Với việc triển khai-quy mô lớn các mô hình lớn AI và sự tiến bộ liên tục của điện toán hiệu suất cao-, các kết nối đồng truyền thống đang phải đối mặt với những "tắc nghẽn giao tiếp" và "bức tường điện" nghiêm trọng. Bản chất của quang học đồng đóng gói (CPO) là đưa ASIC chuyển mạch, chip quang tử silicon, tia laser và mảng sợi quang trở lại một đế đóng gói duy nhất. Khoảng cách truyền tín hiệu điện được rút ngắn đáng kể từ "thang centimet" xuống "thang milimet", giúp giảm đáng kể chiều dài kết nối điện và cắt giảm mức tiêu thụ điện năng từ 30%–50%, khiến đây trở thành con đường quan trọng để vượt qua những tắc nghẽn này.
Rõ ràng, khi các động cơ quang học không còn được “cắm” vào bảng mặt trước của công tắc mà thay vào đó là “sống chung” với các chip điện toán, hệ thống trở nên phức tạp hơn rất nhiều và việc lựa chọn vật liệu trở thành yếu tố quyết định liệu CPO có thể đạt được sản xuất hàng loạt hay không. Trong vòng cấu hình lại vật liệu này, silicon nitride (Si₃N₄) nổi bật như một nhân tố đặc biệt-nó đóng hai vai trò quan trọng nhưng khác biệt rõ rệt trong CPO: một, là chất nền gốm silicon nitride, đóng vai trò là chất mang vật lý và cơ sở tản nhiệt-cho các thiết bị CPO; cái còn lại, như một ống dẫn sóng quang silicon nitride, đóng vai trò là kênh truyền tín hiệu quang bên trong chip quang tử.
Chất nền gốm Silicon Nitride: Chất mang ưu tiên cho bao bì CPO
Như đã đề cập ở trên, trong-đóng gói tích hợp mật độ cao của CPO, công cụ quang học và chip chuyển mạch được tích hợp chặt chẽ trong một không gian cực kỳ nhỏ. Khả năng tích hợp hệ thống cao hơn, đường dẫn kết nối quang điện tử ngắn hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn-tất cả đều tốt. Tuy nhiên, với rất nhiều thiết bị có công suất cao-được kết hợp với nhau và hoạt động đồng thời, một lượng nhiệt lớn sẽ tích tụ. Dữ liệu tài liệu cho thấy rằng đối với các thiết bị điện tử, cứ tăng nhiệt độ 10 độ thường làm giảm tuổi thọ hiệu quả của thiết bị từ 30%–50%. Nếu lượng nhiệt này không thể tiêu tán kịp thời sẽ khiến nhiệt độ các mối nối tăng nhanh, dẫn đến suy giảm hiệu suất hoặc thậm chí hỏng hóc.
Chất nền bao bì là thành phần tản nhiệt-chính. Trong số các vật liệu truyền thống, chất nền hữu cơ (chẳng hạn như FR-4) có độ dẫn nhiệt thấp và khả năng kết hợp CTE kém, không đáp ứng được yêu cầu tiêu tán năng lượng cao của CPO. Chất nền gốm, đặc biệt là chất nền gốm silicon nitride, đã trở thành vật liệu nền chính cho bao bì CPO do độ bền cao, độ dẫn nhiệt cao và phù hợp với CTE.
Silicon nitride giành chiến thắng nhờ được "làm tròn{0}}tốt".
Đầu tiên, độ dẫn nhiệt của nó rất tốt. Trong giai đoạn đầu nghiên cứu, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của Si₃N₄ là 20–70 W/(m·K), thấp hơn nhiều so với AlN và SiC nên hiệu suất nhiệt của nó không thu hút nhiều sự chú ý. Năm 1995, nhận thức này đã thay đổi. Nhà khoa học Haggerty, thông qua lý thuyết vận chuyển trạng thái rắn{7}}cổ điển, đã tính toán rằng độ dẫn nhiệt thấp của Si₃N₄ chủ yếu là do khuyết tật mạng và tạp chất, đồng thời dự đoán rằng mức tối đa theo lý thuyết của nó có thể đạt tới 320 W/(m·K). Nhờ những nỗ lực chung trong nghiên cứu và công nghiệp, độ dẫn nhiệt của gốm silicon nitrit hiện đã vượt quá 177 W/(m·K). So với các chất nền nhựa truyền thống có độ dẫn nhiệt dưới 1 W/(m·K), đây là một yếu tố thay đổi cuộc chơi.
Thứ hai, silicon nitride có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp, chỉ khoảng 3,2×10⁻⁶/độ, gần bằng một-hệ số giãn nở nhiệt của Al₂O₃. Các gói CPO chứa nhiều vật liệu-chip silicon, chip bán dẫn phức hợp III-V (chẳng hạn như laser InP)-mỗi chip có CTE khác nhau. Khi nhiệt độ cục bộ tăng cao, kết hợp CTE trực tiếp xác định tuổi thọ của mối hàn trong chu trình nhiệt. CTE của silicon nitride rất gần với CTE của vật liệu gốc silicon, nên việc sử dụng nó làm chất nền có thể làm giảm đáng kể sự không phù hợp về độ căng giữa các vật liệu khác nhau trong chu trình nhiệt.
Thứ ba, tính chất cơ học của silicon nitride rất vượt trội. Mô đun đàn hồi của nó là 320 GPa và cường độ uốn của nó là 920 MPa. Hiệu suất cơ học vượt trội như vậy có nghĩa là chất nền có thể được làm mỏng hơn.-silicon nitride có thể giảm xuống 0,32 mm hoặc thậm chí 0,25 mm, trong khi nhôm nitride, do tính giòn, phải được giữ ở mức 0,62 mm. Chất nền mỏng hơn giúp thu hẹp khoảng cách dẫn nhiệt: mặc dù AlN có độ dẫn nhiệt cao hơn Si₃N₄, nhưng khả năng chịu nhiệt tổng thể của silicon nitride siêu mỏng-về cơ bản ngang bằng với AlN dày hơn. Hơn nữa, silicon nitride có độ dẻo dai tổng thể cao hơn, giảm hiện tượng sứt mẻ và gãy cạnh trong quá trình sản xuất hàng loạt công nghiệp, do đó cải thiện năng suất sản xuất.
Về giá thành, silicon nitride đắt hơn đáng kể so với alumina nhưng chỉ bằng khoảng 60% giá nhôm nitride. Kết hợp với các mô-đun tích hợp TFC (gốm{2}}màng mỏng) được tạo thành bằng quá trình thiêu kết-đồng{4}}một bước, chi phí sản xuất tổng thể có thể giảm đáng kể.
Do đó, những người trong ngành chỉ ra rằng trong toàn bộ chuỗi công nghiệp truyền thông quang học và lĩnh vực đóng gói tích hợp CPO, silicon nitride là vật liệu nền cốt lõi phù hợp nhất với xu hướng công nghệ trong tương lai, với khả năng phù hợp tổng thể vượt xa so với nhôm nitride.
Ống dẫn sóng quang học Silicon Nitride-"Siêu xa lộ tín hiệu quang học" của CPO
Không giống như vai trò vĩ mô của nó là chất nền đóng gói, vai trò cốt lõi khác của silicon nitride trong CPO là vật liệu dẫn sóng quang bên trong chip quang tử, chịu trách nhiệm truyền tín hiệu quang, định tuyến, phân tách, kết hợp và các chức năng chính khác.
Ứng dụng này đại diện cho giá trị quang học thiết yếu nhất của silicon nitride trong CPO. Nó chủ yếu được sử dụng để chế tạo các ống dẫn sóng quang-chip, bộ cộng hưởng vi vòng, lược tần số quang, bộ ghép kênh phân chia bước sóng-, bộ tách chùm phân cực, bộ ghép cách tử và tất cả các thiết bị quang thụ động khác, tạo thành mạng quang hoàn chỉnh bên trong công cụ quang CPO để phân phối, truyền, lọc và ghép kênh/phân kênh tín hiệu. Nó thường được tích hợp kết hợp với các chip hoạt động InP và đã trở thành lộ trình công nghệ tiêu chuẩn cho các mô-đun quang CPO 3,2T thế hệ tiếp theo của NVIDIA.
Tại sao silicon nitride thay vì silicon? Silicon nitride có chỉ số khúc xạ khoảng 1,98, cung cấp khả năng giam giữ trường quang giữa ống dẫn sóng Si (≈3,4) và lớp bọc silica (≈1,44), khiến nó trở thành một trong những vật liệu hứa hẹn nhất để thiết kế bộ ghép cạnh có độ tương phản chiết suất cao và tiết diện{3} nhỏ. Quan trọng hơn, trong các kịch bản công suất cao-CPO, ống dẫn sóng silicon bị hấp thụ hai-photon và có thể cháy hết, trong khi silicon nitride có dải thông rộng và không gặp phải vấn đề này, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng để truyền tín hiệu quang-công suất cao.
Ngoài ra, khả năng tương thích quy trình ống dẫn sóng quang silicon nitride mở ra cơ hội tích hợp không đồng nhất. Các quy trình lắng đọng màng mỏng-silicon nitride (phun xạ LPCVD/PECVD/magnetron) đã hoàn thiện và tương thích với CMOS{2}}. Sử dụng lắng đọng PECVD ở nhiệt độ-thấp ở nhiệt độ xử lý dưới 400 độ, nó không làm hỏng chip CMOS mặt trước hoặc chip hoạt động III{7}}V, cho phép tích hợp nguyên khối trực tiếp trên các tấm bán dẫn, có khả năng tương thích cao với nền tảng xử lý quang tử CPO silicon COUPE-của TSMC.
Tóm lại, ống dẫn sóng quang silicon nitride trong CPO đóng vai trò kép vừa là "siêu xa lộ" truyền quang trên-chip vừa là "cầu nối" cho khớp nối quang sợi quang-với-chip, khiến chúng trở thành vật liệu chức năng cốt lõi để xây dựng các mạch tích hợp quang tử hiệu suất-cao.
Hiện trạng công nghệ và công nghiệp hóa
Chất nền Silicon Nitride:
CETC (Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc) đã tuyên bố rõ ràng rằng chất nền gốm CPO của họ đang trong giai đoạn chạy nước rút R&D cuối cùng và dự kiến sẽ đạt được sản xuất hàng loạt trong vòng ba năm. Các sản phẩm nền gốm màng mỏng TFC{1}}của Fude Technology có độ phẳng bề mặt cao và CTE phù hợp với chip, được định vị là "một trong những nền tảng vận chuyển lý tưởng cho bao bì CPO". Sinocera Materials tiết lộ trong hồ sơ quan hệ nhà đầu tư rằng công ty con của nó, Sinocera Saichuang, có dự trữ kỹ thuật về chất nền gốm cho mô-đun quang học.
Ống dẫn sóng quang học Silicon Nitride:
Ở nước ngoài, Solindes Photonics đã ra mắt nguồn ánh sáng lược vi mô silicon nitride-được điều chỉnh cho CPO, với một thiết bị duy nhất có khả năng xuất ra 28 kênh bước sóng và hiệu suất chuyển đổi quang học là 60%. Tại ISSCC 2026, TSMC đã công bố nền tảng CPO quang tử-silicon của mình, sử dụng ống dẫn sóng silicon nitride làm giải pháp ống dẫn sóng quang thụ động tiêu chuẩn. Các xưởng sản xuất quang tử trong nước đã hoàn thành quá trình phát triển PDK cho quang tử silicon nitrit thụ động và đang dần giới thiệu các mẫu để xác minh CPO 800G và 1,6T.