CPO در آتش است، و نیترید سیلیکون بی سر و صدا در حال جستجو برای موقعیت است

با گسترش-مقیاس بزرگ مدل‌های بزرگ هوش مصنوعی و پیشرفت مستمر محاسبات با کارآیی بالا، اتصالات سنتی مس با «گلوگاه‌های ارتباطی» و «دیوارهای قدرت» شدیدی مواجه هستند. ماهیت اپتیک بسته بندی شده (CPO) این است که سوئیچ ASIC، تراشه های فوتونیک سیلیکونی، لیزرها و آرایه های فیبر را روی یک بستر بسته بندی برگرداند. فاصله انتقال سیگنال‌های الکتریکی از «مقیاس سانتی‌متری» به «مقیاس میلی‌متری» به‌شدت کاهش می‌یابد، که به طور قابل‌توجهی طول اتصال الکتریکی را کاهش می‌دهد و مصرف برق را به میزان 30 تا 50 درصد کاهش می‌دهد و آن را به مسیری حیاتی برای شکستن این تنگناها تبدیل می‌کند.

واضح است که وقتی موتورهای نوری دیگر به پنل جلویی سوئیچ وصل نمی‌شوند، اما در عوض با تراشه‌های محاسباتی «هم‌زیستی» می‌کنند، سیستم بسیار پیچیده‌تر می‌شود و انتخاب مواد به عامل تعیین‌کننده در رسیدن به تولید انبوه CPO تبدیل می‌شود. در این دور از پیکربندی مجدد مواد، نیترید سیلیکون (Si3N4) به عنوان یک بازیکن خاص برجسته می‌شود-دو نقش کاملاً متفاوت و در عین حال حیاتی را در CPO ایفا می‌کند: یکی، به عنوان یک بستر سرامیکی نیترید سیلیکون، به عنوان حامل فیزیکی و پایه اتلاف حرارت-برای دستگاه‌های CPO عمل می‌کند. دیگری، به عنوان یک موجبر نوری نیترید سیلیکون، به عنوان کانال انتقال سیگنال نوری در داخل تراشه فوتونیک عمل می کند.

بستر سرامیکی سیلیکون نیترید: حامل ترجیحی برای بسته بندی CPO

همانطور که در بالا ذکر شد، در بسته‌بندی یکپارچه{0}}CPO با چگالی بالا، موتورهای نوری و تراشه‌های سوئیچ در فضای بسیار کوچکی به‌طور محکمی ادغام می‌شوند. یکپارچه‌سازی سیستم بالاتر است، مسیرهای اتصال الکترونیکی نوری کوتاه‌تر است، و مصرف انرژی کمتر است-همه خوب است. با این حال، با تعداد بسیار زیادی از دستگاه‌های پرقدرت-که در کنار هم قرار می‌گیرند و به طور همزمان کار می‌کنند، مقدار زیادی گرما جمع می‌شود. داده های ادبیات نشان می دهد که برای دستگاه های الکترونیکی، هر 10 درجه افزایش دما معمولاً طول عمر موثر دستگاه را 30 تا 50 درصد کاهش می دهد. اگر این گرما نتواند به موقع از بین برود، باعث می شود دمای محل اتصال به سرعت افزایش یابد و منجر به کاهش عملکرد یا حتی خرابی شود.

زیرلایه بسته‌بندی، جزء اصلی{0} اتلاف کننده گرما است. در میان مواد سنتی، بسترهای آلی (مانند FR{3}}4) دارای رسانایی حرارتی پایین و تطابق ضعیف CTE هستند، و نمی‌توانند الزامات اتلاف توان بالای CPO را برآورده کنند. بسترهای سرامیکی، به ویژه بسترهای سرامیکی نیترید سیلیکون، به دلیل استحکام بالا، رسانایی حرارتی بالا و تطابق CTE، به مواد بستر اصلی برای بسته‌بندی CPO تبدیل شده‌اند.

نیترید سیلیکون با "خوب- گرد شدن برنده می شود."

اول اینکه رسانایی حرارتی آن بسیار خوب است. در مراحل اولیه تحقیق، هدایت حرارتی دمای اتاق Si₃N4 20-70 W/(m·K) بود که بسیار کمتر از AlN و SiC بود، بنابراین عملکرد حرارتی آن توجه زیادی را به خود جلب نکرد. در سال 1995 این تصور تغییر کرد. دانشمند هاگرتی، از طریق تئوری حمل و نقل حالت جامد کلاسیک، محاسبه کرد که رسانایی حرارتی کم Si3N4 عمدتاً به دلیل نقص و ناخالصی های شبکه است و پیش بینی کرد که حداکثر نظری آن می تواند به 320 W/(m·K) برسد. به لطف تلاش‌های مشترک در تحقیقات و صنعت، هدایت حرارتی سرامیک‌های نیترید سیلیکون اکنون از 177 W/(m·K) فراتر رفته است. در مقایسه با بسترهای رزین سنتی، که رسانایی حرارتی کمتر از 1 W/(m·K) دارند، این یک تغییر{13} بازی است.

دوم، نیترید سیلیکون دارای ضریب انبساط حرارتی پایین (CTE) فقط در حدود 3.2 × 10-6/ درجه است، تقریباً یک - ضریب انبساط حرارتی Al2O3. بسته‌های CPO حاوی چندین ماده-تراشه‌های سیلیکونی، تراشه‌های نیمه‌رسانای مرکب III{{5}V (مانند لیزرهای InP)-هر کدام با CTE‌های متفاوت هستند. هنگامی که گرمای موضعی افزایش می‌یابد، تطبیق CTE مستقیماً طول عمر اتصال لحیم کاری تحت چرخه حرارتی را تعیین می‌کند. CTE نیترید سیلیکون بسیار نزدیک به مواد مبتنی بر سیلیکون-است، بنابراین استفاده از آن به عنوان بستر می‌تواند تا حد زیادی عدم تطابق کرنش بین مواد مختلف را در طول چرخه‌های حرارتی کاهش دهد.

سوم، خواص مکانیکی نیترید سیلیکون برجسته است. مدول الاستیک آن 320 گیگا پاسکال و استحکام خمشی آن 920 مگاپاسکال است. چنین عملکرد مکانیکی برتر به این معنی است که می‌توان بستر را نازک‌تر کرد-نیترید سیلیکون را می‌توان به 0.32 میلی‌متر یا حتی 0.25 میلی‌متر کاهش داد، در حالی که نیترید آلومینیوم، به دلیل شکنندگی، باید در 0.62 میلی‌متر نگه داشته شود. بستر نازک‌تر شکاف هدایت حرارتی را می‌بندد: اگرچه AlN رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به Si3N4 دارد، مقاومت حرارتی کلی نیترید سیلیکون فوق نازک اساساً برابر با AlN ضخیم‌تر است. علاوه بر این، نیترید سیلیکون دارای چقرمگی کلی بیشتری است، باعث کاهش تراشه لبه و شکستگی در طول تولید دسته‌ای صنعتی می‌شود و در نتیجه بازده تولید را بهبود می‌بخشد.

از نظر هزینه، نیترید سیلیکون به طور قابل توجهی گرانتر از آلومینا است، اما تنها حدود 60٪ قیمت نیترید آلومینیوم است. در ترکیب با ماژول‌های یکپارچه TFC (-فیلم سرامیک نازک) که با یک-هم‌پخت-یک مرحله‌ای تشکیل شده‌اند، هزینه‌های کلی تولید می‌تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

بنابراین، آگاهان صنعت خاطرنشان می‌کنند که در کل زنجیره صنعت ارتباطات نوری و بسته‌بندی یکپارچه CPO، نیترید سیلیکون ماده زیرلایه‌ای است که به بهترین وجه با روندهای فناوری آینده همسو می‌شود و شایستگی کلی آن بسیار بیشتر از نیترید آلومینیوم است.

موجبر نوری سیلیکون نیترید-«ابر بزرگراه سیگنال نوری» CPO

بر خلاف نقش ماکروسکوپی آن به عنوان یک بستر بسته بندی، نقش اصلی دیگر نیترید سیلیکون در CPO به عنوان یک ماده موجبر نوری در داخل تراشه فوتونی است که مسئول انتقال سیگنال نوری، مسیریابی، تقسیم، ترکیب و سایر عملکردهای کلیدی است.

این برنامه ضروری ترین ارزش نوری نیترید سیلیکون را در CPO نشان می دهد. عمدتاً برای ساخت{1}رابرهای نوری تراشه، تشدید کننده‌های میکرورینگ، شانه‌های فرکانس نوری، مالتی پلکسرهای تقسیم طول موج-، تقسیم‌کننده‌های پرتو قطبی، جفت‌کننده‌های گریتینگ، و سایر دستگاه‌های نوری غیرفعال استفاده می‌شود که شبکه توزیع نوری کامل را در داخل CPO فیلترینگ و موتور انتقال نوری چندگانه، سیگنالینگ/موتور نوری چندگانه برای علامت‌گذاری/تقسیم‌بندی نوری تشکیل می‌دهد. اغلب ترکیبی-با تراشه‌های فعال InP است و به نقشه راه فناوری استاندارد برای ماژول‌های نوری- نسل بعدی 3.2T CPO NVIDIA تبدیل شده است.

چرا به جای سیلیکون نیترید سیلیکون؟ نیترید سیلیکون دارای ضریب شکستی در حدود 1.98 است که محصور میدان نوری را بین موجبرهای Si (≈3.4) و روکش سیلیسی (≈1.44) فراهم می‌کند و آن را به یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد برای طراحی جفت‌کننده‌های لبه با کنتراست شاخص بالا و مقطع{3} کوچک تبدیل می‌کند. مهمتر از همه، در سناریوهای{5}}قدرت بالای CPO، موجبرهای سیلیکونی از دو-جذب فوتون رنج می‌برند و می‌توانند بسوزند، در حالی که نیترید سیلیکون دارای شکاف باند وسیعی است و از این مشکل رنج نمی‌برد، و آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای انتقال سیگنال‌های نوری با قدرت بالا تبدیل می‌کند.

علاوه بر این، سازگاری فرآیند موجبر نوری نیترید سیلیکون فرصت‌های یکپارچه‌سازی ناهمگن را باز می‌کند. فرآیندهای رسوب لایه نازک نیترید سیلیکون- (LPCVD/PECVD/ کندوپاش مگنترون) بالغ و سازگار با CMOS- هستند. با استفاده از رسوب{4}PECVD در دمای پایین در دمای فرآیند کمتر از 400 درجه، به تراشه‌های CMOS جلویی یا تراشه‌های فعال III{7}V آسیبی وارد نمی‌کند، و امکان یکپارچه‌سازی یکپارچه را مستقیماً روی ویفرها فراهم می‌کند، که بسیار با فونیک‌های سیلیکونی CPO COUPE TSMC سازگار است.

به طور خلاصه، موجبرهای نوری نیترید سیلیکون در CPO نقش دوگانه ای را به عنوان -روی تراشه انتقال نوری "ابر بزرگراه" و به عنوان "پل" برای اتصال فیبر به

وضعیت فعلی فناوری و صنعتی شدن

بسترهای نیترید سیلیکون:
CETC (شرکت گروه فناوری الکترونیک چین) به صراحت اعلام کرده است که بسترهای سرامیکی CPO آن در مرحله نهایی R&D اسپرینت هستند و انتظار می‌رود ظرف سه سال به تولید انبوه برسند. محصولات زیرلایه سرامیکی نازک{1}TFC شرکت Fude Technology، با سطح مسطح بالای خود و تطابق CTE با تراشه ها، به عنوان "یکی از پلت فرم های حامل ایده آل برای بسته بندی CPO" قرار می گیرند. Sinocera Materials در سوابق روابط سرمایه‌گذار خود فاش کرد که شرکت تابعه آن، Sinocera Saichuang، دارای ذخایر فنی برای بسترهای سرامیکی برای ماژول‌های نوری است.

موجبرهای نوری سیلیکون نیترید:
در خارج از کشور، Solindes Photonics یک منبع نوری میکرو{0}}نیترید سیلیکونی را راه اندازی کرده است که برای CPO سازگار شده است، با یک دستگاه واحد که قادر به خروجی 28 کانال طول موج و بازده تبدیل نوری 60 درصد است. در ISSCC 2026، TSMC از پلت فرم CPO سیلیکونی-فتونیک خود پرده برداری کرد و موجبرهای نیترید سیلیکون را به عنوان راه حل استاندارد منفعل نوری منفعل معرفی کرد. ریخته‌گری‌های فوتونیک داخلی قبلاً توسعه PDK را برای فوتونیک نیترید سیلیکون غیرفعال تکمیل کرده‌اند و به تدریج نمونه‌هایی را برای تأیید CPO 800G و 1.6T معرفی می‌کنند.