ومع النشر الواسع النطاق لنماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة والتقدم المستمر في الحوسبة عالية الأداء-، تواجه الوصلات النحاسية التقليدية "اختناقات اتصال" و"جدران طاقة" حادة. يتمثل جوهر -البصريات المجمعة (CPO) في إعادة المحول ASIC ورقائق السيليكون الضوئية وأشعة الليزر ومصفوفات الألياف إلى ركيزة تعبئة واحدة. يتم تقصير مسافة إرسال الإشارات الكهربائية بشكل كبير من "مقياس السنتيمتر" إلى "مقياس المليمتر"، مما يقلل بشكل كبير من طول التوصيل البيني الكهربائي ويقلل استهلاك الطاقة بنسبة 30٪ إلى 50٪، مما يجعله مسارًا حاسمًا لاختراق هذه الاختناقات.
من الواضح أنه عندما لا يتم "توصيل" المحركات الضوئية باللوحة الأمامية للمفاتيح، بل "تتعايش" مع الرقائق الحاسوبية، يصبح النظام أكثر تعقيدًا بكثير، ويصبح اختيار المواد هو العامل الحاسم في ما إذا كان بإمكان CPO الوصول إلى الإنتاج الضخم. في هذه الجولة من إعادة تشكيل المواد، يبرز نيتريد السيليكون (Si₃N₄) كلاعب خاص-يلعب دورين مختلفين تمامًا ولكن حاسمين في CPO: الأول، كركيزة سيراميك نيتريد السيليكون، بمثابة الناقل المادي وقاعدة تبديد الحرارة- لأجهزة CPO؛ والآخر، بمثابة دليل موجي ضوئي من نيتريد السيليكون، يعمل كقناة نقل الإشارة الضوئية داخل الشريحة الضوئية.
الركيزة الخزفية من نيتريد السيليكون: الناقل المفضل لتغليف CPO
كما ذكرنا أعلاه، في العبوة المتكاملة عالية الكثافة لـ CPO، يتم دمج المحركات الضوئية ورقائق التبديل بإحكام في مساحة صغيرة للغاية. تكامل النظام أعلى، ومسارات التوصيل البيني الإلكترونية الضوئية أقصر، واستهلاك الطاقة أقل-كل شيء جيد. ومع ذلك، فمع وجود عدد كبير جدًا-من الأجهزة عالية الطاقة المجمعة معًا والتي تعمل في وقت واحد، تتراكم كمية كبيرة من الحرارة. تشير البيانات المنشورة إلى أنه بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، فإن كل ارتفاع بمقدار 10 درجات في درجة الحرارة يؤدي عادةً إلى تقليل العمر الفعال للجهاز بنسبة 30% إلى 50%. إذا لم يكن من الممكن تبديد هذه الحرارة في الوقت المناسب، فسوف يتسبب ذلك في ارتفاع درجات حرارة الوصلات بسرعة، مما يؤدي إلى تدهور الأداء أو حتى الفشل.
تعتبر ركيزة التغليف هي المكون الأساسي لتبديد الحرارة. من بين المواد التقليدية، تتميز الركائز العضوية (مثل FR-4) بموصلية حرارية منخفضة ومطابقة CTE ضعيفة، مما يؤدي إلى فشلها في تلبية متطلبات تبديد الطاقة العالية لـ CPO. أصبحت الركائز الخزفية، وخاصة ركائز سيراميك نيتريد السيليكون، مادة الركيزة الرئيسية لتغليف CPO نظرًا لقوتها العالية، والتوصيل الحراري العالي، ومطابقة CTE.
يفوز نيتريد السيليكون بكونه "مستديرًا بشكل جيد".
أولاً، الموصلية الحرارية جيدة بشكل ملحوظ. في المراحل الأولى من البحث، كانت الموصلية الحرارية لدرجة حرارة الغرفة لـ Si₃N₄ 20–70 واط/(م·ك)، وهي أقل بكثير من AlN وSiC، لذلك لم يجذب أدائه الحراري الكثير من الاهتمام. وفي عام 1995، تغير هذا التصور. قام العالم هاجرتي، من خلال نظرية نقل الحالة الصلبة الكلاسيكية، بحساب أن الموصلية الحرارية المنخفضة لـ Si₃N₄ ترجع بشكل أساسي إلى عيوب الشبكة والشوائب، وتوقع أن يصل الحد الأقصى النظري لها إلى 320 واط/(م·ك). بفضل الجهود المشتركة في مجال البحث والصناعة، تجاوزت الموصلية الحرارية لسيراميك نيتريد السيليكون الآن 177 واط/(م·ك). بالمقارنة مع ركائز الراتينج التقليدية، التي تتمتع بموصلية حرارية أقل من 1 وات/(م·ك)، فإن هذا يمثل تغييرًا جذريًا في قواعد اللعبة.
ثانيًا، يتمتع نيتريد السيليكون بمعامل تمدد حراري منخفض (CTE) يبلغ حوالي 3.2×10⁻⁶/ درجة تقريبًا، أي ما يقرب من ثلث معامل التمدد الحراري Al₂O₃. تحتوي حزم CPO على مواد متعددة-رقائق السيليكون، ورقائق أشباه الموصلات المركبة III-V (مثل ليزر InP)-كل منها مزود بـ CTEs مختلفة. عند ارتفاع الحرارة المحلية، تحدد مطابقة CTE بشكل مباشر عمر وصلة اللحام في ظل التدوير الحراري. إن CTE لنيتريد السيليكون قريب جدًا من المواد القائمة على السيليكون-، لذا فإن استخدامه كركيزة يمكن أن يخفف بشكل كبير من عدم تطابق الإجهاد بين المواد المختلفة أثناء الدورات الحرارية.
ثالثًا، الخصائص الميكانيكية لنيتريد السيليكون رائعة. معامل المرونة 320 جيجا باسكال، وقوة الانثناء 920 ميجا باسكال. ويعني هذا الأداء الميكانيكي المتفوق أنه يمكن جعل الركيزة أرق-ويمكن تقليل نيتريد السيليكون إلى 0.32 مم أو حتى 0.25 مم، في حين أن نيتريد الألومنيوم، بسبب الهشاشة، يجب أن يبقى عند 0.62 مم. تغلق الركيزة الرقيقة فجوة التوصيل الحراري: على الرغم من أن AlN لديه موصلية حرارية أعلى من Si₃N₄، فإن المقاومة الحرارية الإجمالية لنتريد السيليكون فائق الرقة - تتساوى بشكل أساسي مع مقاومة AlN الأكثر سمكًا. علاوة على ذلك، يتمتع نيتريد السيليكون بصلابة إجمالية أكبر، مما يقلل من تقطيع الحواف والكسر أثناء إنتاج الدفعات الصناعية، وبالتالي تحسين إنتاجية التصنيع.
من حيث التكلفة، فإن نيتريد السيليكون أغلى بكثير من الألومينا، ولكنه يصل فقط إلى حوالي 60% من سعر نيتريد الألومنيوم. ومن خلال دمجها مع وحدات TFC (-طبقة سيراميك رقيقة) المتكاملة التي تم تشكيلها من خلال عملية تلبيد مشتركة-خطوة واحدة-، يمكن تقليل تكاليف الإنتاج الإجمالية بشكل كبير.
لذلك، يشير المطلعون على الصناعة إلى أنه في سلسلة صناعة الاتصالات البصرية بأكملها وقطاع التعبئة والتغليف المتكامل CPO، فإن نيتريد السيليكون هو مادة الركيزة الأساسية التي تتوافق بشكل أفضل مع اتجاهات التكنولوجيا المستقبلية، مع ملاءمة إجمالية تتجاوز بكثير نيتريد الألومنيوم.
الدليل الموجي البصري لنتريد السيليكون-"طريق الإشارة الضوئية السريع" لـ CPO
على عكس دوره العياني كركيزة تعبئة، فإن الدور الأساسي الآخر لنيتريد السيليكون في CPO هو كمادة دليل موجي بصري داخل الشريحة الضوئية، المسؤولة عن نقل الإشارات الضوئية، والتوجيه، والتقسيم، والجمع، والوظائف الرئيسية الأخرى.
يمثل هذا التطبيق القيمة البصرية الأكثر أهمية لنتريد السيليكون في CPO. يتم استخدامه بشكل أساسي لتصنيع -أدلة الموجات الضوئية للرقاقة، ومرنانات الرنين الدقيقة، وأمشاط التردد الضوئي، ومضاعفات تقسيم الطول الموجي-، ومقسمات شعاع الاستقطاب، وقارنات التوصيل الشبكية، وجميع الأجهزة الضوئية المنفعلة الأخرى، مما يشكل الشبكة الضوئية الكاملة داخل المحرك البصري CPO لتوزيع الإشارة ونقلها وتصفيتها وتعدد الإرسال/إزالة تعدد الإرسال. غالبًا ما يكون مختلطًا-متكاملًا مع شرائح InP النشطة وأصبح خريطة طريق التكنولوجيا القياسية للوحدات الضوئية 3.2T CPO من الجيل التالي من NVIDIA.
لماذا نيتريد السيليكون بدلا من السيليكون؟ يحتوي نيتريد السيليكون على مؤشر انكسار يبلغ حوالي 1.98، مما يوفر حصرًا للمجال البصري بين أدلة موجة Si (≈3.4) وكسوة السيليكا (≈1.44)، مما يجعلها واحدة من أكثر المواد الواعدة لتصميم قارنات الحافة ذات تباين المؤشر العالي والمقاطع العرضية الصغيرة -. والأهم من ذلك، في سيناريوهات الطاقة العالية-CPO، تعاني أدلة الموجات السيليكونية من -امتصاص فوتونين ويمكن أن تحترق، بينما يحتوي نيتريد السيليكون على فجوة نطاق واسعة ولا يعاني من هذه المشكلة، مما يجعله خيارًا مثاليًا لنقل الإشارات الضوئية عالية الطاقة-.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن توافق عملية الدليل الموجي البصري من نيتريد السيليكون يفتح فرص التكامل غير المتجانسة. أصبحت عمليات ترسيب الأغشية الرقيقة من نيتريد السيليكون - (LPCVD/PECVD/الرش بالمغنترون) ناضجة ومتوافقة مع CMOS-. باستخدام ترسيب PECVD بدرجة حرارة منخفضة - عند درجات حرارة معالجة أقل من 400 درجة، فإنه لا يؤدي إلى إتلاف شرائح CMOS الأمامية - أو شرائح III-V النشطة، مما يسمح بالتكامل المتجانس مباشرة على الرقاقات، وهو متوافق بشكل كبير مع منصة معالجة CPO الضوئية COUPE silicon- الضوئية من TSMC.
باختصار، تلعب أدلة الموجات الضوئية من نيتريد السيليكون في CPO دورًا مزدوجًا باعتبارها "الطريق السريع" للإرسال البصري على الرقاقة وك"جسر" للاقتران البصري من الألياف-إلى-الرقاقة، مما يجعلها المادة الوظيفية الأساسية لبناء -دوائر متكاملة فوتونية عالية الأداء.
الوضع الحالي للتكنولوجيا والتصنيع
ركائز نيتريد السيليكون:
صرحت شركة CETC (شركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية) صراحةً أن ركائز السيراميك CPO الخاصة بها هي في مرحلة سباق البحث والتطوير النهائية ومن المتوقع أن تصل إلى الإنتاج الضخم في غضون ثلاث سنوات. يتم وضع منتجات الركيزة الخزفية ذات الأغشية الرقيقة TFC من شركة Fude Technology، مع سطحها المسطح العالي ومطابقة CTE مع الرقائق، على أنها "واحدة من منصات النقل المثالية لتغليف CPO." كشفت شركة Sinocera Materials في سجلات علاقات المستثمرين الخاصة بها أن شركتها التابعة، Sinocera Saichuang، لديها احتياطيات فنية للركائز الخزفية للوحدات البصرية.
الأدلة الموجية الضوئية من نيتريد السيليكون:
في الخارج، أطلقت شركة Solindes Photonics مصدرًا ضوئيًا مشطًا صغيرًا من نيتريد السيليكون -مُكيفًا لـ CPO، مع جهاز واحد قادر على إخراج 28 قناة ذات طول موجي وكفاءة تحويل بصري تبلغ 60%. في ISSCC 2026، كشفت TSMC عن منصة CPO للضوئيات السيليكونية-، حيث اعتمدت أدلة موجية من نيتريد السيليكون كحل قياسي للدليل الموجي البصري السلبي. أكملت المسابك الضوئية المحلية بالفعل تطوير PDK لضوئيات نيتريد السيليكون السلبية وتقدم تدريجيًا عينات للتحقق من 800G و1.6T CPO.