CPO火了，氮化硅偷偷“卡位”

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。

共封装光学（CPO）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，功耗直接降了30%-50%，成为突破上述瓶颈的关键路径。

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显而易见，当光引擎不再"插"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。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又十分关键的作用：

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。

氮化硅陶瓷基板，CPO封装的首选载体

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。

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，通常温度每升高10℃，器件有效寿命就降低30%~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。

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。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。

氮化硅能胜出，靠的是"全面"。

首先，氮化硅的导热性能非常给力。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。1995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达320W/（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破177W/(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。

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的1/3。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。

第三，氮化硅机械性能遥遥领先。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到0.62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。

成本方面，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。

因此，有业内人士指出：

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。

氮化硅光波导——CPO的“光信号高速公路”

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。

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，成为英伟达下一代3.2TCPO光模块标准技术路线。

为什么是氮化硅，而不是硅？氮化硅折射率约1.98，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。

另外，氮化硅光波导工艺兼容性打开异构集成空间。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。

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。

技术与产业化落地现状

氮化硅基板

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，被定义为"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。

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，单器件可输出28个波长通道，光转换效率达60%；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、1.6TCPO样品验证。

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。

参开来源：

[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.东方财富网

[2]陶瓷基板在CPO中的应用与技术趋势.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明.中瓷电子

[4]CPO的大火，已经烧到材料端了.粉体网

[5]氮化铝PK氮化硅，谁是预防芯片“中暑”的最强基板材料？.粉体网