Silikonifotoniikka (SiPh) ja elektro-absorptiomuotoiltu laseri (EML) ovat kaksi keskeistä teknologiaa optisessa viestinnässä, joilla on omat ainutlaatuiset etunsa ja rajoituksensa. Silikonifotoniikka käyttää piitä optisena välineenä luodakseen kompakteja, energiatehokkaita ja nopeita fotoniikkaintegroidun piirin (PIC) rakenteita, jotka voivat merkittävästi parantaa siru-to-siru -yhteyksiä tekoälydatakeskuksissa. Perinteisissä optisissa moduuleissa, joissa käsitellään 400 Gbps ja 800 Gbps nopeuksia, silikonifotoniikkaa ei vielä käytetä. Kuitenkin 1,6 Tbps nopeusrajan saavuttaminen tuo silikonifotoniikan välttämättömäksi. SiPh-moottori, joka on luotu FOWLP-pohjaisella, muotti-ensimmäisellä, elektronis-fotoniikkapakkauksella, on äskettäin demonstroitu kyvyllään saavuttaa yhteensä 1,792 Tbps tiedonsiirtonopeus kahdeksassa kanavassa 224 Gbps/λ [17].

Silikonifotoniikan merkitys kasvaa erityisesti datakeskuksissa, joissa tarvitaan suurta tiedonsiirtonopeutta ja vähäistä energiankulutusta. Uudet innovaatiot, kuten TSMC:n COUPE-alusta, joka yhdistää silikonipohjaisen PIC:n ja EIC:n (elektroninen integroidun piirin) käyttämällä edistyksellisiä puolijohdepakkaustekniikoita kuten Through Silicon Via (TSV) ja Cu-Cu hybridiliitos, mahdollistavat entistä tehokkaampia ja pienikokoisempia optisia järjestelmiä. TSMC:n kehittämä ratkaisu voi saavuttaa minimaalisen impedanssin EIC-PIC-liitännässä, jolloin maksimoidaan energiatehokkuus ja parannetaan signaalin siirtonopeutta [19-21].

Toisaalta elektro-absorptiomuotoiltu laseri (EML), joka on integroitu elektro-optinen muunnin, on tullut tärkeäksi osaksi tehokkaita verkkopohjaisia viestintäratkaisuja. EML toimii valoaaltojen avulla, ja se on saanut suuren suosion erityisesti datakeskuksissa ja telekommunikaatioverkoissa sen suuren modulaatiotaajuuden ja pienen energiankulutuksen vuoksi. EML:n valmistuksessa yhdistetään laser-diodi ja elektro-absorptiomuotoilija (EAM), ja joissain sovelluksissa myös puolijohdeoptinen vahvistin (SOA). Viimeaikaisissa datakeskussovelluksissa Indium Fosfidi (InP) -perusteinen EML ja fotodiodi (PD) -array on liitetty polymeriselle piirilevylle 800Gbps optisen moottorin käyttöön [24].

SiPh ja EML eroavat merkittävästi toisistaan kustannuksiltaan, integraatiotiheydeltään ja sovelluksiltaan. Silikonifotoniikka hyödyntää piin optisia väyliä ja modulaattoreita, ja sen valmistus perustuu vakiintuneisiin CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) prosesseihin. Tämä mahdollistaa huomattavasti alhaisemmat kustannukset verrattuna EML-teknologiaan, joka edellyttää monimutkaisempia valmistusprosessien yhdistelmiä, kuten InP ja muita puolijohdemateriaaleja.

Silicon Photonics -teknologia integroi optiset komponentit, kuten aallonohjaimet ja modulaattorit, piille ja käyttää silikoniin pohjautuvia optisia väyliä. Aallonohjaimet, jotka ovat olennaisia silikonifotoniikkaintegroiduissa piireissä, valmistetaan usein SOI (Silicon on Insulator) -levyistä. Nämä aallonohjaimet mahdollistavat valosignaalien siirron piin sisällä, mikä tarjoaa pienen häviön ja tehokkaan valon rajoittamisen ja kuljettamisen. Yleisimmät aallonohjainrakenteet ovat hauta-kanavan aallonohjaimet, jotka ovat suunniteltu niin, että niiden ytimen ympärillä oleva materiaalikerros varmistaa pienen vaimennuksen ja symmetrisen tilanprofiilin.

Ristiriitaisia materiaaleja ja monia innovaatioita sisältävät silikonifotoniikan ja EML-teknologian vertailut tarjoavat datakeskusten infrastruktuuriin tulevaisuudessa parempia ratkaisuja, jotka tasapainottavat suorituskykyä, kustannuksia ja energiatehokkuutta. SiPh-teknologialla on etu suuremmassa integraatiotiheydessä ja pienemmässä energiankulutuksessa, kun taas EML tarjoaa erinomaisia suorituskykyjä pitkän matkan viestinnässä ja suurilla taajuuksilla.

Silicon Photonics on kuitenkin nostamassa päätään erityisesti datakeskusten välisten yhteyksien kehityksessä, joissa nopeasti kasvavat tiedonsiirtonopeudet, kuten 800 Gbps ja 1,6 Tbps, tuovat esiin silikonifotoniikan tärkeyden. Tällä hetkellä SiPh-teknologia on tärkeä lähinnä korkeilla nopeuksilla toimivien yhteyksien kannalta, mutta sen laajeneminen muihin sovelluksiin on tulevaisuuden kehityssuunta.

On myös syytä muistaa, että vaikka silikonifotoniikka on teknisesti edistynyt, sen käyttöönoton laajuus tulee olemaan riippuvainen sen kyvystä sopeutua teollisuuden tarpeisiin ja standardeihin, jotka muotoutuvat edelleen.

Lämpöhallinnan kehitys ja haasteet muistipaketeissa 3D-pakkausratkaisujen aikakaudella

Muistipaketointiratkaisut, joissa hyödynnetään kolmiulotteista siru pinottua arkkitehtuuria (3D-stacking), ovat suunniteltu merkittävästi lisäämään muistiväylän kaistanleveyttä. Tällöin tiedon tehokas käsittely ja esteiden minimointi saavat keskeisen merkityksen, mutta niihin liittyvät lämpöhallinnan haasteet ovat väistämättömiä. Lämpötilan nousu ja vaihteleminen voivat merkittävästi vaikuttaa komponenttien luotettavuuteen ja pitkän aikavälin suorituskykyyn. Kuten kuvasta 5.2 käy ilmi, pakkausratkaisujen lämpöhaasteet kehittyvät jatkuvasti kohti edistyneempiä teknologioita. Tämä näkyy erityisesti siirryttäessä lakkipintaisista paketeista, joissa käytetään polymeeripohjaisia lämpöliitosaineita, kohti nestemäistä jäähdytystä ja upotustekniikoita avopakkausratkaisuille HPC (high-performance computing) -sovelluksissa.

Lämpötilan vaikutus materiaaleihin ja liitoksiin on keskeinen huolenaihe elektronisten pakkausten luotettavuuden kannalta. Asteikon ääripäissä olevat lämpötilat voivat heikentää materiaalien lujuutta, jäykkyyttä ja väsyminenvastusta. Yksi tunnetuimmista esimerkeistä on lämpölaajenemiskerrointen (CTE) epätasapainosta aiheutuvat lämpömekaaniset jännitykset, jotka voivat johtaa materiaalivaurioihin, kuten murtumiseen, liitosten erottumiseen ja halkeiluun. Tämä voi olla erityisen todennäköistä, kun lämpötila vaihtelee voimakkaasti tai nousee liian korkeaksi. Esimerkiksi kolmiulotteisissa muistipaketeissa, joissa käytetään TSV-teknologiaa (Through-Silicon Via), lämpötilagradientit voivat olla suuria, erityisesti kuuman SoC- (System on Chip) CPU:n vuoksi. Tällöin lämpöeristys ei ole riittävä, ja tämä saattaa aiheuttaa paikallisia virheitä DRAM-muistien osalta.

Epoksiin perustuvat kapselointimateriaalit ja liimaratkaisut ovat yleisiä IC-siruja suojaavina materiaaleina. Kuitenkin, jos nämä materiaalit altistuvat liiallisille lämpötiloille tai äärimmäisille lämpötilavaihteluille, niiden lujuus, väsyminenvastus ja tarttuvuus heikkenevät, ja seurauksena voi olla liitosrakennevaurioita, kuten kerrostumien irtoamista ja murtumia. Erityisesti ohuemmat tai suuremmat paketit ovat alttiimpia tällaisille vaurioille, ja nämä epäonnistumismuodot saattavat olla vakavia pitkällä aikavälillä. Erityistä huomiota tulee kiinnittää sulatusliitosten ja niiden käyttäytymiseen lämpötilavaihteluissa, koska ne voivat myös heikentyä sähkövirran ja lämpötilan muutosten vuoksi.

Tarkasteltaessa pakkausratkaisujen kestävyyttä äärimmäisissä ympäristöissä, kuten avaruusolosuhteissa, on havaittu mielenkiintoisia ilmiöitä. Esimerkiksi BGA- (Ball Grid Array) muistipaketit, joita altistetaan kryogeeniselle lämpötilalle, voivat kokea vakavia vaurioita, kuten halkeamia ja murtumia, joihin vaikuttavat sekä äärilämpötilat että metallien diffuusio-ominaisuudet. SAC305-sulatusliitokset, joita käytetään monissa muistisovelluksissa, ovat erityisen herkkiä muutoksille ääriolosuhteissa. Alhainen lämpötila, kuten -196 °C, voi muuttaa liitosten käyttäytymistä hauraaksi, mikä lisää pakkausratkaisun epäluotettavuutta.

Lämpötilan ja jännityksen yhdistäminen vaikuttaa myös tinat-materiaaleihin, kuten SnAgCu/Cu-liitoksiin, joissa sekä lämpötilan nousu että jännityksen lisääntyminen voivat nopeuttaa vaurioiden kehittymistä. Tämä ilmiö on erityisen merkittävä pakkausten suorituskyvyn kannalta, ja sitä on tutkittu useilla eri testimenetelmillä, kuten lämpösyklitesteillä ja äärilämpöshokkitesteillä. Kaikki nämä testit paljastavat, kuinka komponentit ja niiden liitokset reagoivat äärimmäisiin lämpötila- ja ympäristöolosuhteisiin, ja kuinka niiden pitkäaikainen luotettavuus voi heikentyä.

Lämpöhallinnan kehityksessä edistyneitä materiaaleja on kehitetty erityisesti parantamaan elektronisten pakkausten lämmönjohtavuutta. Esimerkiksi lämpöliitosaineiden (TIMs) käyttö, joissa on korkea lämpöjohtavuus, sekä aktiivinen ja passiivinen jäähdytys ovat nousseet keskeisiksi tekniikoiksi tehokkaaseen lämmönpoistoon. Viimeisimmät innovaatiot muistipakettien lämmönhallinnassa sisältävät muun muassa korkean lämpöjohtavuuden omaavat muovimateriaalit ja kuparin tasapainotuksen parantamisen alusrakenteissa, jotka mahdollistavat paremman lämpötilan säätelyn.

Nämä edistysaskeleet lämmönhallinnan alalla ovat olleet ratkaisevia, koska muistilaitteiden tehokas toiminta vaatii riittävää lämmönpoistoa ja lämpötilan tasapainottamista, erityisesti korkean tehon sovelluksissa. TIM-materiaalien, kuten epoksiin sekoitettujen täyteaineiden, merkitys on kasvanut, sillä ne mahdollistavat tehokkaamman lämmön siirron ja parantavat muistilaitteiden luotettavuutta pitkällä aikavälillä. Myös uusien materiaalien kehittäminen, kuten erikoismateriaalit, jotka voivat sietää suuria lämpötilavaihteluita, on keskeistä kehittyvien teknologioiden tukemiseksi.

Miksi liiketoimintasuunnitelma on elintärkeä yrityksen menestykselle?
Mikä on lohikäärme ja miksi se on eri kulttuureissa niin merkittävä olento?
Miten varmistamme tekoälyn käyttäytymisen eettisyyden ja turvallisuuden?
Miksi oikeus ja lainsäädäntö voivat olla pelinappuloita henkilökohtaisessa ja liiketoiminnallisessa valtapelissä?