CPO被吹上天，热管理能跟上吗？

CPO即共封装光学，它是将光引擎与ASIC交换芯片集成至同一基板，缩短电气互连路径、降低传输功耗、提升带宽密度。随着AI算力扩张推动高速互联技术迭代，这套封装理念被市场视作下一代数据中心互连核心方案。市场分析机构Yole预测，CPO市场规模有望从2024年的4600万美元跃升到2030年的81亿美元。

图片来源：英伟达

另外，随着英伟达、博通两大厂商相继宣布CPO交换机小批量交付，行业持续火爆。

但热闹背后，一个绕不开的问题摆在面前：热管理能跟上吗？

CPO的“热”有多难管理？

首先，交换芯片是出了名的"发热大户"，其功耗约750W，芯片尺寸约25mm×25mm，热流密度可高达120W/cm2，这就导致其温度骤增，例如博通Tomahawk系列芯片的结温可以轻松突破120°C。

但是，激光器、微环谐振器等光子器件对温度极为敏感，二者的紧密集成导致热量易积聚，引发器件性能退化、波长漂移、可靠性下降等问题。尤其是激光器，作为光信号产生的核心部件，其热稳定性直接决定CPO模块的寿命，但恰恰它对温度极其敏感——InP激光器的工作温度上限通常只有70°C左右，超过这个温度，波长漂移、功率衰减、寿命骤降，各种问题接踵而至。

研究数据表明：激光器失效占光模块宕机原因的约90%，75℃下连续工作的激光器，5年失效率较25℃时飙升约40倍。

当高功率ASIC与热敏感光器件“同处一个屋檐下”，常规散热手段如风冷等已无能为力。

光芯片封装热管理散热设计图

技术路线：三大思路演进

当前主流CPO散热技术围绕隔离散热、精准控温、封装一体化三大思路演进，分为封装级、器件级、系统级三层方案。

第一，分立式微通道液冷冷板，是现阶段最具备落地条件的方案。针对ASIC与光引擎热源特性差异化设计两套独立微流道散热结构，实现热源热隔离，阻断热串扰。交换芯片侧采用高密度歧管式微通道，疏导集中热点；光引擎侧使用并联均匀流道，保障各个光芯片温度均衡。中科院微电子研究所针对51.2TCPO系统测试验证，该方案可将交换芯片结温控制在97.3℃以内，光模块最高结温维持31.3℃，光器件相互温差控制在2.4℃以内，满足硅光器件工作要求。

第二，芯片内置嵌入式微流道冷却。将微米级冷却通道直接制备于芯片背面，缩短导热路径，大幅降低界面热阻，面向未来1.6T、3.2T超高带宽CPO产品。该技术散热极限更高，但对封装工艺、流体密封、介质兼容性要求严苛，目前仍处于原型验证阶段。

第三，微型热电制冷（μTEC）局部精准控温。面向激光器等极敏感光电器件，利用微型薄膜TEC进行定点恒温调控。但TEC自身存在功耗损耗，难以大面积普及，更多作为辅助温控手段，与液冷主散热系统配合使用。

第四，系统层面备选路线为两相浸没式液冷。整机柜设备浸泡于低沸点介电流体，依靠相变吸热实现全域均温，优势是温度波动极小；短板在于设备改造投入高、光电连接器密封难度大，更适合新建超大规模算力中心。

料革新：打通热量传导“最后一公里”

技术架构落地，必须依靠新一代热管理材料支撑。CPO场景对材料提出三重硬性要求：高导热、热膨胀系数（CTE）匹配、长期高温环境下稳定可靠，材料创新集中在基板载体、热界面材料、散热功能材料三大方向。

其一，高导热陶瓷基板逐步替代传统有机基板。传统有机基板（如FR-4）导热率低于1W/(m·K)，热膨胀系数（CTE）匹配差。在CPO场景中，当交换芯片和光芯片被封装在同一基板上，局部热量骤增时，CTE失配会导致焊点在热循环中疲劳失效。其中，氮化铝（AlN）以170-220W/m·K的导热率，成为800G/1.6T高速光模块散热的首选。而氮化硅陶瓷凭借更优秀的综合性能正成为氮化铝之后首选散热基板。

其二，高性能热界面材料（TIM）降低接触热阻。芯片与冷板之间微米级缝隙是主要热阻来源。传统导热硅脂性能趋近上限，纳米银烧结材料、液态金属、复合相变材料加速导入。要注意的是，在热界面材料迭代中，无硅低挥发成为"必选项"。

金刚石铜散热片，图源：碳真芯材

其三，金刚石等超高导热散热基材拓展应用。金刚石也是自然界中导热系数最高的物质之一，它的导热系数高达2200W/(m·K)，是铜的5.5倍、铝的11倍，且本身是绝缘体，热膨胀系数与硅、SiC、GaN高度匹配。因此，有相关人士指出：单芯片功耗超过1400W时，金刚石不再是"可选项"而是"必需品"。英伟达新一代VeraRubin架构GPU已全面采用"金刚石-铜复合材料+45℃直触式液冷"方案，业界甚至还将2026年视为"金刚石散热规模化应用元年"。

小结

CPO产业想要兑现市场预期，不能只聚焦光芯片、封装技术突破，必须同步推进热管理技术与材料双线突破，两条主线相互支撑，共同构成了CPO时代热管理升级的完整图景。

参考来源：粉体网、光启新视界、光研驿站、AI光通信