עם הפריסה-בקנה מידה גדול של מודלים גדולים של AI וההתקדמות המתמשכת של מחשוב-בעלי ביצועים גבוהים, חיבורי נחושת מסורתיים מתמודדים עם "צווארי בקבוק" ו"חומות כוח" חמורות. המהות של -אופטיקה ארוזה (CPO) היא להחזיר את המתג ASIC, שבבי סיליקון פוטוניים, לייזרים ומערכים סיבים למצע אריזה יחיד. מרחק השידור של אותות חשמליים מתקצר באופן דרסטי מ"סקאלה של סנטימטר" ל"סקאלה של מילימטר", מה שמפחית באופן משמעותי את אורך החיבורים החשמליים וקיצוץ צריכת החשמל ב-30%-50%, מה שהופך אותו לנתיב קריטי לפריצת צווארי בקבוק אלו.
ברור שכאשר מנועים אופטיים כבר לא "מחוברים" ללוח הקדמי של המתג אלא "מתגוררים יחד" עם שבבי מחשוב, המערכת הופכת למורכבת הרבה יותר, ובחירת החומרים הופכת לגורם המכריע בשאלה האם CPO יכול להגיע לייצור המוני. בסבב זה של תצורה מחדש של חומר, סיליקון ניטריד (Si₃N₄) בולט כשחקן מיוחד-הוא ממלא שני תפקידים שונים אך קריטיים ב-CPO: האחד, כמצע קרמי סיליקון ניטריד, המשמש כנשא הפיזי ובסיס לפיזור-חום עבור CPO; השני, כמוליך גל אופטי של סיליקון ניטריד, המשמש כערוץ העברת האות האופטי בתוך השבב הפוטוני.
מצע קרמי סיליקון ניטריד: המנשא המועדף לאריזת CPO
כפי שהוזכר לעיל, באריזה המשולבת-בצפיפות גבוהה של CPO, מנועים אופטיים ושבבי מתג משולבים היטב בתוך שטח קטן במיוחד. שילוב המערכת גבוה יותר, נתיבי החיבור האופטו-אלקטרוניים קצרים יותר וצריכת החשמל נמוכה יותר- הכל טוב. עם זאת, עם כל כך הרבה התקנים- בהספק גבוה ארוזים יחד ופועלים בו-זמנית, כמות גדולה של חום מצטברת. נתוני ספרות מראים כי עבור מכשירים אלקטרוניים, כל עלייה של 10 מעלות בטמפרטורה מפחיתה בדרך כלל את חיי המכשיר האפקטיבי ב-30%-50%. אם לא ניתן לפזר את החום הזה בזמן, זה יגרום לטמפרטורות הצומת לעלות במהירות, מה שיוביל לירידה בביצועים או אפילו לכשל.
מצע האריזה הוא הרכיב העיקרי -המפזר את החום. בין החומרים המסורתיים, מצעים אורגניים (כגון FR-4) בעלי מוליכות תרמית נמוכה והתאמת CTE לקויה, שאינם עומדים בדרישות פיזור ההספק הגבוה של CPO. מצעים קרמיים, במיוחד מצעים קרמיים סיליקון ניטריד, הפכו לחומר המצע העיקרי לאריזת CPO בשל חוזקם הגבוה, מוליכות תרמית גבוהה והתאמת CTE.
סיליקון ניטריד מנצח בכך שהוא "מעוגל היטב".
ראשית, המוליכות התרמית שלו טובה להפליא. בשלבים המוקדמים של המחקר, המוליכות התרמית- בחדר של Si₃N₄ הייתה 20-70 W/(m·K), נמוכה בהרבה מזו של AlN ו- SiC, כך שהביצועים התרמיים שלו לא משכו תשומת לב רבה. בשנת 1995 השתנתה תפיסה זו. המדען האגרטי, באמצעות תיאוריית התחבורה של מצב מוצק- הקלאסית, חישב שהמוליכות התרמית הנמוכה של Si₃N₄ נובעת בעיקר מפגמים וזיהומים בסריג, וחזה שהמקסימום התיאורטי שלו יכול להגיע ל-320 W/(m·K). הודות למאמצים משותפים במחקר ובתעשייה, המוליכות התרמית של קרמיקה סיליקון ניטריד עלתה כעת על 177 W/(m·K). בהשוואה למצעי שרף מסורתיים, בעלי מוליכות תרמית מתחת ל-1 W/(m·K), זהו מחליף משחק-.
שנית, לסיליקון ניטריד יש מקדם התפשטות תרמית (CTE) נמוך של כ-3.2×10⁻⁶/מעלה בלבד, בערך שליש מזה של Al₂O₃. חבילות CPO מכילות חומרים מרובים-שבבי סיליקון, III-שבבי מוליכים למחצה מורכבים (כגון לייזרים InP)-כל אחד עם CTEs שונים. כאשר עליית חום מקומית, התאמת CTE קובעת ישירות את משך החיים של מפרק הלחמה ברכיבה תרמית. ה-CTE של סיליקון ניטריד קרוב מאוד לזה של חומרים מבוססי סיליקון-, כך שהשימוש בו כמצע יכול להקל מאוד על חוסר ההתאמה של המתח בין חומרים שונים במהלך מחזורים תרמיים.
שלישית, התכונות המכניות של סיליקון ניטריד יוצאות מן הכלל. מודול האלסטי שלו הוא 320 GPa, וחוזק הכיפוף שלו הוא 920 MPa. ביצועים מכניים מעולים כאלה פירושם שניתן להפוך את המצע לדק יותר-ניתן להפחית את הסיליקון ניטריד ל-0.32 מ"מ או אפילו 0.25 מ"מ, ואילו ניטריד מאלומיניום, עקב שבירות, חייב להישמר ב-0.62 מ"מ. המצע הדק יותר סוגר את פער המוליכות התרמית: למרות של-AlN יש מוליכות תרמית גבוהה יותר מ-Si₃N₄, ההתנגדות התרמית הכוללת של ניטריד סיליקון דק במיוחד היא דומה לזו של AlN עבה יותר. יתר על כן, לסיליקון ניטריד יש קשיחות כללית גדולה יותר, ומפחיתה סתתים ושבירת קצה במהלך ייצור אצווה תעשייתי, ובכך משפר את תפוקת הייצור.
במונחים של עלות, סיליקון ניטריד יקר משמעותית מאלומינה אך רק כ-60% מהמחיר של אלומיניום ניטריד. בשילוב עם מודולים משולבים של TFC (-סרט קרמיקה דק) שנוצרו על ידי שילוב-שלב אחד-, ניתן להפחית משמעותית את עלויות הייצור הכוללות.
לכן, מקורבים בתעשייה מציינים שבכל שרשרת תעשיית התקשורת האופטית ובנישת האריזה המשולבת של CPO, סיליקון ניטריד הוא חומר המצע הליבה המתאים בצורה הטובה ביותר עם מגמות הטכנולוגיה העתידיות, כאשר ההתאמה הכוללת עולה בהרבה על זו של ניטריד אלומיניום.
מוליך גלים אופטי של סיליקון ניטריד-"הכביש המהיר של האות האופטי" של CPO
בניגוד לתפקידו המקרוסקופי כמצע אריזה, תפקיד הליבה הנוסף של סיליקון ניטריד ב-CPO הוא כחומר מוליך גל אופטי בתוך השבב הפוטוני, האחראי על שידור אות אופטי, ניתוב, פיצול, שילוב ופונקציות מפתח אחרות.
יישום זה מייצג את הערך האופטי החיוני ביותר של סיליקון ניטריד ב-CPO. הוא משמש בעיקר לייצור על-מוליכי גל אופטיים, מהודים מיקרו-רינגים, מסרקות תדר אופטיות, מרובי חלוקת אורך גל-, מפצלי אלומת קיטוב, מצמדי גרינג וכל שאר ההתקנים האופטיים הפאסיביים, היוצרים את הרשת האופטית השלמה בתוך המנוע האופטי של CPO לחלוקת אותות/סינון, שידור וסינון מרובה אותות. לעתים קרובות הוא משולב-היברידי עם שבבים פעילים של InP והפך למפת הדרכים הטכנולוגית הסטנדרטית עבור מודולים אופטיים 3.2T CPO מהדור הבא של-NVIDIA.
למה סיליקון ניטריד במקום סיליקון? לסיליקון ניטריד יש אינדקס שבירה של כ-1.98, המספק כליאת שדה אופטי בין זה של מוליכי גל Si (≈3.4) וחיפוי סיליקה (≈1.44), מה שהופך אותו לאחד החומרים המבטיחים ביותר לתכנון מצמדי קצוות עם ניגודיות אינדקס גבוהה וחתכים קטנים-. חשוב מכך, בתרחישי הספק-גבוהים של CPO, מוליכי גל סיליקון סובלים מספיגת-פוטונים בשניים ויכולים להישרף, בעוד לסיליקון ניטריד יש פער פס רחב ואינו סובל מבעיה זו, מה שהופך אותו לבחירה אידיאלית להעברת אותות אופטיים-בעוצמה גבוהה.
בנוסף, תאימות תהליך מוליך גל אופטי של סיליקון ניטריד פותחת הזדמנויות אינטגרציה הטרוגניות. תהליכי שקיעת סרט דק-סיליקון ניטריד (קיזת LPCVD/PECVD/מגנטרון) הם בוגרים ותואמים CMOS-. שימוש בתצהיר PECVD בטמפרטורה-נמוכה בטמפרטורות תהליך מתחת ל-400 מעלות, הוא אינו פוגע בשבבי CMOS-קדמיים או בשבבי III-V פעילים, מה שמאפשר אינטגרציה מונוליטית ישירות על פרוסות, תואם מאוד לפלטפורמת תהליך CPO של TSMC COUPE סיליקון-.
לסיכום, מובילי גל אופטיים של סיליקון ניטריד ב-CPO ממלאים תפקיד כפול בתור השידור האופטי-על השבב ה"על-מהיר" וכ"גשר" עבור צימוד אופטי-ל-שבב, מה שהופך אותם לחומר הליבה הפונקציונלי לבניית מעגלים פוטוניים בעלי ביצועים- גבוהים.
המצב הנוכחי של הטכנולוגיה והתיעוש
מצעי סיליקון ניטריד:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) הצהירה במפורש כי מצעי ה-CPO הקרמיים שלה נמצאים בשלב הספרינט הסופי של מו"פ וצפויים להגיע לייצור המוני תוך שלוש שנים. מוצרי מצע קרמי מסוג TFC דק-של Fude Technology, עם שטוחות פני השטח הגבוהה שלהם והתאמת CTE עם שבבים, ממוקמים כ"אחת מפלטפורמות הנשא האידיאליות לאריזת CPO." Sinocera Materials חשפה ברישומי קשרי המשקיעים שלה כי לחברה הבת, Sinocera Saichuang, יש עתודות טכניות עבור מצעים קרמיים עבור מודולים אופטיים.
מובילי גל אופטיים של סיליקון ניטריד:
בחו"ל, Solindes Photonics השיקה מקור אור מיקרו-סיליקון ניטריד המותאם ל-CPO, עם מכשיר יחיד המסוגל להוציא 28 ערוצי אורך גל ויעילות המרה אופטית של 60%. ב-ISSCC 2026, TSMC חשפה את פלטפורמת הסיליקון -פוטוניקת CPO שלה, המאמצת מוליכי גל סיליקון ניטריד כפתרון מוליך גל אופטי פסיבי סטנדרטי. בתי יציקה פוטוניים מקומיים כבר השלימו פיתוח PDK עבור פוטוניקת סיליקון ניטריד פסיבית ומציגות בהדרגה דגימות לאימות 800G ו-1.6T CPO.