أخبار الصناعة: اتجاهات تكنولوجيا التغليف المتقدمة

تطورت تقنيات تغليف أشباه الموصلات من تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة أحادية البعد التقليدية إلى تقنية الربط الهجين ثلاثي الأبعاد المتطورة على مستوى الرقاقة. يتيح هذا التطور تباعدًا بين الوصلات في نطاق الميكرون الأحادي، مع نطاق ترددي يصل إلى 1000 جيجابايت/ثانية، مع الحفاظ على كفاءة عالية في استهلاك الطاقة. وتعتمد تقنيات تغليف أشباه الموصلات المتقدمة بشكل أساسي على التغليف ثنائي الأبعاد ونصف (حيث تُوضع المكونات جنبًا إلى جنب على طبقة وسيطة) والتغليف ثلاثي الأبعاد (الذي يتضمن تكديس الرقائق النشطة عموديًا). تُعد هذه التقنيات بالغة الأهمية لمستقبل أنظمة الحوسبة عالية الأداء.

تتضمن تقنية التغليف ثنائية الأبعاد ونصف (2.5D) استخدام مواد طبقات وسيطة متنوعة، لكل منها مزاياها وعيوبها. تُعرف طبقات السيليكون الوسيطة، بما في ذلك رقائق السيليكون الخاملة تمامًا وجسور السيليكون الموضعية، بقدرتها الفائقة على توفير أفضل إمكانيات التوصيل، مما يجعلها مثالية للحوسبة عالية الأداء. مع ذلك، فهي مكلفة من حيث المواد والتصنيع، وتواجه قيودًا في مساحة التغليف. وللتخفيف من هذه المشكلات، يتزايد استخدام جسور السيليكون الموضعية، حيث يتم توظيف السيليكون بشكل استراتيجي في المواضع التي تتطلب أداءً وظيفيًا دقيقًا مع مراعاة قيود المساحة.

تُعدّ الطبقات الوسيطة العضوية، المصنوعة من البلاستيك المصبوب بتقنية التوزيع المروحي، بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بالسيليكون. فهي تتميز بثابت عزل كهربائي أقل، مما يقلل من تأخير RC في العبوة. ورغم هذه المزايا، تواجه الطبقات الوسيطة العضوية صعوبة في تحقيق نفس مستوى تقليل ميزات التوصيل البيني الذي توفره العبوات القائمة على السيليكون، مما يحدّ من استخدامها في تطبيقات الحوسبة عالية الأداء.

حظيت الطبقات الوسيطة الزجاجية باهتمام كبير، لا سيما بعد إطلاق إنتل مؤخرًا لتغليف المركبات التجريبية المصنوع من الزجاج. يوفر الزجاج العديد من المزايا، مثل معامل التمدد الحراري القابل للتعديل، والثبات العالي للأبعاد، والأسطح الملساء والمسطحة، وإمكانية دعم تصنيع الألواح، مما يجعله خيارًا واعدًا للطبقات الوسيطة بقدرات توصيل تضاهي السيليكون. مع ذلك، وبغض النظر عن التحديات التقنية، فإن العائق الرئيسي للطبقات الوسيطة الزجاجية هو عدم نضج النظام البيئي ونقص القدرة الإنتاجية على نطاق واسع حاليًا. ومع نضوج هذا النظام البيئي وتحسن القدرات الإنتاجية، قد تشهد التقنيات القائمة على الزجاج في تغليف أشباه الموصلات مزيدًا من النمو والانتشار.

في مجال تقنية التغليف ثلاثي الأبعاد، تُعدّ تقنية الربط الهجين النحاسي-النحاسي بدون نتوءات تقنية رائدة ومبتكرة. تُحقق هذه التقنية المتقدمة وصلات دائمة من خلال دمج مواد عازلة (مثل ثاني أكسيد السيليكون) مع معادن مُدمجة (النحاس). يُمكن للربط الهجين النحاسي-النحاسي تحقيق مسافات بين النتوءات أقل من 10 ميكرونات، وعادةً ما تكون في نطاق الميكرونات الأحادية، مما يُمثل تحسناً ملحوظاً مقارنةً بتقنية النتوءات الدقيقة التقليدية، التي تتراوح مسافات النتوءات فيها بين 40 و50 ميكروناً. تشمل مزايا الربط الهجين زيادة منافذ الإدخال/الإخراج، وتحسين عرض النطاق الترددي، وتحسين التراص الرأسي ثلاثي الأبعاد، وكفاءة طاقة أفضل، وتقليل التأثيرات الطفيلية والمقاومة الحرارية نتيجةً لعدم وجود حشو سفلي. مع ذلك، تُعدّ هذه التقنية معقدة التصنيع وذات تكلفة أعلى.

تشمل تقنيات التغليف ثنائية الأبعاد ونصف وثلاثية الأبعاد مجموعة متنوعة من أساليب التغليف. في التغليف ثنائي الأبعاد ونصف، وبحسب اختيار مواد الطبقة الوسيطة، يمكن تصنيفها إلى طبقات وسيطة سيليكونية، وعضوية، وزجاجية، كما هو موضح في الشكل أعلاه. أما في التغليف ثلاثي الأبعاد، فيهدف تطوير تقنية النتوءات الدقيقة إلى تقليل أبعاد التباعد، ولكن اليوم، من خلال اعتماد تقنية الربط الهجين (طريقة توصيل النحاس بالنحاس مباشرةً)، أصبح بالإمكان تحقيق أبعاد تباعد أحادية الرقم، مما يمثل تقدماً ملحوظاً في هذا المجال.

**أهم الاتجاهات التكنولوجية التي يجب مراقبتها:**

١. **مساحات طبقات وسيطة أكبر:** توقعت IDTechEx سابقًا أنه نظرًا لصعوبة تجاوز حجم طبقة السيليكون الوسيطة حد 3 أضعاف حجم الشبكة، فإن حلول جسور السيليكون ثنائية الأبعاد ونصف (2.5D) ستحل قريبًا محل طبقات السيليكون الوسيطة كخيار أساسي لتغليف رقائق الحوسبة عالية الأداء (HPC). تُعد TSMC موردًا رئيسيًا لطبقات السيليكون الوسيطة ثنائية الأبعاد ونصف (2.5D) لشركة NVIDIA وغيرها من الشركات الرائدة في تطوير الحوسبة عالية الأداء مثل Google وAmazon، وقد أعلنت الشركة مؤخرًا عن بدء الإنتاج الضخم لجيلها الأول من CoWoS_L بحجم شبكة 3.5 أضعاف. تتوقع IDTechEx استمرار هذا التوجه، مع مناقشة المزيد من التطورات في تقريرها الذي يغطي أبرز الشركات العاملة في هذا المجال.

٢. **التغليف على مستوى اللوحة:** أصبح التغليف على مستوى اللوحة محور اهتمام كبير، كما تم تسليط الضوء عليه في معرض تايوان الدولي لأشباه الموصلات ٢٠٢٤. تتيح هذه الطريقة استخدام طبقات وسيطة أكبر حجمًا، وتساعد على خفض التكاليف من خلال إنتاج المزيد من العبوات في وقت واحد. على الرغم من إمكانياتها، لا تزال هناك تحديات، مثل إدارة التشوه، بحاجة إلى معالجة. ويعكس تزايد أهميتها الطلب المتزايد على طبقات وسيطة أكبر حجمًا وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

3. **الطبقات الوسيطة الزجاجية:** يبرز الزجاج كمادة واعدة لتحقيق توصيلات دقيقة، تضاهي السيليكون، مع مزايا إضافية مثل معامل التمدد الحراري القابل للتعديل وموثوقية أعلى. كما تتوافق الطبقات الوسيطة الزجاجية مع التغليف على مستوى اللوحة، مما يوفر إمكانية توصيلات عالية الكثافة بتكاليف معقولة، ما يجعلها حلاً واعداً لتقنيات التغليف المستقبلية.

٤. **الربط الهجين بتقنية HBM:** يُعد الربط الهجين ثلاثي الأبعاد بين النحاس والنحاس (Cu-Cu) تقنيةً أساسيةً لتحقيق وصلات رأسية فائقة الدقة بين الرقاقات. وقد استُخدمت هذه التقنية في العديد من منتجات الخوادم المتطورة، بما في ذلك معالجات AMD EPYC لوحدات SRAM ووحدات المعالجة المركزية المكدسة، بالإضافة إلى سلسلة MI300 لوحدات المعالجة المركزية/وحدات معالجة الرسومات المكدسة على رقاقات الإدخال/الإخراج. ومن المتوقع أن يلعب الربط الهجين دورًا حاسمًا في التطورات المستقبلية لتقنية HBM، لا سيما بالنسبة لمكدسات DRAM التي تتجاوز 16 أو 20 طبقة.

5. **الأجهزة البصرية المدمجة (CPO):** مع تزايد الطلب على معدلات نقل بيانات أعلى وكفاءة طاقة أفضل، حظيت تقنية الربط البصري باهتمام كبير. أصبحت الأجهزة البصرية المدمجة (CPO) حلاً رئيسياً لتعزيز عرض نطاق الإدخال/الإخراج وتقليل استهلاك الطاقة. بالمقارنة مع النقل الكهربائي التقليدي، توفر الاتصالات البصرية العديد من المزايا، بما في ذلك انخفاض توهين الإشارة على مسافات طويلة، وتقليل حساسية التشويش المتبادل، وزيادة عرض النطاق الترددي بشكل ملحوظ. هذه المزايا تجعل CPO خياراً مثالياً لأنظمة الحوسبة عالية الأداء (HPC) كثيفة البيانات والموفرة للطاقة.

**الأسواق الرئيسية التي يجب مراقبتها:**

يُعد قطاع الحوسبة عالية الأداء (HPC) بلا شك السوق الرئيسي الذي يقود تطوير تقنيات التغليف ثنائية الأبعاد ونصف وثلاثية الأبعاد. وتُعتبر أساليب التغليف المتقدمة هذه ضرورية لتجاوز قيود قانون مور، مما يُتيح استخدام المزيد من الترانزستورات والذاكرة والوصلات البينية ضمن حزمة واحدة. كما يُتيح تجزئة الرقائق الاستخدام الأمثل لعُقد المعالجة بين الوحدات الوظيفية المختلفة، مثل فصل وحدات الإدخال/الإخراج عن وحدات المعالجة، مما يُعزز الكفاءة بشكل أكبر.

إلى جانب الحوسبة عالية الأداء، من المتوقع أن تشهد أسواق أخرى نموًا ملحوظًا بفضل تبني تقنيات التغليف المتقدمة. ففي قطاعي الجيل الخامس والسادس، ستساهم ابتكارات مثل هوائيات التغليف وحلول الرقائق المتطورة في تشكيل مستقبل بنى شبكات الوصول اللاسلكي. كما ستستفيد المركبات ذاتية القيادة، إذ تدعم هذه التقنيات دمج مجموعات المستشعرات ووحدات الحوسبة لمعالجة كميات هائلة من البيانات، مع ضمان السلامة والموثوقية وصغر الحجم وكفاءة استهلاك الطاقة والحرارة، فضلًا عن فعالية التكلفة.

تُركز الإلكترونيات الاستهلاكية (بما في ذلك الهواتف الذكية، والساعات الذكية، وأجهزة الواقع المعزز/الواقع الافتراضي، وأجهزة الكمبيوتر الشخصية، ومحطات العمل) بشكل متزايد على معالجة كميات أكبر من البيانات في مساحات أصغر، على الرغم من التركيز المتزايد على التكلفة. وستلعب تقنيات تغليف أشباه الموصلات المتقدمة دورًا محوريًا في هذا التوجه، مع العلم أن أساليب التغليف قد تختلف عن تلك المستخدمة في الحوسبة عالية الأداء.