Durch den groß angelegten Einsatz großer KI-Modelle und die kontinuierliche Weiterentwicklung des Hochleistungsrechnens sind herkömmliche Kupferverbindungen mit schwerwiegenden „Kommunikationsengpässen“ und „Strombarrieren“ konfrontiert. Der Kern von Co-Packed Optics (CPO) besteht darin, den Schalt-ASIC, die photonischen Siliziumchips, Laser und Faserarrays wieder auf ein einziges Gehäusesubstrat zu bringen. Die Übertragungsentfernung elektrischer Signale wird von der „Zentimeterskala“ auf die „Millimeterskala“ drastisch verkürzt, wodurch die Länge der elektrischen Verbindungen erheblich verkürzt und der Stromverbrauch um 30–50 % gesenkt wird, was sie zu einem entscheidenden Weg zur Überwindung dieser Engpässe macht.
Wenn optische Engines nicht mehr in die Frontplatte des Schalters „eingesteckt“ werden, sondern stattdessen mit Rechenchips „zusammenleben“, wird das System deutlich komplexer und die Materialauswahl wird zum entscheidenden Faktor dafür, ob CPO in die Massenproduktion gelangen kann. In dieser Runde der Materialneukonfiguration sticht Siliziumnitrid (Si₃N₄) als besonderer Akteur hervor. -Es spielt zwei deutlich unterschiedliche, aber entscheidende Rollen bei CPO: Erstens als Siliziumnitrid-Keramiksubstrat, das als physikalischer Träger und Wärmeableitungsbasis für CPO-Geräte dient; der andere ist ein optischer Siliziumnitrid-Wellenleiter, der als optischer Signalübertragungskanal innerhalb des photonischen Chips dient.
Siliziumnitrid-Keramiksubstrat: Der bevorzugte Träger für CPO-Verpackungen
Wie oben erwähnt, sind in der hochdichten integrierten Verpackung von CPO optische Engines und Switch-Chips eng auf extrem kleinem Raum integriert. Die Systemintegration ist höher, optoelektronische Verbindungswege sind kürzer und der Stromverbrauch ist geringer-alles gut. Da jedoch so viele Hochleistungsgeräte zusammengepackt sind und gleichzeitig betrieben werden, entsteht eine große Wärmemenge. Literaturdaten zeigen, dass bei elektronischen Geräten jeder Temperaturanstieg um 10 Grad die effektive Gerätelebensdauer typischerweise um 30–50 % verringert. Wenn diese Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden kann, führt dies zu einem schnellen Anstieg der Sperrschichttemperaturen, was zu Leistungseinbußen oder sogar zum Ausfall führt.
Das Verpackungssubstrat ist die primäre Wärmeableitungskomponente-. Unter den herkömmlichen Materialien weisen organische Substrate (wie FR-4) eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine schlechte CTE-Anpassung auf und erfüllen nicht die hohen Verlustleistungsanforderungen von CPO. Keramiksubstrate, insbesondere Siliziumnitrid-Keramiksubstrate, sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit, hohen Wärmeleitfähigkeit und CTE-Anpassung zum wichtigsten Substratmaterial für CPO-Gehäuse geworden.
Siliziumnitrid punktet dadurch, dass es „gut{0}}abgerundet ist.
Erstens ist seine Wärmeleitfähigkeit bemerkenswert gut. In den frühen Stadien der Forschung betrug die Wärmeleitfähigkeit von Si₃N₄ bei Raumtemperatur 20–70 W/(m·K) und war damit weitaus niedriger als die von AlN und SiC, sodass seine thermische Leistung keine große Aufmerksamkeit erregte. 1995 änderte sich diese Wahrnehmung. Der Wissenschaftler Haggerty berechnete anhand der klassischen Festkörpertransporttheorie, dass die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Si₃N₄ hauptsächlich auf Gitterdefekte und Verunreinigungen zurückzuführen ist, und sagte voraus, dass ihr theoretisches Maximum 320 W/(m·K) erreichen könnte. Dank gemeinsamer Anstrengungen von Forschung und Industrie liegt die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramik mittlerweile bei über 177 W/(m·K). Im Vergleich zu herkömmlichen Harzsubstraten, deren Wärmeleitfähigkeit unter 1 W/(m·K) liegt, ist dies ein entscheidender Faktor.
Zweitens hat Siliziumnitrid einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von nur etwa 3,2×10⁻⁶/Grad, etwa ein -Drittel des von Al₂O₃. CPO-Pakete enthalten mehrere Materialien-Siliziumchips, III-V-Verbindungshalbleiterchips (z. B. InP-Laser)-jeweils mit unterschiedlichen CTEs. Bei lokalen Hitzestößen bestimmt die CTE-Anpassung direkt die Lebensdauer der Lötverbindung bei Temperaturwechsel. Der CTE von Siliziumnitrid kommt dem von Materialien auf Silizium--Basis sehr nahe, so dass die Verwendung von Siliziumnitrid als Substrat die Dehnungsungleichheit zwischen verschiedenen Materialien während thermischer Zyklen erheblich verringern kann.
Drittens sind die mechanischen Eigenschaften von Siliziumnitrid hervorragend. Sein Elastizitätsmodul beträgt 320 GPa und seine Biegefestigkeit beträgt 920 MPa. Diese überlegene mechanische Leistung bedeutet, dass das Substrat dünner gemacht werden kann -Siliziumnitrid kann auf 0,32 mm oder sogar 0,25 mm reduziert werden, während Aluminiumnitrid aufgrund der Sprödigkeit bei 0,62 mm gehalten werden muss. Das dünnere Substrat schließt die Wärmeleitfähigkeitslücke: Obwohl AlN eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Si₃N₄ aufweist, ist der Gesamtwärmewiderstand von ultradünnem Siliziumnitrid im Wesentlichen gleichauf mit dem von dickerem AlN. Darüber hinaus weist Siliziumnitrid insgesamt eine höhere Zähigkeit auf, was das Absplittern und Brechen der Kanten während der industriellen Serienproduktion reduziert und so die Fertigungsausbeute verbessert.
Kostentechnisch gesehen ist Siliziumnitrid deutlich teurer als Aluminiumoxid, kostet aber nur etwa 60 % des Preises von Aluminiumnitrid. In Kombination mit integrierten TFC-Modulen (Dünnschichtkeramik), die durch ein-stufiges Co--Sintern hergestellt werden, können die Gesamtproduktionskosten erheblich gesenkt werden.
Daher weisen Brancheninsider darauf hin, dass Siliziumnitrid in der gesamten Kette der optischen Kommunikationsindustrie und in der CPO-Integrationsverpackungsnische das Kernsubstratmaterial ist, das am besten zu zukünftigen Technologietrends passt, wobei die allgemeine Eignung die von Aluminiumnitrid bei weitem übertrifft.
Optischer Wellenleiter aus Siliziumnitrid-Die „Optische Signalautobahn“ von CPO
Im Gegensatz zu seiner makroskopischen Rolle als Verpackungssubstrat besteht die andere zentrale Rolle von Siliziumnitrid bei CPO darin, dass es ein optisches Wellenleitermaterial innerhalb des photonischen Chips ist und für die Übertragung, Weiterleitung, Aufteilung, Kombination und andere Schlüsselfunktionen optischer Signale verantwortlich ist.
Diese Anwendung stellt den wesentlichsten optischen Wert von Siliziumnitrid in CPO dar. Es wird hauptsächlich zur Herstellung von On-Chip-Lichtwellenleitern, Mikroringresonatoren, optischen Frequenzkämmen, Wellenlängenmultiplexern, Polarisationsstrahlteilern, Gitterkopplern und allen anderen passiven optischen Geräten verwendet und bildet das komplette optische Netzwerk innerhalb der optischen CPO-Engine für Signalverteilung, Übertragung, Filterung und Multiplexierung/Demultiplexierung. Es wird oft hybrid-in aktive InP-Chips integriert und ist zur Standard-Technologie-Roadmap für NVIDIAs optische 3.2T-CPO-Module der nächsten-Generation geworden.
Warum Siliziumnitrid statt Silizium? Siliziumnitrid hat einen Brechungsindex von etwa 1,98 und sorgt für eine optische Feldeingrenzung zwischen der von Si-Wellenleitern (≈3,4) und der Silizium-Umhüllung (≈1,44), was es zu einem der vielversprechendsten Materialien für die Entwicklung von Kantenkopplern mit hohem Indexkontrast und kleinen Querschnitten macht. Noch wichtiger ist, dass Silizium-Wellenleiter in CPO-Hochleistungsszenarien unter der Zwei-Photonen-Absorption leiden und durchbrennen können, während Siliziumnitrid eine große Bandlücke aufweist und dieses Problem nicht aufweist, was es zu einer idealen Wahl für die Übertragung optischer Hochleistungssignale macht.
Darüber hinaus eröffnet die Kompatibilität des Siliziumnitrid-Lichtwellenleiterprozesses heterogene Integrationsmöglichkeiten. Siliziumnitrid-Dünnschichtabscheidungsverfahren (LPCVD/PECVD/Magnetronsputtern) sind ausgereift und CMOS-kompatibel. Durch die Niedertemperatur-PECVD-Abscheidung bei Prozesstemperaturen unter 400 Grad werden Front-End-CMOS-Chips oder aktive III-V-Chips nicht beschädigt, was eine monolithische Integration direkt auf Wafern ermöglicht und eine hohe Kompatibilität mit der COUPE-Silizium-Photonik-CPO-Prozessplattform von TSMC ermöglicht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass optische Siliziumnitrid-Wellenleiter in CPO eine doppelte Rolle als „Superhighway“ für die optische Übertragung auf dem Chip und als „Brücke“ für die optische Kopplung von Glasfaser zu Chip spielen, was sie zum zentralen Funktionsmaterial für den Aufbau hochleistungsfähiger photonischer integrierter Schaltkreise macht.
Aktueller Stand der Technik und Industrialisierung
Siliziumnitrid-Substrate:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) hat ausdrücklich erklärt, dass sich seine CPO-Keramiksubstrate in der letzten Forschungs- und Entwicklungssprintphase befinden und voraussichtlich innerhalb von drei Jahren die Massenproduktion erreichen werden. Die TFC-Dünnschicht-Keramiksubstratprodukte von Fude Technology gelten mit ihrer hohen Oberflächenebenheit und dem CTE-Abgleich mit Chips als „eine der idealen Trägerplattformen für CPO-Verpackungen“. Sinocera Materials gab in seinen Investor-Relations-Unterlagen bekannt, dass seine Tochtergesellschaft Sinocera Saichuang über technische Reserven für Keramiksubstrate für optische Module verfügt.
Optische Wellenleiter aus Siliziumnitrid:
Im Ausland hat Solindes Photonics eine für CPO angepasste Siliziumnitrid-Mikrokammlichtquelle auf den Markt gebracht, deren einziges Gerät 28 Wellenlängenkanäle ausgeben kann und einen optischen Umwandlungswirkungsgrad von 60 % aufweist. Auf der ISSCC 2026 stellte TSMC seine Silizium-Photonik-CPO-Plattform vor, bei der Siliziumnitrid-Wellenleiter als Standardlösung für passive optische Wellenleiter eingesetzt werden. Inländische Photonik-Gießereien haben die PDK-Entwicklung für die passive Siliziumnitrid-Photonik bereits abgeschlossen und führen nach und nach Muster für die 800G- und 1,6T-CPO-Verifizierung ein.