أخبار الصناعة: اتجاهات تكنولوجيا التغليف المتقدمة

لقد تطورت عبوات أشباه الموصلات من تصميمات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية 1D إلى الترابط الهجين ثلاثي الأبعاد المتطور على مستوى الرقاقة. يسمح هذا التقدم بتباعد التوصيل البيني في نطاق الميكرون المكون من رقم واحد، مع نطاق ترددي يصل إلى 1000 جيجابايت/ثانية، مع الحفاظ على كفاءة الطاقة العالية. في قلب تقنيات التعبئة والتغليف المتقدمة لأشباه الموصلات توجد التعبئة والتغليف 2.5D (حيث يتم وضع المكونات جنبًا إلى جنب على طبقة وسيطة) والتعبئة ثلاثية الأبعاد (التي تتضمن تكديس الرقائق النشطة عموديًا). تعتبر هذه التقنيات ضرورية لمستقبل أنظمة الحوسبة عالية الأداء.

تتضمن تقنية التغليف 2.5D مواد طبقة وسيطة مختلفة، ولكل منها مزاياها وعيوبها. تُعرف الطبقات الوسيطة من السيليكون (Si)، بما في ذلك رقائق السيليكون السلبية بالكامل وجسور السيليكون المحلية، بتوفير أفضل إمكانيات الأسلاك، مما يجعلها مثالية للحوسبة عالية الأداء. ومع ذلك، فهي مكلفة من حيث المواد والتصنيع وتواجه قيودًا في مجال التعبئة والتغليف. وللتخفيف من هذه المشكلات، يتزايد استخدام جسور السيليكون المحلية، حيث يتم استخدام السيليكون بشكل استراتيجي حيث تكون الوظائف الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية مع معالجة قيود المنطقة.

تعتبر الطبقات الوسيطة العضوية، التي تستخدم البلاستيك المقولب المروحي، بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة للسيليكون. لديهم ثابت عازل أقل، مما يقلل من تأخير RC في الحزمة. على الرغم من هذه المزايا، فإن الطبقات الوسيطة العضوية تكافح لتحقيق نفس المستوى من تقليل ميزات التوصيل البيني مثل التغليف القائم على السيليكون، مما يحد من اعتمادها في تطبيقات الحوسبة عالية الأداء.

وقد حظيت الطبقات الوسيطة الزجاجية باهتمام كبير، خاصة بعد إطلاق إنتل مؤخرًا لتغليف مركبات الاختبار القائم على الزجاج. يوفر الزجاج العديد من المزايا، مثل معامل التمدد الحراري القابل للتعديل (CTE)، وثبات الأبعاد العالي، والأسطح الناعمة والمسطحة، والقدرة على دعم تصنيع الألواح، مما يجعله مرشحًا واعدًا للطبقات الوسيطة ذات إمكانيات الأسلاك المماثلة للسيليكون. ومع ذلك، وبصرف النظر عن التحديات التقنية، فإن العيب الرئيسي للطبقات الوسيطة الزجاجية هو النظام البيئي غير الناضج والافتقار الحالي إلى القدرة الإنتاجية على نطاق واسع. ومع نضوج النظام البيئي وتحسن القدرات الإنتاجية، قد تشهد التقنيات القائمة على الزجاج في تعبئة أشباه الموصلات مزيدًا من النمو والاعتماد.

فيما يتعلق بتكنولوجيا التعبئة والتغليف ثلاثية الأبعاد، أصبح الترابط الهجين بدون نتوءات Cu-Cu تقنية مبتكرة رائدة. تحقق هذه التقنية المتقدمة ترابطًا دائمًا من خلال الجمع بين المواد العازلة (مثل SiO2) والمعادن المدمجة (Cu). يمكن أن يحقق الترابط الهجين Cu-Cu مسافات أقل من 10 ميكرون، عادةً في نطاق الميكرون المكون من رقم واحد، مما يمثل تحسنًا كبيرًا مقارنة بتكنولوجيا النتوءات الدقيقة التقليدية، التي تحتوي على مسافات عثرة تبلغ حوالي 40-50 ميكرون. تشمل مزايا الترابط الهجين زيادة الإدخال/الإخراج، وتعزيز عرض النطاق الترددي، وتحسين التراص العمودي ثلاثي الأبعاد، وتحسين كفاءة الطاقة، وتقليل التأثيرات الطفيلية والمقاومة الحرارية بسبب عدم وجود حشوة سفلية. ومع ذلك، فإن هذه التكنولوجيا معقدة في التصنيع ولها تكاليف أعلى.

تشمل تقنيات التغليف 2.5D و3D تقنيات التعبئة والتغليف المختلفة. في التغليف 2.5D، اعتمادًا على اختيار مواد الطبقة الوسيطة، يمكن تصنيفها إلى طبقات وسيطة قائمة على السيليكون، وأخرى عضوية، وأخرى زجاجية، كما هو موضح في الشكل أعلاه. في التغليف ثلاثي الأبعاد، يهدف تطوير تقنية النتوءات الدقيقة إلى تقليل أبعاد التباعد، ولكن اليوم، من خلال اعتماد تقنية الربط الهجين (طريقة اتصال مباشر من Cu-Cu)، يمكن تحقيق أبعاد تباعد أحادية الرقم، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في هذا المجال. .

**الاتجاهات التكنولوجية الرئيسية التي يجب مراقبتها:**

1. **مناطق طبقة وسيطة أكبر:** توقعت IDTechEx سابقًا أنه نظرًا لصعوبة تجاوز طبقات السيليكون الوسيطة حد حجم شبكاني يبلغ 3x، فإن حلول جسر السيليكون 2.5D ستحل قريبًا محل طبقات السيليكون الوسيطة كخيار أساسي لتعبئة رقائق HPC. تعد TSMC موردًا رئيسيًا للطبقات الوسيطة من السيليكون 2.5D لشركة NVIDIA وغيرها من مطوري HPC الرائدين مثل Google وAmazon، وقد أعلنت الشركة مؤخرًا عن إنتاج ضخم للجيل الأول من CoWoS_L بحجم شبكاني 3.5x. تتوقع IDTechEx أن يستمر هذا الاتجاه، مع مناقشة المزيد من التطورات في تقريرها الذي يغطي اللاعبين الرئيسيين.

2. **التغليف على مستوى اللوحة:** أصبح التغليف على مستوى اللوحة موضع تركيز كبير، كما تم توضيحه في معرض تايوان الدولي لأشباه الموصلات لعام 2024. تسمح طريقة التغليف هذه باستخدام طبقات وسيطة أكبر وتساعد على تقليل التكاليف عن طريق إنتاج المزيد من الحزم في وقت واحد. على الرغم من إمكاناتها، لا تزال هناك تحديات مثل إدارة صفحات الحرب بحاجة إلى المعالجة. وتعكس أهميتها المتزايدة الطلب المتزايد على طبقات وسيطة أكبر وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

3. **الطبقات الزجاجية الوسيطة:** يبرز الزجاج باعتباره مادة مرشحة قوية لتحقيق أسلاك دقيقة، قابلة للمقارنة بالسيليكون، مع مزايا إضافية مثل CTE القابل للتعديل والموثوقية الأعلى. تتوافق الطبقات الوسيطة الزجاجية أيضًا مع التغليف على مستوى اللوحة، مما يوفر إمكانية توصيل الأسلاك عالية الكثافة بتكاليف أكثر قابلية للإدارة، مما يجعلها حلاً واعدًا لتقنيات التغليف المستقبلية.

4. **HBM Hybrid Bonding:** يعد الترابط الهجين ثلاثي الأبعاد بين النحاس والنحاس (Cu-Cu) تقنية رئيسية لتحقيق الترابط الرأسي فائق الدقة بين الرقائق. تم استخدام هذه التقنية في العديد من منتجات الخوادم المتطورة، بما في ذلك AMD EPYC لذاكرة SRAM ووحدات المعالجة المركزية المكدسة، بالإضافة إلى سلسلة MI300 لتكديس كتل وحدة المعالجة المركزية/وحدة معالجة الرسومات على قوالب الإدخال/الإخراج. من المتوقع أن يلعب الترابط الهجين دورًا حاسمًا في تطورات HBM المستقبلية، خاصة بالنسبة لأكوام DRAM التي تتجاوز طبقات 16-Hi أو 20-Hi.

5. **الأجهزة الضوئية المجمعة (CPO):** مع تزايد الطلب على إنتاجية أعلى للبيانات وكفاءة الطاقة، اكتسبت تقنية التوصيل البيني الضوئي اهتمامًا كبيرًا. أصبحت الأجهزة الضوئية المجمعة (CPO) حلاً رئيسياً لتعزيز عرض النطاق الترددي للإدخال/الإخراج وتقليل استهلاك الطاقة. بالمقارنة مع النقل الكهربائي التقليدي، يوفر الاتصال البصري العديد من المزايا، بما في ذلك انخفاض توهين الإشارة عبر المسافات الطويلة، وتقليل حساسية الحديث المتبادل، وزيادة عرض النطاق الترددي بشكل ملحوظ. تجعل هذه المزايا من CPO خيارًا مثاليًا لأنظمة HPC كثيفة البيانات والموفرة للطاقة.

** الأسواق الرئيسية التي يجب مراقبتها: **

لا شك أن السوق الرئيسي الذي يقود تطوير تقنيات التعبئة والتغليف 2.5D و3D هو قطاع الحوسبة عالية الأداء (HPC). تعتبر طرق التغليف المتقدمة هذه ضرورية للتغلب على قيود قانون مور، مما يتيح المزيد من الترانزستورات والذاكرة والوصلات البينية ضمن حزمة واحدة. كما يسمح تحلل الرقائق بالاستخدام الأمثل لعقد العملية بين الكتل الوظيفية المختلفة، مثل فصل كتل الإدخال/الإخراج عن كتل المعالجة، مما يعزز الكفاءة بشكل أكبر.

بالإضافة إلى الحوسبة عالية الأداء (HPC)، من المتوقع أيضًا أن تحقق الأسواق الأخرى النمو من خلال اعتماد تقنيات التعبئة والتغليف المتقدمة. في قطاعي 5G و6G، ستشكل الابتكارات مثل هوائيات التعبئة والتغليف وحلول الرقائق المتطورة مستقبل معماريات شبكات الوصول اللاسلكية (RAN). وسوف تستفيد المركبات ذاتية القيادة أيضًا، حيث تدعم هذه التقنيات تكامل مجموعات أجهزة الاستشعار ووحدات الحوسبة لمعالجة كميات كبيرة من البيانات مع ضمان السلامة والموثوقية والاكتناز وإدارة الطاقة والحرارة وفعالية التكلفة.

وتركز الإلكترونيات الاستهلاكية (بما في ذلك الهواتف الذكية، والساعات الذكية، وأجهزة الواقع المعزز/الواقع الافتراضي، وأجهزة الكمبيوتر الشخصية، ومحطات العمل) بشكل متزايد على معالجة المزيد من البيانات في مساحات أصغر، على الرغم من التركيز بشكل أكبر على التكلفة. سوف تلعب التعبئة والتغليف المتقدمة لأشباه الموصلات دورًا رئيسيًا في هذا الاتجاه، على الرغم من أن طرق التغليف قد تختلف عن تلك المستخدمة في الحوسبة عالية الأداء.