أخبار الصناعة: اتجاهات تكنولوجيا التغليف المتقدمة

تطورت تقنية تغليف أشباه الموصلات من تصاميم لوحات الدوائر المطبوعة أحادية البعد التقليدية إلى تقنية الترابط الهجين ثلاثي الأبعاد المتطورة على مستوى الرقاقة. يتيح هذا التطور تباعدًا بين الوصلات في نطاق ميكرون واحد، مع نطاقات تردد تصل إلى 1000 جيجابايت/ثانية، مع الحفاظ على كفاءة عالية في استهلاك الطاقة. ويرتكز جوهر تقنيات تغليف أشباه الموصلات المتقدمة على التغليف ثنائي الأبعاد ونصف (حيث توضع المكونات جنبًا إلى جنب على طبقة وسيطة) والتغليف ثلاثي الأبعاد (الذي يتضمن تكديس الرقائق النشطة رأسيًا). وتُعد هذه التقنيات بالغة الأهمية لمستقبل أنظمة الحوسبة عالية الأداء.

تتضمن تقنية التغليف ثنائي الأبعاد والنصف مواد طبقات وسيطة متنوعة، لكل منها مزاياها وعيوبها. تُعرف طبقات السيليكون الوسيطة (Si)، بما في ذلك رقائق السيليكون الخاملة تمامًا وجسور السيليكون الموضعية، بتوفيرها أفضل إمكانيات التوصيل، مما يجعلها مثالية للحوسبة عالية الأداء. ومع ذلك، فهي مكلفة من حيث المواد والتصنيع، وتواجه قيودًا في مجال التغليف. وللتخفيف من هذه المشكلات، يتزايد استخدام جسور السيليكون الموضعية، مع توظيف السيليكون بشكل استراتيجي حيث تكون الوظائف الدقيقة بالغة الأهمية مع معالجة قيود المساحة.

تُعدّ طبقات الوسيط العضوية، المصنوعة من البلاستيك المصبوب على شكل مروحة، بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة للسيليكون. فهي تتميز بثابت عزل كهربائي أقل، مما يُقلل من تأخير الشحنات الكهرومغناطيسية في التغليف. على الرغم من هذه المزايا، تُواجه طبقات الوسيط العضوية صعوبة في تحقيق نفس مستوى تقليل خصائص الترابط الذي تُحققه التغليفات القائمة على السيليكون، مما يحد من استخدامها في تطبيقات الحوسبة عالية الأداء.

حظيت طبقات الزجاج الوسيطة باهتمام كبير، لا سيما بعد إطلاق إنتل مؤخرًا لتغليف المركبات الاختبارية المصنوع من الزجاج. يتميز الزجاج بمزايا عديدة، مثل معامل التمدد الحراري القابل للتعديل (CTE)، وثبات أبعاد عالٍ، وأسطح ناعمة ومسطحة، والقدرة على دعم تصنيع الألواح، مما يجعله مرشحًا واعدًا للطبقات الوسيطة ذات قدرات توصيل أسلاك تُضاهي السيليكون. ومع ذلك، وبغض النظر عن التحديات التقنية، فإن العيب الرئيسي لطبقات الزجاج الوسيطة هو عدم نضج النظام البيئي الحالي ونقص القدرة الإنتاجية على نطاق واسع. ومع نضج النظام البيئي وتحسن قدرات الإنتاج، قد تشهد التقنيات القائمة على الزجاج في تغليف أشباه الموصلات مزيدًا من النمو والاعتماد.

في مجال تقنية التغليف ثلاثي الأبعاد، تُصبح تقنية الترابط الهجين Cu-Cu بدون نتوءات تقنيةً رائدةً ومبتكرةً. تُحقق هذه التقنية المتقدمة ترابطاتٍ دائمةً من خلال دمج المواد العازلة (مثل SiO2) مع المعادن المُدمجة (Cu). يُمكن للترابط الهجين Cu-Cu تحقيق مسافاتٍ أقل من 10 ميكرون، عادةً في نطاق الميكرون أحادي الرقم، مما يُمثل تحسنًا كبيرًا مقارنةً بتقنية الترابط الدقيق التقليدية، التي تتراوح مسافاتها بين 40 و50 ميكرون تقريبًا. تشمل مزايا الترابط الهجين زيادةً في الإدخال/الإخراج، وعرض نطاق ترددي مُحسّن، وتكديسًا رأسيًا ثلاثي الأبعاد مُحسّنًا، وكفاءةً أفضل في استهلاك الطاقة، وتقليلًا للتأثيرات الطفيلية والمقاومة الحرارية نظرًا لعدم وجود حشوة سفلية. ومع ذلك، فإن هذه التقنية مُعقدة التصنيع وعالية التكلفة.

تشمل تقنيات التغليف ثنائية الأبعاد ونصف الأبعاد (2.5D) وثلاثية الأبعاد (3D) تقنيات تغليف متنوعة. في التغليف ثنائي الأبعاد ونصف، وحسب اختيار مواد الطبقة الوسيطة، يمكن تصنيفها إلى طبقات وسيطة قائمة على السيليكون، وأخرى قائمة على المواد العضوية، وأخرى قائمة على الزجاج، كما هو موضح في الشكل أعلاه. في التغليف ثلاثي الأبعاد، يهدف تطوير تقنية النتوءات الدقيقة إلى تقليل أبعاد التباعد، ولكن اليوم، ومن خلال اعتماد تقنية الربط الهجين (طريقة التوصيل المباشر بين نحاس ونحاس)، يمكن تحقيق أبعاد تباعد أحادية الرقم، مما يُمثل تقدمًا ملحوظًا في هذا المجال.

**الاتجاهات التكنولوجية الرئيسية التي يجب مراقبتها:**

١. **مساحات أكبر للطبقات الوسيطة:** توقعت IDTechEx سابقًا أنه نظرًا لصعوبة تجاوز طبقات السيليكون الوسيطة حد حجم الشبكة 3x، ستحل حلول جسر السيليكون ثنائي الأبعاد ونصف قريبًا محل طبقات السيليكون الوسيطة كخيار أساسي لتغليف رقائق الحوسبة عالية الأداء. تُعد شركة TSMC موردًا رئيسيًا لطبقات السيليكون الوسيطة ثنائية الأبعاد ونصف لشركة NVIDIA وغيرها من مطوري الحوسبة عالية الأداء الرائدين مثل Google وAmazon، وقد أعلنت الشركة مؤخرًا عن الإنتاج الضخم لجيلها الأول من CoWoS_L بحجم شبكة 3.5x. وتتوقع IDTechEx استمرار هذا التوجه، مع مناقشة المزيد من التطورات في تقريرها الذي يغطي اللاعبين الرئيسيين.

٢. **التغليف على مستوى اللوحة:** أصبح التغليف على مستوى اللوحة محورًا رئيسيًا، كما سُلِّط الضوء عليه في معرض تايوان الدولي لأشباه الموصلات ٢٠٢٤. تتيح هذه الطريقة في التغليف استخدام طبقات وسيطة أكبر، وتُسهم في خفض التكاليف من خلال إنتاج المزيد من العبوات في آنٍ واحد. على الرغم من إمكاناتها، لا تزال هناك تحديات مثل إدارة التشوهات بحاجة إلى معالجة. ويعكس تزايد أهميتها الطلب المتزايد على طبقات وسيطة أكبر وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

٣. **طبقات الزجاج الوسيطة:** يبرز الزجاج كمرشح قوي لتحقيق توصيلات دقيقة، تُضاهي السيليكون، مع مزايا إضافية مثل معامل التمدد الحراري القابل للتعديل وموثوقية أعلى. كما تتوافق طبقات الزجاج الوسيطة مع التغليف على مستوى الألواح، مما يُتيح إمكانية توصيلات عالية الكثافة بتكلفة معقولة، مما يجعله حلاً واعدًا لتقنيات التغليف المستقبلية.

٤. **الترابط الهجين لذاكرة HBM:** يُعدّ الترابط الهجين ثلاثي الأبعاد بين النحاس والنحاس (Cu-Cu) تقنيةً أساسيةً لتحقيق توصيلات رأسية فائقة الدقة بين الرقاقات. وقد استُخدمت هذه التقنية في العديد من منتجات الخوادم المتطورة، بما في ذلك AMD EPYC لذاكرة SRAM المكدسة ووحدات المعالجة المركزية (CPU)، بالإضافة إلى سلسلة MI300 لتكديس كتل وحدة المعالجة المركزية/وحدة معالجة الرسومات (CPU/GPU) على شرائح الإدخال/الإخراج. ومن المتوقع أن يلعب الترابط الهجين دورًا حاسمًا في التطورات المستقبلية في ذاكرة HBM، وخاصةً لمجموعات ذاكرة DRAM التي تتجاوز طبقاتها 16-Hi أو 20-Hi.

٥. **الأجهزة البصرية المُغلّفة (CPO):** مع تزايد الطلب على زيادة معدل نقل البيانات وكفاءة الطاقة، حظيت تقنية الربط البصري باهتمام كبير. وتُعدّ الأجهزة البصرية المُغلّفة (CPO) حلاً رئيسياً لتحسين عرض نطاق الإدخال/الإخراج وتقليل استهلاك الطاقة. وبالمقارنة مع النقل الكهربائي التقليدي، يوفر الاتصال البصري العديد من المزايا، بما في ذلك انخفاض توهين الإشارة لمسافات طويلة، وانخفاض حساسية التداخل، وزيادة عرض النطاق بشكل ملحوظ. تجعل هذه المزايا الأجهزة البصرية المُغلّفة (CPO) خياراً مثالياً لأنظمة الحوسبة عالية الأداء (HPC) كثيفة البيانات والموفرة للطاقة.

**الأسواق الرئيسية التي يجب مراقبتها:**

لا شك أن قطاع الحوسبة عالية الأداء (HPC) هو السوق الرئيسي الذي يُحرك تطوير تقنيات التغليف ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. تُعدّ أساليب التغليف المتقدمة هذه حاسمة للتغلب على قيود قانون مور، مما يُتيح المزيد من الترانزستورات والذاكرة والوصلات البينية ضمن حزمة واحدة. كما يُتيح تفكيك الرقائق الاستفادة المثلى من عُقد العمليات بين الكتل الوظيفية المختلفة، مثل فصل كتل الإدخال/الإخراج عن كتل المعالجة، مما يُعزز الكفاءة بشكل أكبر.

بالإضافة إلى الحوسبة عالية الأداء (HPC)، من المتوقع أن تحقق أسواق أخرى نموًا من خلال اعتماد تقنيات التغليف المتقدمة. في قطاعي الجيلين الخامس والسادس، ستُشكل ابتكارات مثل هوائيات التغليف وحلول الرقائق المتطورة مستقبل بنى شبكات الوصول اللاسلكي (RAN). وستستفيد المركبات ذاتية القيادة أيضًا، حيث تدعم هذه التقنيات دمج مجموعات أجهزة الاستشعار ووحدات الحوسبة لمعالجة كميات كبيرة من البيانات مع ضمان السلامة والموثوقية والاكتناز وإدارة الطاقة والحرارة والفعالية من حيث التكلفة.

يتزايد تركيز الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية (بما في ذلك الهواتف الذكية، والساعات الذكية، وأجهزة الواقع المعزز والواقع الافتراضي، وأجهزة الكمبيوتر، ومحطات العمل) على معالجة بيانات أكثر في مساحات أصغر، رغم التركيز المتزايد على التكلفة. وستلعب التغليفات المتطورة لأشباه الموصلات دورًا رئيسيًا في هذا التوجه، مع أن أساليب التغليف قد تختلف عن تلك المستخدمة في الحوسبة عالية الأداء.