AI 대형 모델의 대규모 배포와 -고성능 컴퓨팅의 지속적인 발전으로 인해 기존 구리 상호 연결은 심각한 '통신 병목 현상'과 '전력 벽'에 직면해 있습니다. 공동{3}}CPO(공동 패키지 광학)의 핵심은 스위치 ASIC, 실리콘 포토닉 칩, 레이저 및 광섬유 어레이를 단일 패키징 기판에 다시 가져오는 것입니다. 전기 신호의 전송 거리가 "센티미터 규모"에서 "밀리미터 규모"로 대폭 단축되어 전기 상호 연결 길이가 크게 줄어들고 전력 소비가 30~50% 절감되므로 이러한 병목 현상을 극복하는 중요한 경로가 됩니다.
분명히 광학 엔진이 더 이상 스위치 전면 패널에 "연결"되지 않고 대신 컴퓨팅 칩과 "공동"되면 시스템이 훨씬 더 복잡해지고 재료 선택이 CPO가 대량 생산에 도달할 수 있는지 여부를 결정하는 결정적인 요소가 됩니다. 이번 재료 재구성 라운드에서 질화규소(Si₃N₄)는 특별한 역할을 합니다.-이는 CPO에서 뚜렷이 다르지만 중요한 두 가지 역할을 수행합니다. 하나는 CPO 장치의 물리적 캐리어 및 열 방출 기반 역할을 하는 질화규소 세라믹 기판으로서{2}} 다른 하나는 질화 규소 광 도파관으로 광 칩 내부의 광 신호 전송 채널 역할을합니다.
질화규소 세라믹 기판: CPO 패키징에 선호되는 캐리어
위에서 언급한 바와 같이 CPO의 고밀도 통합 패키징에는 광학 엔진과 스위치 칩이 매우 작은 공간 내에 긴밀하게 통합되어 있습니다. 시스템 통합은 더 높고, 광전자 상호 연결 경로는 더 짧으며, 전력 소비는 더 낮습니다-모두 좋습니다. 그러나 너무 많은 고전력 장치가 함께 포장되어 동시에 작동하면 많은 양의 열이 축적됩니다. 문헌 데이터에 따르면 전자 장치의 경우 일반적으로 온도가 10도 상승할 때마다 유효 장치 수명이 30%~50% 감소합니다. 이 열을 제때 방출하지 못하면 접합 온도가 급격하게 상승하여 성능이 저하되거나 심지어 고장이 날 수도 있습니다.
포장 기판은 주요 열을 방출하는-구성 요소입니다. 기존 재료 중에서 유기 기판(예: FR{3}}4)은 열 전도성이 낮고 CTE 매칭이 좋지 않아 CPO의 높은 전력 소비 요구 사항을 충족하지 못합니다. 세라믹 기판, 특히 질화규소 세라믹 기판은 높은 강도, 높은 열 전도성 및 CTE 매칭으로 인해 CPO 패키징의 핵심 기판 재료가 되었습니다.
질화규소는 "다양한- 다재다능함"으로 승리합니다.
첫째, 열전도율이 매우 좋습니다. 연구 초기 단계에서 Si₃N₄의 상온 열전도율은 20~70W/(m·K)로 AlN 및 SiC에 비해 훨씬 낮았기 때문에 열 성능은 크게 주목받지 못했습니다. 1995년에 이러한 인식이 바뀌었습니다. 과학자 Haggerty는 고전적인 고체-운반 이론을 통해 Si₃N₄의 낮은 열전도도가 주로 격자 결함과 불순물로 인한 것임을 계산하고 이론상 최대값이 320W/(m·K)에 도달할 수 있다고 예측했습니다. 연구와 산업계의 공동 노력 덕분에 질화규소 세라믹의 열전도율은 이제 177W/(m·K)를 넘어섰습니다. 열 전도성이 1W/(m·K) 미만인 기존 수지 기판과 비교하면 이는 획기적인 변화입니다.{13}}
둘째, 질화규소의 열팽창계수(CTE)는 약 3.2×10⁻⁶/도에 불과하며, 이는 Al2O₃의 약 1/3-에 불과합니다. CPO 패키지에는 다양한 재료-실리콘 칩, III-V 화합물 반도체 칩(InP 레이저 등)-각각 서로 다른 CTE가 포함되어 있습니다. 국지적 열 서지가 발생하는 경우 CTE 매칭은 열 사이클링 하에서 솔더 접합 수명을 직접적으로 결정합니다. 질화규소의 CTE는 규소- 기반 재료의 CTE와 매우 유사하므로 이를 기판으로 사용하면 열 주기 동안 서로 다른 재료 간의 변형 불일치를 크게 완화할 수 있습니다.
셋째, 질화규소의 기계적 성질이 뛰어나다. 탄성 계수는 320GPa이고 굴곡 강도는 920MPa입니다. 이러한 탁월한 기계적 성능은 기판을 더 얇게 만들 수 있음을 의미합니다.{4}}질화규소는 0.32mm 또는 심지어 0.25mm까지 줄일 수 있지만, 취성으로 인해 질화알루미늄은 0.62mm로 유지해야 합니다. 기판이 얇을수록 열 전도성 격차가 줄어듭니다. AlN은 Si₃N₄보다 열 전도성이 높지만 초-질화규소의 전체 열 저항은 기본적으로 두꺼운 AlN과 동등합니다. 또한, 질화규소는 전반적인 인성을 높여 산업 배치 생산 중 가장자리 치핑 및 파손을 줄여 제조 수율을 향상시킵니다.
비용면에서 질화규소는 알루미나보다 상당히 비싸지만 질화알루미늄 가격의 약 60%에 불과합니다. 1단계 공동 소결로 형성된 TFC(박막{2}}필름 세라믹) 통합 모듈과 결합하면 전체 생산 비용을 크게 줄일 수 있습니다.
따라서 업계 관계자들은 전체 광통신 산업 체인과 CPO 통합 패키징 틈새 시장에서 질화규소가 미래 기술 동향에 가장 잘 부합하는 핵심 기판 소재이며 전반적인 적합성이 질화알루미늄보다 훨씬 우수하다고 지적합니다.
질화규소 광도파관-CPO의 '광신호 초고속도로'
패키징 기판으로서의 거시적 역할과 달리 CPO에서 질화규소의 다른 핵심 역할은 광 신호 전송, 라우팅, 분할, 결합 및 기타 주요 기능을 담당하는 광자 칩 내부의 광 도파관 재료로서의 역할입니다.
이 응용은 CPO에서 질화규소의 가장 필수적인 광학적 가치를 나타냅니다. 이는 주로 온-칩 광 도파관, 마이크로링 공진기, 광 주파수 빗, 파장-분할 다중화기, 편광 빔 분할기, 격자 커플러 및 기타 모든 수동 광학 장치를 제작하는 데 사용되며 신호 분배, 전송, 필터링 및 다중화/역다중화를 위한 CPO 광학 엔진 내부에 완전한 광학 네트워크를 형성합니다. 이는 InP 활성 칩과 하이브리드{4}}통합되는 경우가 많으며 NVIDIA의 차세대 3.2T CPO 광학 모듈에 대한 표준 기술 로드맵이 되었습니다.-
실리콘 대신 질화규소를 사용하는 이유는 무엇입니까? 질화규소는 약 1.98의 굴절률을 갖고 있어 Si 도파관(약 3.4)과 실리카 클래딩(약 1.44) 사이의 광학장 감금을 제공하므로 굴절률 대비가 높고 단면적이 작은 에지 커플러를 설계하는 데 가장 유망한 재료 중 하나입니다.{3}} 더 중요한 점은 CPO 고전력 시나리오에서 실리콘 도파관은 2개-광자 흡수로 인해 소손될 수 있는 반면, 실리콘 질화물은 밴드갭이 넓어 이 문제가 발생하지 않으므로 고전력 광 신호 전송에 이상적인 선택이라는 점입니다.-
또한 질화규소 광 도파관 공정 호환성으로 인해 이종 통합 기회가 열립니다. 질화규소 박막 증착 공정(LPCVD/PECVD/마그네트론 스퍼터링)은 성숙 단계에 이르렀으며 CMOS{2}}호환됩니다. 400도 미만의 공정 온도에서 저온 PECVD 증착을 사용하면 프런트엔드 CMOS 칩이나 III{7}}V 활성 칩이 손상되지 않아 웨이퍼에 직접 모놀리식 통합이 가능하고 TSMC의 COUPE 실리콘-포토닉스 CPO 공정 플랫폼과 호환성이 높습니다.
요약하면, CPO의 질화규소 광 도파관은 온칩 광 전송 '초고속도로'이자 광섬유{1}}대-칩 광 결합을 위한 '브리지' 역할을 하여 고성능 광자 집적 회로를 구축하기 위한 핵심 기능 소재가 됩니다.-
기술 및 산업화 현황
실리콘 질화물 기판:
CETC(China Electronics Technology Group Corporation)는 자사의 CPO 세라믹 기판이 최종 R&D 스프린트 단계에 있으며 3년 이내에 대량 생산에 도달할 것으로 예상된다고 명시적으로 밝혔습니다. Fude Technology의 TFC 박막-필름 세라믹 기판 제품은 높은 표면 평탄도와 칩과 일치하는 CTE를 갖추고 있으며 "CPO 패키징을 위한 이상적인 캐리어 플랫폼 중 하나"로 자리매김하고 있습니다. Sinocera Materials는 투자설명회 기록을 통해 자회사인 Sinocera Saichuang이 광학 모듈용 세라믹 기판에 대한 기술 보유고를 보유하고 있다고 밝혔습니다.
실리콘 질화물 광 도파관:
해외에서는 Solindes Photonics가 단일 장치로 28개의 파장 채널을 출력하고 광 변환 효율이 60%에 달하는 CPO에 적합한 질화규소 마이크로콤 광원을 출시했습니다. ISSCC 2026에서 TSMC는 실리콘 질화물 도파관을 표준 수동 광 도파관 솔루션으로 채택한 실리콘{5}}포토닉스 CPO 플랫폼을 공개했습니다. 국내 포토닉 파운드리들은 이미 패시브 질화규소 포토닉스용 PDK 개발을 완료했으며, 800G 및 1.6T CPO 검증을 위한 샘플을 점진적으로 도입하고 있습니다.