सीपीओ में आग लगी हुई है, और सिलिकॉन नाइट्राइड चुपचाप पद के लिए दौड़ रहा है

एआई बड़े मॉडलों की बड़े पैमाने पर तैनाती और उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग की निरंतर प्रगति के साथ, पारंपरिक तांबे के इंटरकनेक्ट को गंभीर "संचार बाधाओं" और "पावर दीवारों" का सामना करना पड़ रहा है। सह-पैकेज्ड ऑप्टिक्स (सीपीओ) का सार स्विच एएसआईसी, सिलिकॉन फोटोनिक चिप्स, लेजर और फाइबर एरे को एक ही पैकेजिंग सब्सट्रेट पर वापस लाना है। विद्युत संकेतों की संचरण दूरी को "सेंटीमीटर स्केल" से "मिलीमीटर स्केल" तक काफी कम कर दिया गया है, जिससे विद्युत इंटरकनेक्ट लंबाई में काफी कमी आई है और बिजली की खपत में 30% -50% की कटौती हुई है, जिससे यह इन बाधाओं को तोड़ने का एक महत्वपूर्ण मार्ग बन गया है।

स्पष्ट रूप से, जब ऑप्टिकल इंजन अब स्विच फ्रंट पैनल में "प्लग" नहीं होते हैं, बल्कि कंप्यूट चिप्स के साथ "सहवास" करते हैं, तो सिस्टम कहीं अधिक जटिल हो जाता है, और सामग्री चयन निर्णायक कारक बन जाता है कि सीपीओ बड़े पैमाने पर उत्पादन तक पहुंच सकता है या नहीं। सामग्री पुनर्विन्यास के इस दौर में, सिलिकॉन नाइट्राइड (Si₃N₄) एक विशेष खिलाड़ी के रूप में सामने आता है। यह सीपीओ में दो अलग-अलग लेकिन महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है: एक, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट के रूप में, सीपीओ उपकरणों के लिए भौतिक वाहक और गर्मी अपव्यय आधार के रूप में कार्य करता है; दूसरा, सिलिकॉन नाइट्राइड ऑप्टिकल वेवगाइड के रूप में, फोटोनिक चिप के अंदर ऑप्टिकल सिग्नल ट्रांसमिशन चैनल के रूप में कार्य करता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट: सीपीओ पैकेजिंग के लिए पसंदीदा वाहक

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, सीपीओ की उच्च घनत्व वाली एकीकृत पैकेजिंग में, ऑप्टिकल इंजन और स्विच चिप्स को बेहद छोटी जगह में मजबूती से एकीकृत किया जाता है। सिस्टम एकीकरण अधिक है, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक इंटरकनेक्ट पथ छोटे हैं, और बिजली की खपत कम है, सब कुछ अच्छा है। हालाँकि, इतने सारे उच्च -शक्ति वाले उपकरणों को एक साथ पैक करने और एक साथ संचालित करने से, बड़ी मात्रा में गर्मी जमा हो जाती है। साहित्यिक डेटा से पता चलता है कि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए, तापमान में प्रत्येक 10 डिग्री की वृद्धि आम तौर पर प्रभावी डिवाइस जीवनकाल को 30% -50% तक कम कर देती है। यदि इस गर्मी को समय पर नष्ट नहीं किया जा सकता है, तो इससे जंक्शन का तापमान तेजी से बढ़ेगा, जिससे प्रदर्शन में गिरावट या विफलता भी हो सकती है।

पैकेजिंग सब्सट्रेट प्राथमिक ऊष्मा नष्ट करने वाला घटक है। पारंपरिक सामग्रियों में, कार्बनिक सबस्ट्रेट्स (जैसे कि एफआर -4) में कम तापीय चालकता और खराब सीटीई मिलान होता है, जो सीपीओ की उच्च-शक्ति अपव्यय आवश्यकताओं को पूरा करने में विफल रहता है। सिरेमिक सब्सट्रेट, विशेष रूप से सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट, अपनी उच्च शक्ति, उच्च तापीय चालकता और सीटीई मिलान के कारण सीपीओ पैकेजिंग के लिए प्रमुख सब्सट्रेट सामग्री बन गए हैं।

सिलिकॉन नाइट्राइड "अच्छी तरह से गोल" होने के कारण जीतता है।

सबसे पहले, इसकी तापीय चालकता उल्लेखनीय रूप से अच्छी है। अनुसंधान के प्रारंभिक चरण में, कमरे के तापमान पर Si₃N₄ की तापीय चालकता 20-70 W/(m·K) थी, जो AlN और SiC की तुलना में बहुत कम थी, इसलिए इसके तापीय प्रदर्शन ने अधिक ध्यान आकर्षित नहीं किया। 1995 में यह धारणा बदल गई। वैज्ञानिक हैगर्टी ने शास्त्रीय ठोस अवस्था परिवहन सिद्धांत के माध्यम से गणना की कि Si₃N₄ की कम तापीय चालकता मुख्य रूप से जाली दोषों और अशुद्धियों के कारण है, और भविष्यवाणी की कि इसकी सैद्धांतिक अधिकतम 320 W/(m·K) तक पहुंच सकती है। अनुसंधान और उद्योग में संयुक्त प्रयासों के लिए धन्यवाद, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता अब 177 W/(m·K) से अधिक हो गई है। पारंपरिक रेज़िन सबस्ट्रेट्स की तुलना में, जिनकी तापीय चालकता 1 W/(m·K) से कम है, यह एक गेम चेंजर है।

दूसरा, सिलिकॉन नाइट्राइड में थर्मल विस्तार (सीटीई) का कम गुणांक केवल 3.2×10⁻⁶/डिग्री होता है, जो लगभग Al₂O₃ का एक तिहाई है। सीपीओ पैकेज में कई सामग्रियां शामिल होती हैं {{4}सिलिकॉन चिप्स, III{5}V कंपाउंड सेमीकंडक्टर चिप्स (जैसे InP लेजर) {{6}प्रत्येक अलग-अलग CTE के साथ। जब स्थानीय गर्मी बढ़ती है, तो सीटीई मिलान सीधे थर्मल साइक्लिंग के तहत सोल्डर संयुक्त जीवनकाल निर्धारित करता है। सिलिकॉन नाइट्राइड का CTE सिलिकॉन आधारित सामग्रियों के बहुत करीब है, इसलिए इसे सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करने से थर्मल चक्र के दौरान विभिन्न सामग्रियों के बीच तनाव बेमेल को काफी हद तक कम किया जा सकता है।

तीसरा, सिलिकॉन नाइट्राइड के यांत्रिक गुण उत्कृष्ट हैं। इसका लोचदार मापांक 320 GPa है, और इसकी लचीली ताकत 920 MPa है। इस तरह के बेहतर यांत्रिक प्रदर्शन का मतलब है कि सब्सट्रेट को पतला बनाया जा सकता है। सिलिकॉन नाइट्राइड को 0.32 मिमी या यहां तक ​​कि 0.25 मिमी तक कम किया जा सकता है, जबकि एल्यूमीनियम नाइट्राइड को भंगुरता के कारण 0.62 मिमी पर रखा जाना चाहिए। पतला सब्सट्रेट तापीय चालकता अंतर को बंद कर देता है: हालांकि AlN में Si₃N₄ की तुलना में अधिक तापीय चालकता है, लेकिन अल्ट्रा{9}}पतले सिलिकॉन नाइट्राइड का समग्र तापीय प्रतिरोध अनिवार्य रूप से मोटे AlN के बराबर है। इसके अलावा, सिलिकॉन नाइट्राइड में समग्र कठोरता अधिक होती है, जो औद्योगिक बैच उत्पादन के दौरान किनारों के छिलने और टूटने को कम करती है, जिससे विनिर्माण उपज में सुधार होता है।

लागत के संदर्भ में, सिलिकॉन नाइट्राइड एल्यूमिना की तुलना में काफी अधिक महंगा है, लेकिन एल्यूमीनियम नाइट्राइड की कीमत केवल 60% है। एक चरण सह{4}सिंटरिंग द्वारा गठित टीएफसी (पतले-फिल्म सिरेमिक) एकीकृत मॉड्यूल के साथ मिलकर, कुल उत्पादन लागत को काफी कम किया जा सकता है।

इसलिए, उद्योग के अंदरूनी सूत्र बताते हैं कि संपूर्ण ऑप्टिकल संचार उद्योग श्रृंखला और सीपीओ एकीकृत पैकेजिंग क्षेत्र में, सिलिकॉन नाइट्राइड मुख्य सब्सट्रेट सामग्री है जो भविष्य के प्रौद्योगिकी रुझानों के साथ सबसे अच्छी तरह से संरेखित होती है, जिसकी समग्र उपयुक्तता एल्यूमीनियम नाइट्राइड से कहीं अधिक है।

सिलिकॉन नाइट्राइड ऑप्टिकल वेवगाइड-सीपीओ का "ऑप्टिकल सिग्नल सुपरहाइवे"।

पैकेजिंग सब्सट्रेट के रूप में इसकी मैक्रोस्कोपिक भूमिका के विपरीत, सीपीओ में सिलिकॉन नाइट्राइड की अन्य मुख्य भूमिका फोटोनिक चिप के अंदर एक ऑप्टिकल वेवगाइड सामग्री के रूप में है, जो ऑप्टिकल सिग्नल ट्रांसमिशन, रूटिंग, विभाजन, संयोजन और अन्य प्रमुख कार्यों के लिए जिम्मेदार है।

यह एप्लिकेशन सीपीओ में सिलिकॉन नाइट्राइड के सबसे आवश्यक ऑप्टिकल मूल्य का प्रतिनिधित्व करता है। इसका उपयोग मुख्य रूप से चिप ऑप्टिकल वेवगाइड्स, माइक्रोरिंग रेज़ोनेटर, ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब्स, वेवलेंथ मल्टीप्लेक्सर्स, ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर्स, ग्रेटिंग कप्लर्स और अन्य सभी निष्क्रिय ऑप्टिकल उपकरणों पर निर्माण करने के लिए किया जाता है, जो सिग्नल वितरण, ट्रांसमिशन, फ़िल्टरिंग और मल्टीप्लेक्सिंग/डीमल्टीप्लेक्सिंग के लिए सीपीओ ऑप्टिकल इंजन के अंदर संपूर्ण ऑप्टिकल नेटवर्क बनाते हैं। इसे अक्सर InP सक्रिय चिप्स के साथ एकीकृत किया जाता है और यह NVIDIA की अगली पीढ़ी के 3.2T CPO ऑप्टिकल मॉड्यूल के लिए मानक प्रौद्योगिकी रोडमैप बन गया है।

सिलिकॉन की जगह सिलिकॉन नाइट्राइड क्यों? सिलिकॉन नाइट्राइड का अपवर्तनांक लगभग 1.98 है, जो सी वेवगाइड्स (≈3.4) और सिलिका क्लैडिंग (≈1.44) के बीच ऑप्टिकल क्षेत्र कारावास प्रदान करता है, जिससे यह उच्च सूचकांक कंट्रास्ट और छोटे क्रॉस - अनुभागों के साथ किनारे कप्लर्स को डिजाइन करने के लिए सबसे आशाजनक सामग्रियों में से एक बन जाता है। इससे भी अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि सीपीओ उच्च {{5} पावर परिदृश्यों में, सिलिकॉन वेवगाइड दो {{6} फोटॉन अवशोषण से पीड़ित होते हैं और जल सकते हैं, जबकि सिलिकॉन नाइट्राइड में एक व्यापक बैंडगैप होता है और इस समस्या से ग्रस्त नहीं होता है, जिससे यह उच्च - पावर ऑप्टिकल सिग्नल संचारित करने के लिए एक आदर्श विकल्प बन जाता है।

इसके अलावा, सिलिकॉन नाइट्राइड ऑप्टिकल वेवगाइड प्रक्रिया संगतता विषम एकीकरण के अवसर खोलती है। सिलिकॉन नाइट्राइड पतली{{1}फ़िल्म जमाव प्रक्रियाएं (एलपीसीवीडी/पीईसीवीडी/मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग) परिपक्व और सीएमओएस{{2}संगत हैं। 400 डिग्री से कम प्रक्रिया तापमान पर कम तापमान वाले PECVD जमाव का उपयोग करते हुए, यह फ्रंट{6}अंत CMOS चिप्स या III{7}V सक्रिय चिप्स को नुकसान नहीं पहुंचाता है, जो सीधे वेफर्स पर मोनोलिथिक एकीकरण की अनुमति देता है, जो TSMC के COUPE सिलिकॉन {{8}फोटोनिक्स CPO प्रोसेस प्लेटफॉर्म के साथ अत्यधिक संगत है।

संक्षेप में, सीपीओ में सिलिकॉन नाइट्राइड ऑप्टिकल वेवगाइड ऑन-{0}चिप ऑप्टिकल ट्रांसमिशन "सुपरहाइवे" और फाइबर के लिए "पुल" के रूप में दोहरी भूमिका निभाते हैं, जिससे वे उच्च-प्रदर्शन वाले फोटोनिक एकीकृत सर्किट के निर्माण के लिए मुख्य कार्यात्मक सामग्री बन जाते हैं।

प्रौद्योगिकी और औद्योगीकरण की वर्तमान स्थिति

सिलिकॉन नाइट्राइड सबस्ट्रेट्स:
सीईटीसी (चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशन) ने स्पष्ट रूप से कहा है कि उसके सीपीओ सिरेमिक सब्सट्रेट अंतिम आर एंड डी स्प्रिंट चरण में हैं और तीन साल के भीतर बड़े पैमाने पर उत्पादन तक पहुंचने की उम्मीद है। फ़्यूड टेक्नोलॉजी के टीएफसी पतले -फिल्म सिरेमिक सब्सट्रेट उत्पाद, उनकी उच्च सतह समतलता और चिप्स के साथ सीटीई मिलान के साथ, "सीपीओ पैकेजिंग के लिए आदर्श वाहक प्लेटफार्मों में से एक" के रूप में स्थित हैं। सिनोसेरा मटेरियल्स ने अपने निवेशक संबंध रिकॉर्ड में खुलासा किया कि इसकी सहायक कंपनी सिनोसेरा सैचुआंग के पास ऑप्टिकल मॉड्यूल के लिए सिरेमिक सब्सट्रेट्स के लिए तकनीकी भंडार हैं।

सिलिकॉन नाइट्राइड ऑप्टिकल वेवगाइड्स:
विदेशों में, सोलिंडेस फोटोनिक्स ने सीपीओ के लिए अनुकूलित एक सिलिकॉन नाइट्राइड माइक्रो{0}}कॉम्ब प्रकाश स्रोत लॉन्च किया है, जिसमें एक एकल उपकरण 28 तरंग दैर्ध्य चैनल और 60% की ऑप्टिकल रूपांतरण दक्षता आउटपुट करने में सक्षम है। आईएसएससीसी 2026 में, टीएसएमसी ने मानक निष्क्रिय ऑप्टिकल वेवगाइड समाधान के रूप में सिलिकॉन नाइट्राइड वेवगाइड को अपनाते हुए अपने सिलिकॉन फोटोनिक्स सीपीओ प्लेटफॉर्म का अनावरण किया। घरेलू फोटोनिक फाउंड्रीज ने निष्क्रिय सिलिकॉन नाइट्राइड फोटोनिक्स के लिए पीडीके विकास पहले ही पूरा कर लिया है और धीरे-धीरे 800जी और 1.6टी सीपीओ सत्यापन के लिए नमूने पेश कर रहे हैं।