan tepat waktu, hal ini akan menyebabkan suhu sambungan meningkat dengan cepat, sehingga menyebabkan penurunan kinerja atau bahkan kegagalan.
Substrat pengemasan adalah komponen-penghilang panas utama. Di antara material tradisional, substrat organik (seperti FR-4) memiliki konduktivitas termal yang rendah dan pencocokan CTE yang buruk, sehingga gagal memenuhi persyaratan disipasi daya tinggi CPO. Substrat keramik, khususnya substrat keramik silikon nitrida, telah menjadi bahan substrat utama untuk kemasan CPO karena kekuatannya yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, dan pencocokan CTE.
Silikon nitrida unggul karena menjadi-berpengetahuan luas.
Pertama, konduktivitas termalnya sangat baik. Pada tahap awal penelitian, konduktivitas termal-suhu ruangan Si₃N₄ adalah 20–70 W/(m·K), jauh lebih rendah dibandingkan AlN dan SiC, sehingga kinerja termalnya tidak menarik banyak perhatian. Pada tahun 1995, persepsi ini berubah. Ilmuwan Haggerty, melalui teori transportasi keadaan padat klasik, menghitung bahwa rendahnya konduktivitas termal Si₃N₄ terutama disebabkan oleh cacat kisi dan pengotor, dan memperkirakan bahwa maksimum teoretisnya dapat mencapai 320 W/(m·K). Berkat upaya bersama dalam penelitian dan industri, konduktivitas termal keramik silikon nitrida kini telah melampaui 177 W/(m·K). Dibandingkan dengan substrat resin tradisional, yang memiliki konduktivitas termal di bawah 1 W/(m·K), ini adalah-pengubah permainan.
Kedua, silikon nitrida memiliki koefisien muai panas (CTE) yang rendah, hanya sekitar 3,2×10⁻⁶/ derajat , kira-kira-sepertiga Al₂O₃. Paket CPO berisi beberapa bahan-chip silikon, chip semikonduktor gabungan III-V (seperti laser InP)-masing-masing dengan CTE berbeda. Ketika panas lokal melonjak, pencocokan CTE secara langsung menentukan masa pakai sambungan solder dalam siklus termal. CTE silikon nitrida sangat mirip dengan material berbasis silikon, jadi menggunakannya sebagai substrat dapat sangat mengurangi ketidakcocokan regangan antara material yang berbeda selama siklus termal.
Ketiga, sifat mekanik silikon nitrida luar biasa. Modulus elastisitasnya 320 GPa dan kuat lenturnya 920 MPa. Kinerja mekanis yang unggul berarti substrat dapat dibuat lebih tipis-silikon nitrida dapat dikurangi menjadi 0,32 mm atau bahkan 0,25 mm, sedangkan aluminium nitrida, karena kerapuhannya, harus dijaga pada 0,62 mm. Substrat yang lebih tipis menutup kesenjangan konduktivitas termal: meskipun AlN memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada Si₃N₄, ketahanan termal keseluruhan silikon nitrida ultratipis pada dasarnya setara dengan AlN yang lebih tebal. Selain itu, silikon nitrida memiliki ketangguhan keseluruhan yang lebih besar, mengurangi tepi terkelupas dan patah selama produksi batch industri, sehingga meningkatkan hasil produksi.
Dari segi biaya, silikon nitrida jauh lebih mahal daripada alumina tetapi hanya sekitar 60% harga aluminium nitrida. Dikombinasikan dengan modul terintegrasi TFC (keramik film tipis) yang dibentuk melalui sintering satu langkah, keseluruhan biaya produksi dapat dikurangi secara signifikan.
Oleh karena itu, orang dalam industri menunjukkan bahwa di seluruh rantai industri komunikasi optik dan ceruk pengemasan terintegrasi CPO, silikon nitrida adalah bahan substrat inti yang paling selaras dengan tren teknologi masa depan, dengan kesesuaian keseluruhan jauh melebihi aluminium nitrida.
Pandu Gelombang Optik Silikon Nitrida-"Jalan Raya Sinyal Optik" CPO
Berbeda dengan peran makroskopisnya sebagai substrat pengemasan, peran inti silikon nitrida lainnya dalam CPO adalah sebagai bahan pemandu gelombang optik di dalam chip fotonik, yang bertanggung jawab atas transmisi sinyal optik, perutean, pemisahan, penggabungan, dan fungsi utama lainnya.
Aplikasi ini mewakili nilai optik paling penting dari silikon nitrida dalam CPO. Hal ini terutama digunakan untuk membuat-pandu gelombang optik chip, resonator cincin mikro, sisir frekuensi optik, multiplekser pembagian panjang gelombang, pemisah berkas polarisasi, penggandeng kisi, dan semua perangkat optik pasif lainnya, membentuk jaringan optik lengkap di dalam mesin optik CPO untuk distribusi sinyal, transmisi, pemfilteran, dan multiplexing/demultiplexing. Seringkali terintegrasi-hibrida dengan chip aktif InP dan telah menjadi peta jalan teknologi standar untuk modul optik-CPO 3,2T CPO NVIDIA berikutnya.
Mengapa silikon nitrida bukannya silikon? Silikon nitrida memiliki indeks bias sekitar 1,98, memberikan pengekangan bidang optik antara pandu gelombang Si (≈3,4) dan pelapis silika (≈1,44), menjadikannya salah satu bahan paling menjanjikan untuk merancang skrup tepi dengan kontras indeks tinggi dan penampang-yang kecil. Yang lebih penting lagi, dalam skenario CPO berdaya-tinggi, pandu gelombang silikon mengalami dua-penyerapan foton dan dapat terbakar, sedangkan silikon nitrida memiliki celah pita lebar dan tidak mengalami masalah ini, sehingga menjadikannya pilihan ideal untuk mentransmisikan sinyal optik-berkekuatan tinggi.
Selain itu, kompatibilitas proses pandu gelombang optik silikon nitrida membuka peluang integrasi heterogen. Proses deposisi film tipis silikon nitrida-(LPCVD/PECVD/magnetron sputtering) sudah matang dan-kompatibel dengan CMOS. Menggunakan deposisi PECVD-suhu rendah pada suhu proses di bawah 400 derajat, ini tidak merusak chip CMOS-depan atau chip aktif III-V, memungkinkan integrasi monolitik langsung pada wafer, sangat kompatibel dengan platform proses CPO silikon-fotonik CPO TSMC.
Singkatnya, pandu gelombang optik silikon nitrida dalam CPO memainkan peran ganda sebagai "jalan raya super" transmisi optik pada-chip dan sebagai "jembatan" untuk sambungan optik serat-ke-chip, menjadikannya bahan fungsional inti untuk membangun sirkuit terpadu fotonik-performa tinggi.
Status Teknologi dan Industrialisasi Saat Ini
Substrat Silikon Nitrida:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) secara eksplisit menyatakan bahwa substrat keramik CPO miliknya sedang dalam tahap akhir penelitian dan pengembangan dan diperkirakan akan mencapai produksi massal dalam waktu tiga tahun. Produk substrat keramik film tipis TFC dari Fude Technology, dengan kerataan permukaan yang tinggi dan pencocokan CTE dengan chip, diposisikan sebagai "salah satu platform pembawa yang ideal untuk pengemasan CPO." Sinocera Materials mengungkapkan dalam catatan hubungan investornya bahwa anak perusahaannya, Sinocera Saichuang, memiliki cadangan teknis substrat keramik untuk modul optik.
Pandu Gelombang Optik Silikon Nitrida:
Di luar negeri, Solindes Photonics telah meluncurkan sumber cahaya sisir mikro silikon nitrida yang diadaptasi untuk CPO, dengan satu perangkat yang mampu menghasilkan 28 saluran panjang gelombang dan efisiensi konversi optik sebesar 60%. Di ISSCC 2026, TSMC meluncurkan platform CPO silikon-fotonik, yang mengadopsi pandu gelombang silikon nitrida sebagai solusi pandu gelombang optik pasif standar. Pabrik pengecoran fotonik dalam negeri telah menyelesaikan pengembangan PDK untuk fotonik silikon nitrida pasif dan secara bertahap memperkenalkan sampel untuk verifikasi CPO 800G dan 1,6T.