Avec le déploiement à grande échelle de grands modèles d'IA et les progrès continus du calcul haute performance, les interconnexions en cuivre traditionnelles sont confrontées à de graves « goulots d'étranglement de communication » et à des « murs électriques ». L'essence de l'optique co-packagée (CPO) est de ramener le commutateur ASIC, les puces photoniques au silicium, les lasers et les réseaux de fibres sur un seul substrat de conditionnement. La distance de transmission des signaux électriques est considérablement réduite de « l'échelle centimétrique » à « l'échelle millimétrique », ce qui réduit considérablement la longueur des interconnexions électriques et réduit la consommation d'énergie de 30 à 50 %, ce qui en fait un chemin critique pour surmonter ces goulots d'étranglement.
De toute évidence, lorsque les moteurs optiques ne sont plus « branchés » sur le panneau avant du commutateur mais « cohabitent » avec des puces de calcul, le système devient beaucoup plus complexe et la sélection des matériaux devient le facteur décisif pour que le CPO puisse atteindre une production de masse. Dans ce cycle de reconfiguration des matériaux, le nitrure de silicium (Si₃N₄) se démarque comme un acteur spécial-il joue deux rôles distinctement différents mais essentiels dans le CPO : l'un, en tant que substrat céramique de nitrure de silicium, servant de support physique et de base de dissipation thermique-pour les dispositifs CPO ; l'autre, en tant que guide d'ondes optique en nitrure de silicium, servant de canal de transmission du signal optique à l'intérieur de la puce photonique.
Substrat céramique de nitrure de silicium : le support préféré pour les emballages CPO
Comme mentionné ci-dessus, dans le boîtier intégré haute densité-du CPO, les moteurs optiques et les puces de commutation sont étroitement intégrés dans un espace extrêmement réduit. L'intégration du système est plus élevée, les chemins d'interconnexion optoélectroniques sont plus courts et la consommation d'énergie est inférieure-tout va bien. Cependant, avec autant d'appareils-haute puissance regroupés et fonctionnant simultanément, une grande quantité de chaleur s'accumule. Les données de la littérature montrent que pour les appareils électroniques, chaque augmentation de température de 10 degrés réduit généralement la durée de vie effective de l'appareil de 30 à 50 %. Si cette chaleur ne peut pas être dissipée à temps, la température des jonctions augmentera rapidement, entraînant une dégradation des performances, voire une défaillance.
Le substrat de l'emballage est le principal composant de dissipation de la chaleur. Parmi les matériaux traditionnels, les substrats organiques (tels que FR-4) ont une faible conductivité thermique et une mauvaise adaptation CTE, ne répondant pas aux exigences de dissipation de puissance élevée du CPO. Les substrats en céramique, en particulier les substrats en céramique de nitrure de silicium, sont devenus le matériau de substrat clé pour les emballages CPO en raison de leur haute résistance, de leur conductivité thermique élevée et de leur adaptation CTE.
Le nitrure de silicium gagne en étant "bien-arrondi".
Premièrement, sa conductivité thermique est remarquablement bonne. Dans les premiers stades de la recherche, la conductivité thermique du Si₃N₄ à température ambiante était de 20 à 70 W/(m·K), bien inférieure à celle de l'AlN et du SiC, de sorte que ses performances thermiques n'ont pas attiré beaucoup d'attention. En 1995, cette perception a changé. Le scientifique Haggerty, grâce à la théorie classique du transport à l'état solide, a calculé que la faible conductivité thermique du Si₃N₄ est principalement due aux défauts du réseau et aux impuretés, et a prédit que son maximum théorique pourrait atteindre 320 W/(m·K). Grâce aux efforts conjoints de la recherche et de l'industrie, la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium a désormais dépassé 177 W/(m·K). Par rapport aux substrats en résine traditionnels, qui ont une conductivité thermique inférieure à 1 W/(m·K), cela change la donne.
Deuxièmement, le nitrure de silicium a un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) de seulement environ 3,2 × 10⁻⁶/degré, soit environ un-tiers de celui d'Al₂O₃. Les packages CPO contiennent plusieurs matériaux : -puces de silicium, puces à semi-conducteurs composés III-V (telles que des lasers InP)-chacune avec un CTE différent. En cas de surchauffe locale, la correspondance CTE détermine directement la durée de vie du joint de soudure sous cycle thermique. Le CTE du nitrure de silicium est très proche de celui des matériaux à base de silicium-, donc son utilisation comme substrat peut considérablement atténuer l'inadéquation des contraintes entre différents matériaux pendant les cycles thermiques.
Troisièmement, les propriétés mécaniques du nitrure de silicium sont exceptionnelles. Son module élastique est de 320 GPa et sa résistance à la flexion est de 920 MPa. Ces performances mécaniques supérieures permettent de rendre le substrat plus fin-le nitrure de silicium peut être réduit à 0,32 mm, voire 0,25 mm, tandis que le nitrure d'aluminium, en raison de sa fragilité, doit être maintenu à 0,62 mm. Le substrat plus mince comble l'écart de conductivité thermique : bien que l'AlN ait une conductivité thermique supérieure à celle du Si₃N₄, la résistance thermique globale du nitrure de silicium ultra-mince est essentiellement comparable à celle de l'AlN plus épais. De plus, le nitrure de silicium présente une plus grande ténacité globale, réduisant ainsi l'écaillage et la casse des bords lors de la production industrielle par lots, améliorant ainsi le rendement de fabrication.
En termes de coût, le nitrure de silicium est considérablement plus cher que l'alumine, mais ne représente qu'environ 60 % du prix du nitrure d'aluminium. En combinaison avec des modules intégrés TFC (film céramique mince{{2}) formés par cofrittage-en une étape-, les coûts de production globaux peuvent être considérablement réduits.
Par conséquent, les initiés de l'industrie soulignent que dans l'ensemble de la chaîne industrielle des communications optiques et dans le créneau de l'emballage intégré CPO, le nitrure de silicium est le matériau de substrat de base qui s'aligne le mieux sur les tendances technologiques futures, avec une adéquation globale dépassant de loin celle du nitrure d'aluminium.
Guide d'ondes optique en nitrure de silicium-L'"autoroute du signal optique" du CPO
Contrairement à son rôle macroscopique de substrat d'emballage, l'autre rôle principal du nitrure de silicium dans le CPO est celui de matériau de guide d'onde optique à l'intérieur de la puce photonique, responsable de la transmission, du routage, de la division, de la combinaison et d'autres fonctions clés du signal optique.
Cette application représente la valeur optique la plus essentielle du nitrure de silicium dans le CPO. Il est principalement utilisé pour fabriquer des guides d'ondes optiques sur puce, des résonateurs à micro-anneaux, des peignes de fréquence optique, des multiplexeurs à division de longueur d'onde, des séparateurs de faisceaux de polarisation, des coupleurs de réseau et tous les autres dispositifs optiques passifs, formant le réseau optique complet à l'intérieur du moteur optique CPO pour la distribution, la transmission, le filtrage et le multiplexage/démultiplexage du signal. Il est souvent hybride-intégré à des puces actives InP et est devenu la feuille de route technologique standard pour la prochaine-modules optiques CPO 3,2 T de NVIDIA.
Pourquoi du nitrure de silicium au lieu du silicium ? Le nitrure de silicium a un indice de réfraction d'environ 1,98, assurant un confinement du champ optique entre celui des guides d'ondes en Si (≈3,4) et la gaine de silice (≈1,44), ce qui en fait l'un des matériaux les plus prometteurs pour la conception de coupleurs de bord avec un contraste d'indice élevé et de petites sections transversales-. Plus important encore, dans les scénarios CPO à haute-puissance, les guides d'ondes en silicium souffrent d'une absorption de deux-photons et peuvent griller, tandis que le nitrure de silicium a une large bande interdite et ne souffre pas de ce problème, ce qui en fait un choix idéal pour transmettre des signaux optiques de haute-puissance.
De plus, la compatibilité des processus de guides d’ondes optiques en nitrure de silicium ouvre des opportunités d’intégration hétérogènes. Les processus de dépôt de films minces-de nitrure de silicium (pulvérisation LPCVD/PECVD/magnétron) sont matures et compatibles CMOS-. En utilisant le dépôt PECVD à basse température à des températures de processus inférieures à 400 degrés, il n'endommage pas les puces CMOS frontales ni les puces actives III-V, permettant une intégration monolithique directement sur des plaquettes, hautement compatible avec la plate-forme de processus CPO photonique en silicium COUPE de TSMC.
En résumé, les guides d'ondes optiques en nitrure de silicium dans le CPO jouent un double rôle en tant qu'"autoroute" de transmission optique sur puce et en tant que "pont" pour le couplage optique fibre-à-puce, ce qui en fait le matériau fonctionnel de base pour la construction de circuits intégrés photoniques à hautes-performances.
État actuel de la technologie et de l’industrialisation
Substrats en nitrure de silicium :
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) a explicitement déclaré que ses substrats céramiques CPO sont dans la phase finale de sprint de R&D et devraient atteindre la production de masse d'ici trois ans. Les produits de substrat céramique à couche mince TFC-de Fude Technology, avec leur planéité de surface élevée et leur CTE correspondant aux puces, se positionnent comme « l'une des plates-formes de support idéales pour l'emballage CPO ». Sinocera Materials a révélé dans ses dossiers de relations avec les investisseurs que sa filiale, Sinocera Saichuang, dispose de réserves techniques pour les substrats céramiques pour modules optiques.
Guides d'ondes optiques en nitrure de silicium :
À l'étranger, Solindes Photonics a lancé une source lumineuse à micro-peigne en nitrure de silicium adaptée au CPO, avec un seul appareil capable de produire 28 canaux de longueur d'onde et un rendement de conversion optique de 60 %. Lors de l'ISSCC 2026, TSMC a dévoilé sa plate-forme CPO photonique au silicium, adoptant des guides d'ondes en nitrure de silicium comme solution standard de guide d'ondes optique passif. Les fonderies photoniques nationales ont déjà achevé le développement du PDK pour la photonique passive au nitrure de silicium et introduisent progressivement des échantillons pour la vérification du CPO 800G et 1,6T.