中国粉体网讯随着人工智能大模型规模化部署与高性能计算持续发展，传统铜互连面临严峻的“通信瓶颈”与“功耗墙”挑战、/p>
共封装光学（CPO（/strong>的本质，是把交换ASIC、硅光芯片、激光器、光纤阵列重新放回同一封装基板。电信号的传输距离从“厘米级”瞬间缩短到了“毫米级”，显著缩短电互连长度，功耗直接降?0%-50%，成为突破上述瓶颈的关键路径、/p>
图片来源：Pixabay
显而易见，当光引擎不再"?quot;在交换机前面板，而是与计算芯片“同居一室”，系统将变得更为复杂，材料的选择就成了决定CPO能否量产的关键、/span>在这一轮材料重构中，氮化硅（Si3N4）成为了一个特殊的存在——它在CPO中扮演了功能两种截然不同但同时有十分关键的作用：
一种是以氮化硅陶瓷基板形式，作为CPO器件的物理载体与散热底座；另一种是以氮化硅光波导形式，作为光子芯片内部的光信号传输通道、/span>
氮化硅陶瓷基板，CPO封装的首选载佒/strong>
刚刚我们说到，在CPO高密度集成封装中，光引擎与交换芯片被紧密集成在极小的空间内，系统集成度更高了，光电互联路径也更短了，能耗也更低了，很美好、/p>
但是，这么多高功率器件聚在一起同时“搞事”，意味着大量热量聚集，有文献数据表明，对于电子器件而言，通常温度每升?0℃，器件有效寿命就降?0%~50%。所以，若不能及时导出，会导致芯片结温迅速升高、性能下降甚至失效、/span>
高导热氮化硅陶瓷基板，图源：中新高材
封装基板是主要的散热部件，在传统材料中，有机基板（FR-4等）导热率低、CTE匹配差，无法满足CPO高功耗需求、strong>而陶瓷基板，尤其是氮化硅陶瓷基板凭借高强度、高导热、CTE匹配，成为CPO封装的关键基板材料、/strong>
氮化硅能胜出，靠的是"全面"、/strong>
首先，氮化硅的导热性能非常给力、/span>在人们对氮化硅的研究初期，Si3N4室温下的热导率为20~70W/（m·K），远低于AlN和SiC的热导率，因此，Si3N4的导热性能一直没能引起人们的注意?995年，人们对氮化硅热导率的认识发生了转变，一位叫Haggerty的科学家通过经典固体传输理论计算表明，Si3N4材料热导率低的主要原因与晶格内缺陷、杂质等有关，并预测其理论值最高可?20W/（m·K）。在科研界和产业界人士的共同努力下，目前氮化硅陶瓷的热导率早已突?77W/(m·K)。相比于传统树脂基板低于1W/m·K的导热率，简直就是降维打击、/p>
不同陶瓷材料性能对比
氮化硅第二个优点是热膨胀系数低，仅为3.2×10-6/°C，约为Al2O3?/3、/span>要知道，CPO封装内包含硅芯片、III-V族化合物半导体芯片（如磷化铟激光器）等多种材料，它们的热膨胀系数各不相同，当局部热量骤增，CTE匹配直接决定焊点在热循环中的寿命。而氮化硅的热膨胀系数与硅基材料极为接近，将其作为基板材料引入后，可以大幅缓解不同材料在冷热循环中的形变错配、/p>
第三，氮化硅机械性能遥遥领先、/span>其弹性模量为320GPa，抗弯强度为920MPa。过硬的机械性能意味着我们可以将基板可以做得更薄——氮化硅可压缩至0.32甚至0.25毫米，而氮化铝因脆性必须做?.62毫米。更薄的基板抹平了导热差距：虽然氮化铝热导率高于氮化硅，但超薄氮化硅的整体热阻与厚氮化铝基本持平。除此之外氮化硅基材整体韧性更强，工业化批量生产过程中不容易出现边缘崩裂、板材破损等问题，有效提升产品生产良品率、/p>
成本方面＋/span>氮化硅比氧化铝高出甚多，却仅为氮化铝的六折，搭配TFC薄膜陶瓷电路一体烧结成型的集成模组，整体生产成本可大幅降低、/p>
因此，有业内人士指出９/strong>
在光通信全产业链以及CPO集成封装细分领域内，氮化硅是贴合行业未来技术发展趋势的核心基材，综合适配性远超氮化铝、/span>
氮化硅光波导——CPO的“光信号高速公路“/strong>
与作为封装基板的宏观应用不同，氮化硅在CPO中的另一核心角色是作为光子芯片内部的光波导材料，负责光信号的传输、路由、分波、合波等关键功能、/span>
该应用是氮化硅在CPO中最核心的光学价值落地，主要用于制备片上光波导、微环谐振器、光频梳、波分复用器、偏振分束器、光栅耦合器等全部无源光器件，构成CPO光引擎内部光信号分配、传输、滤波、合分波的完整光路网络，常与磷化铟有源芯片做混合集成，成为英伟达下一?.2TCPO光模块标准技术路线、/p>
为什么是氮化硅，而不是硅＞/span>氮化硅折射率?.98，对光场的约束能力介于Si波导（≈3.4）和二氧化硅包层（≈1.44）之间，成为高折射率、小截面尺寸波导端面耦合器设计中最具潜力的材料之一。更重要的是，在CPO大功率场景下，硅波导会因双光子吸收而烧毁，而氮化硅带隙宽、不存在这一问题，是传输高功率光信号的理想选择、/p>
另外，氮化硅光波导工艺兼容性打开异构集成空间、/span>氮化硅薄膜沉积工艺（LPCVD/PECVD/磁控溅射）成熟，且与CMOS工艺兼容。采用PECVD低温沉积工艺制备氮化硅薄膜，制程温度低于400℃，不会损伤前端CMOS芯片与III-V族有源芯片，可直接在晶圆上完成单片集成，与台积电COUPE硅光CPO工艺平台高度匹配、/p>
总之，氮化硅光波导在CPO中承担着片上光传输“高速公路”和光纤-芯片光耦合“桥梁”的双重角色，是构建高性能光子集成电路的核心功能材料、/p>
技术与产业化落地现犵/strong>
氮化硅基松/strong>
中瓷电子明确表示CPO用陶瓷基板已进入研发冲刺阶段，预计三年内实现量产；富乐德的TFC薄膜陶瓷基板产品凭借高表面平整度、与芯片匹配的热膨胀系数，被定义?quot;CPO封装理想的承载平台之一"；国瓷材料在投资者关系活动记录表中披露，公司子公司国瓷赛创具有光模块用陶瓷基板的技术储备、/p>
氮化硅光波导
当前海外Solinide Photonics已推出适配CPO的氮化硅微梳光源，单器件可输?8个波长通道，光转换效率?0%；台积电在ISSCC2026发布的硅光子CPO平台，将氮化硅波导作为标准无源光波导方案；国内光芯片代工厂已完成氮化硅无源光子流片PDK开发，逐步导入800G?.6TCPO样品验证、/p>
小结
在AI算力需求持续攀升的驱动下，氮化硅作为兼具“封装散热”与“光子传输”双重功能的战略材料，将在CPO技术从实验室走向大规模产业化的进程中扮演愈发关键的角色、/p>
参开来源９/p>
[1]陶瓷基板是CPO器件必不可少且难以替代的关键基础材料.东方财富罐/p>
[2]陶瓷基板在CPO中的应用与技术趋?财联社金牌纪要库
[3]CPO用氮化硅陶瓷基板研发进展及工艺路线说?中瓷电子
[4]CPO的大火，已经烧到材料端了.粉体罐/p>
[5]氮化铝PK氮化硅，谁是预防芯片“中暑”的最强基板材料？.粉体罐/p>
（中国粉体网/山川（/p>
注：图片非商业用途，存在侵权告知刟/p>
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