صناعة رقائق السيارات تخضع للتغييرات
ناقش فريق هندسة أشباه الموصلات مؤخرًا الرقائق الصغيرة، والترابط الهجين، والمواد الجديدة مع مايكل كيلي، نائب رئيس شركة أمكور لدمج الرقائق الصغيرة وألياف الكربون النانوية (FCBGA). وشارك في المناقشة أيضًا الباحث ويليام تشين من ASE، والرئيس التنفيذي لشركة برومكس إندستريز، ديك أوتي، وساندر روزندال، مدير البحث والتطوير في شركة سينوبسيس لحلول الفوتونيات. فيما يلي مقتطفات من هذه المناقشة.
لسنوات عديدة، لم يحتل تطوير رقائق السيارات مكانةً رائدةً في هذه الصناعة. ومع ذلك، مع صعود السيارات الكهربائية وتطور أنظمة المعلومات والترفيه المتقدمة، تغير هذا الوضع جذريًا. ما هي المشاكل التي لاحظتها؟
كيلي: تتطلب أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) المتطورة معالجات بتقنية 5 نانومتر أو أصغر لتكون قادرة على المنافسة في السوق. بمجرد دخول عملية التصنيع بتقنية 5 نانومتر، يجب مراعاة تكاليف الرقاقات، مما يدفع إلى دراسة متأنية لحلول الرقاقات الصغيرة، نظرًا لصعوبة تصنيع الرقاقات الكبيرة بتقنية 5 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك، فإن العائد منخفض، مما يؤدي إلى تكاليف باهظة. عند التعامل مع عمليات 5 نانومتر أو أكثر تقدمًا، يفكر العملاء عادةً في اختيار جزء من الشريحة بدلاً من استخدام الشريحة بأكملها، مع زيادة الاستثمار في مرحلة التغليف. قد يتساءلون: "هل سيكون تحقيق الأداء المطلوب بهذه الطريقة خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة، بدلاً من محاولة إكمال جميع الوظائف في شريحة أكبر؟" لذا، نعم، تولي شركات السيارات المتطورة اهتمامًا كبيرًا لتقنية الرقاقات الصغيرة. وتراقب الشركات الرائدة في هذا المجال هذا الأمر عن كثب. بالمقارنة مع مجال الحوسبة، ربما تكون صناعة السيارات متأخرة من سنتين إلى أربع سنوات في تطبيق تقنية الرقاقات الصغيرة، لكن اتجاه تطبيقها في قطاع السيارات واضح. تتطلب صناعة السيارات متطلبات موثوقية عالية للغاية، لذا يجب إثبات موثوقية تقنية الرقائق الصغيرة. ومع ذلك، فإن تطبيقها على نطاق واسع في قطاع السيارات قادم لا محالة.
تشين: لم ألاحظ أي عقبات تُذكر. أعتقد أن الأمر يتعلق أكثر بضرورة تعلم وفهم متطلبات الاعتماد ذات الصلة بعمق. يتعلق هذا بمستوى القياس. كيف نصنع عبوات تُلبي معايير السيارات الصارمة للغاية؟ لكن من المؤكد أن التكنولوجيا ذات الصلة في تطور مستمر.
نظراً للمشاكل الحرارية العديدة والتعقيدات المرتبطة بمكونات القوالب المتعددة، هل ستكون هناك أنماط جديدة لاختبارات الإجهاد أو أنواع مختلفة من الاختبارات؟ هل يمكن لمعايير JEDEC الحالية أن تغطي هذه الأنظمة المتكاملة؟
تشين: أعتقد أننا بحاجة إلى تطوير أساليب تشخيص أكثر شمولاً لتحديد مصدر الأعطال بوضوح. لقد ناقشنا دمج القياسات مع التشخيص، وعلينا مسؤولية إيجاد طرق لبناء حزم أكثر متانة، واستخدام مواد وعمليات عالية الجودة، والتحقق من صحتها.
كيلي: نُجري حاليًا دراسات حالة مع عملاء استفادوا من اختبارات مستوى النظام، وخاصةً اختبار تأثير درجة الحرارة في اختبارات اللوحات الوظيفية، وهو أمر لا يشمله اختبار JEDEC. اختبار JEDEC هو مجرد اختبار متساوي الحرارة، يتضمن "ارتفاع وانخفاض درجة الحرارة وانتقالها". ومع ذلك، فإن توزيع درجة الحرارة في العبوات الفعلية يختلف تمامًا عما يحدث في العالم الحقيقي. يرغب المزيد من العملاء في إجراء اختبارات مستوى النظام مبكرًا لأنهم يدركون هذا الوضع، على الرغم من أن ليس الجميع على دراية به. تلعب تقنية المحاكاة دورًا أيضًا في هذا المجال. إذا كان الشخص ماهرًا في محاكاة التركيبات الحرارية الميكانيكية، يصبح تحليل المشكلات أسهل لأنه يعرف الجوانب التي يجب التركيز عليها أثناء الاختبار. يتكامل اختبار مستوى النظام وتقنية المحاكاة مع بعضهما البعض. ومع ذلك، لا يزال هذا التوجه في مراحله الأولى.
هل هناك المزيد من المشاكل الحرارية التي يجب معالجتها في العقد التكنولوجية الناضجة مقارنة بالماضي؟
أوتي: نعم، ولكن في العامين الماضيين، ازدادت مشكلة التسطح بشكل ملحوظ. نرى ما بين 5000 و10000 عمود نحاسي على رقاقة، بمسافات تتراوح بين 50 و127 ميكرون. إذا دققت النظر في البيانات ذات الصلة، ستجد أن وضع هذه الأعمدة النحاسية على الركيزة وإجراء عمليات التسخين والتبريد واللحام بالارتداد يتطلب دقة تسطح تبلغ جزءًا واحدًا من مئة ألف. دقة جزء واحد من مئة ألف تُشبه العثور على شفرة عشب بطول ملعب كرة قدم. لقد اشترينا بعض أدوات Keyence عالية الأداء لقياس استواء الرقاقة والركيزة. السؤال المطروح هو: كيف يُمكن التحكم في ظاهرة الاعوجاج هذه أثناء دورة اللحام بالارتداد؟ هذه مسألة مُلحة يجب معالجتها.
تشين: أتذكر المناقشات حول بونتي فيكيو، حيث استخدموا اللحام منخفض الحرارة لأسباب التجميع وليس لأسباب تتعلق بالأداء.
بما أن جميع الدوائر القريبة لا تزال تعاني من مشاكل حرارية، فكيف ينبغي دمج الفوتونيات في هذا؟
روزندال: يجب إجراء محاكاة حرارية لجميع الجوانب، كما أن استخراج الترددات العالية ضروري لأن الإشارات الداخلة هي إشارات عالية التردد. لذلك، يجب معالجة مسائل مثل مطابقة المعاوقة والتأريض السليم. قد تكون هناك تدرجات كبيرة في درجات الحرارة، والتي قد توجد داخل القالب نفسه أو بين ما نسميه القالب "E" (القالب الكهربائي) والقالب "P" (القالب الفوتوني). أود أن أعرف إن كنا بحاجة إلى التعمق في الخصائص الحرارية للمواد اللاصقة.
هذا يثير نقاشات حول مواد الربط، واختيارها، واستقرارها مع مرور الوقت. من الواضح أن تقنية الربط الهجين قد طُبّقت عمليًا، لكنها لم تُستخدم بعد في الإنتاج الضخم. ما هو الوضع الحالي لهذه التقنية؟
كيلي: جميع أطراف سلسلة التوريد تولي اهتمامًا كبيرًا لتقنية الربط الهجين. حاليًا، تُدار هذه التقنية بشكل رئيسي من قِبل المسابك، ولكن شركات تجميع واختبار أشباه الموصلات المُستعانة بمصادر خارجية (OSAT) تُجري أيضًا دراسات جادة لتطبيقاتها التجارية. خضعت مكونات الربط الهجين العازل النحاسي التقليدي لاختبارات طويلة الأمد. إذا أمكن التحكم في نظافتها، يُمكن لهذه العملية إنتاج مكونات متينة للغاية. مع ذلك، تتطلب هذه العملية متطلبات نظافة عالية جدًا، وتكاليف معدات رأسمالية مرتفعة للغاية. شهدنا محاولات تطبيق مبكرة في خط إنتاج Ryzen من AMD، حيث استخدمت معظم وحدات SRAM تقنية الربط الهجين النحاسي. مع ذلك، لم أرَ العديد من العملاء الآخرين يطبقون هذه التقنية. على الرغم من أنها مدرجة ضمن خطط العديد من الشركات التكنولوجية، يبدو أن الأمر سيستغرق بضع سنوات أخرى حتى تُلبي مجموعات المعدات ذات الصلة متطلبات النظافة المستقلة. إذا أمكن تطبيقها في بيئة مصنعية ذات نظافة أقل بقليل من مصانع الرقائق التقليدية، وإذا أمكن تحقيق تكاليف أقل، فربما تحظى هذه التقنية بمزيد من الاهتمام.
تشين: وفقًا لإحصائياتي، سيتم تقديم ما لا يقل عن 37 ورقة بحثية حول الترابط الهجين في مؤتمر ECTC لعام 2024. تتطلب هذه العملية خبرة كبيرة وتتضمن عددًا كبيرًا من العمليات الدقيقة أثناء التجميع. لذا، ستُطبّق هذه التقنية على نطاق واسع بالتأكيد. هناك بالفعل بعض التطبيقات، ولكن في المستقبل، ستزداد انتشارًا في مختلف المجالات.
عندما تذكر "العمليات الجيدة"، هل تقصد الحاجة إلى استثمار مالي كبير؟
تشين: بالطبع، يتطلب ذلك وقتًا وخبرة. يتطلب إجراء هذه العملية بيئةً نظيفةً للغاية، مما يتطلب استثمارًا ماليًا. كما يتطلب معداتٍ ذات صلة، وهو ما يتطلب بدوره تمويلًا. لذا، لا يقتصر الأمر على تكاليف التشغيل فحسب، بل يشمل أيضًا الاستثمار في المرافق.
كيلي: في الحالات التي تبلغ فيها المسافة بين الرقائق 15 ميكرونًا أو أكثر، ثمة اهتمام كبير باستخدام تقنية رص رقائق أعمدة النحاس. في الوضع الأمثل، تكون الرقائق مسطحة، وأحجام الرقائق ليست كبيرة جدًا، مما يسمح بإعادة انصهار عالية الجودة لبعض هذه المسافات. ورغم أن هذا يُمثل بعض التحديات، إلا أنه أقل تكلفة بكثير من الالتزام بتقنية الربط الهجين النحاسي. ومع ذلك، إذا كانت الدقة المطلوبة 10 ميكرون أو أقل، يتغير الوضع. ستحقق الشركات التي تستخدم تقنية تكديس الرقائق مسافات ميكرونية أحادية الرقم، مثل 4 أو 5 ميكرون، ولا يوجد بديل آخر. لذلك، ستتطور التكنولوجيا ذات الصلة حتمًا. ومع ذلك، فإن التقنيات الحالية تتطور باستمرار. لذا، نركز الآن على حدود قدرة أعمدة النحاس على التمدد، وما إذا كانت هذه التكنولوجيا ستدوم طويلًا بما يكفي ليتمكن العملاء من تأجيل جميع استثماراتهم في التصميم وتطوير "التأهيل" لتقنية الربط الهجين النحاسي الحقيقية.
تشين: سوف نعتمد التقنيات ذات الصلة فقط عندما يكون هناك طلب عليها.
هل هناك العديد من التطورات الجديدة في مجال مركبات صب الإيبوكسي حاليًا؟
كيلي: خضعت مركبات الصب لتغييرات جوهرية. انخفض معامل التمدد الحراري (CTE) الخاص بها بشكل كبير، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات ذات الصلة من حيث الضغط.
أوتي: بالعودة إلى مناقشتنا السابقة، كم عدد شرائح أشباه الموصلات التي يتم تصنيعها حاليًا بمسافة ميكرون واحد أو اثنين؟
كيلي: نسبة كبيرة.
تشين: ربما أقل من 1٪.
أوتي: إذًا، التكنولوجيا التي نناقشها ليست شائعة. إنها ليست في مرحلة البحث، إذ تطبقها بالفعل شركات رائدة، لكنها مكلفة وعوائدها منخفضة.
كيلي: يُستخدم هذا بشكل رئيسي في الحوسبة عالية الأداء. ويُستخدم حاليًا ليس فقط في مراكز البيانات، بل أيضًا في أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء، وحتى في بعض الأجهزة المحمولة. على الرغم من صغر حجم هذه الأجهزة نسبيًا، إلا أنها لا تزال تتمتع بأداء عالٍ. ومع ذلك، في السياق الأوسع للمعالجات وتطبيقات CMOS، تبقى نسبتها ضئيلة نسبيًا. بالنسبة لمصنعي الرقائق العاديين، لا حاجة لاعتماد هذه التقنية.
أوتي: لهذا السبب، من المدهش رؤية هذه التقنية تدخل صناعة السيارات. فالسيارات لا تحتاج إلى رقائق صغيرة جدًا، إذ يُمكن استخدامها في عمليات 20 أو 40 نانومتر، لأن تكلفة الترانزستور الواحد في أشباه الموصلات تكون في أدنى مستوياتها.
كيلي: مع ذلك، فإن المتطلبات الحسابية لأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) أو القيادة الذاتية هي نفسها تلك الخاصة بأجهزة الكمبيوتر الذكية أو الأجهزة المماثلة. لذلك، تحتاج صناعة السيارات إلى الاستثمار في هذه التقنيات المتطورة.
إذا كانت دورة المنتج خمس سنوات، فهل يمكن أن يؤدي تبني التقنيات الجديدة إلى تمديد الميزة لخمس سنوات أخرى؟
كيلي: هذه نقطة منطقية جدًا. صناعة السيارات لديها وجهة نظر أخرى. لنأخذ أجهزة التحكم المؤازرة البسيطة أو الأجهزة التناظرية البسيطة نسبيًا، والتي مضى على وجودها 20 عامًا وهي منخفضة التكلفة للغاية. تستخدم هذه الأجهزة رقائق صغيرة. يرغب العاملون في صناعة السيارات في الاستمرار في استخدام هذه المنتجات. فهم يرغبون فقط في الاستثمار في أجهزة حوسبة متطورة جدًا مزودة برقائق رقمية صغيرة، وربما دمجها مع رقائق تناظرية منخفضة التكلفة، وذاكرة فلاش، ورقائق ترددات لاسلكية. بالنسبة لهم، يُعد نموذج الرقائق الصغيرة منطقيًا للغاية، إذ يمكنهم الاحتفاظ بالعديد من القطع منخفضة التكلفة والمستقرة من الجيل القديم. فهم لا يرغبون في تغيير هذه القطع ولا يحتاجون إليها. ثم، يحتاجون فقط إلى إضافة رقاقة صغيرة متطورة بقياس 5 أو 3 نانومتر لأداء وظائف نظام مساعدة السائق المتقدمة (ADAS). في الواقع، يستخدمون أنواعًا مختلفة من الرقائق الصغيرة في منتج واحد. بخلاف مجالي الحواسيب والحوسبة، تتميز صناعة السيارات بمجموعة تطبيقات أكثر تنوعًا.
تشين: علاوة على ذلك، لا يلزم تركيب هذه الرقائق بجوار المحرك، وبالتالي فإن الظروف البيئية أفضل نسبيًا.
كيلي: درجة حرارة بيئة السيارات مرتفعة جدًا. لذلك، حتى لو لم تكن طاقة الشريحة عالية جدًا، يجب على صناعة السيارات استثمار بعض الأموال في حلول جيدة لإدارة الحرارة، وقد تفكر حتى في استخدام مواد الواجهة الحرارية (TIM) المصنوعة من الإنديوم نظرًا لقسوة الظروف البيئية.
وقت النشر: ٢٨ أبريل ٢٠٢٥