مواد الركائز الخزفية لتطبيقات النظام في العبوة (SiP)

مواد الركائز الخزفية لتطبيقات النظام في العبوة (SiP)

تدمج تقنية النظام في حزمة واحدة (SiP) مكونات سلبية ونشطة متعددة ذات وظائف مختلفة في حزمة واحدة، لتشكل وحدة نمطية موحدة توفر وظائف على مستوى النظام أو على مستوى النظام الفرعي. ولتلبية متطلبات السوق لزيادة وظائف النظام، وتقليل الحجم والوزن، وخفض التكلفة الإجمالية، أصبحت تقنية SiP أحد أبرز اتجاهات التطوير في مجال التغليف المتقدم.

1. متطلبات مادة الركيزة لأنظمة SiP

يجب أن تتمتع ركائز SiP بخصائص ميكانيكية وعازلة وحرارية وكهربائية ممتازة، مع سهولة تشكيلها ومعالجتها وانخفاض تكلفتها. تشمل المتطلبات الرئيسية ما يلي:

① ثابت عزل كهربائي منخفض (Dk)

تتأثر سرعة نقل الإشارة بشكل كبير بثابت العزل الكهربائي ومسافة الانتشار. انخفاض قيمة ثابت العزل الكهربائي (Dk) يسمح بانتشار الإشارة بشكل أسرع.

② انخفاض فقد العزل الكهربائي (Df)

أثناء التوصيل الكهربائي واستقطاب الاسترخاء، يتحول جزء من الطاقة الكهرومغناطيسية إلى حرارة. ويؤدي انخفاض الفقد العازل إلى تقليل تراكم الحرارة داخل الركيزة بشكل كبير.

③ موصلية حرارية عالية

مع ازدياد كثافة الرقائق ومستويات الطاقة وسرعات التبديل، يرتفع توليد الحرارة بشكل حاد. وتتيح الموصلية الحرارية العالية تبديد الحرارة بسرعة من الرقائق المدمجة بكثافة.

④ معامل التمدد الحراري المناسب (CTE)

يؤدي عدم تطابق معامل التمدد الحراري بين الركيزة والشريحة إلى إجهاد حراري أثناء التشغيل، مما يتسبب في إجهاد وصلات اللحام، أو انفصال الطبقات، أو حتى تلف الشريحة. لذا، يجب أن تتطابق مواد الركيزة بشكل دقيق مع معامل التمدد الحراري للجهاز.

⑤ قوة ميكانيكية ممتازة

تتطلب قوة الانحناء العالية ومعامل المرونة لتقليل التشوه أثناء التلبيد، والحفاظ على دقة الأبعاد، وضمان المتانة الميكانيكية أثناء التجميع والاستخدام.

2. مواد الركائز الخزفية لأنظمة SiP

توفر الركائز الخزفية الدعم الميكانيكي والعزل الكهربائي في وحدات SiP. تقليديًا، كان أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وأكسيد البريليوم (BeO) هما المادتان السائدتان؛ ومع ذلك:

• ال₂ال₃ يعاني من انخفاض الموصلية الحرارية وعدم تطابق معامل التمدد الحراري مع السيليكون.
• يوفر أكسيد البريليوم أداءً متميزًا ولكنه مكلف وسام للغاية، مما يحد من انتشاره.

بالنظر إلى الأداء والتكلفة والعوامل البيئية، لم تعد هذه المواد قادرة على تلبية احتياجات أشباه الموصلات الحديثة عالية الأداء بشكل كامل. ونتيجة لذلك، شهدت مواد AlN وLTCC تطوراً واسعاً في السنوات الأخيرة.

① نتريد الألومنيوم (AlN)

تُنتج بنى SiP المكدسة كثافة حرارية أعلى نظرًا لتركز مصادر الحرارة فيها، بينما لا تنمو مساحة المشعات الحرارية بشكل متناسب. كما أن اقتران الحرارة بين الرقائق المكدسة يزيد من حدة التحديات الحرارية. وتُضيف المكونات السلبية المدمجة أيضًا حملاً حراريًا إضافيًا. لذلك، يُعد اختيار ركائز سيراميكية ذات موصلية حرارية عالية أمرًا بالغ الأهمية لإدارة الحرارة في SiP.

يُعدّ AlN سيراميكًا ذو بنية وورتزيتية يتميز بما يلي:

• موصلية حرارية تصل إلى 170 واط/(م·ك)
• معامل التمدد الحراري 4.2 × 10^-6°C⁻¹، متطابقة بشكل كبير مع السيليكون، وجاليوم أرسينيد، وجاليوم نتريد
• قوة ميكانيكية عالية وكثافة ممتازة، مما يضمن الإحكام التام
• ثابت عزل كهربائي منخفض، مما يتيح التشغيل عالي الطاقة وعالي التردد

لذلك يعتبر AlN أحد أكثر مواد الركائز والتغليف المفضلة لأجهزة SiP عالية الطاقة وذات الحجم الكبير وعدد الأطراف العالي.

② السيراميك المشترك ذو درجة الحرارة المنخفضة (LTCC)

تستخدم تقنية LTCC مواد ذات أغشية سميكة، وتُدمج طبقات السيراميك والأقطاب الكهربائية والمكونات السلبية المدمجة في عملية واحدة، مما يجعلها عاملاً أساسياً في تكامل أنظمة SiP. وتوفر تقنية LTCC ما يلي:

• فقد عازل منخفض واستقرار ممتاز عند الترددات العالية
• توافق CTE مع الدوائر المتكاملة
• سهولة التكامل مع الرقائق
• أسلاك متعددة الطبقات عالية الكثافة وهياكل سلبية ثلاثية الأبعاد

تتيح هذه المزايا وحدات نظام عالية الكثافة وصغيرة الحجم ومتعددة الوظائف.

المزايا الرئيسية لنظام SiP القائم على تقنية LTCC:

① إمكانية الربط البيني متعدد الطبقات

يعزز بشكل كبير كثافة تكامل النظام.

② المكونات السلبية المدمجة والهياكل الوظيفية

تعمل التجاويف والأجهزة المدفونة والشبكات السلبية ثلاثية الأبعاد على تقليل طول الموصلات، وخفض الطفيليات البينية، وزيادة كثافة الأسلاك، وتبسيط الدوائر الخارجية - مما يؤدي إلى تحسين كفاءة التجميع وخفض تكلفة النظام.

③ إمكانية ضبط واسعة لثوابت العزل الكهربائي

من خلال تعديل تركيبات المواد أو حرق مواد مختلفة معًا، يمكن تصميم ركائز LTCC لتطبيقات متنوعة في مجال الترددات الراديوية والميكروويف والإشارات المختلطة.

تسمح درجات حرارة الحرق المنخفضة باستخدام موصلات الذهب والفضة والنحاس، مما يقلل من فقدان التوصيلات البينية - وهو أمر مثالي للدوائر عالية التردد وعالية السرعة.

④ إدارة حرارية ممتازة

تعمل الموصلية الحرارية لـ LTCC، بالإضافة إلى هياكل ملء الثقوب، على تعزيز تبديد الحرارة الرأسي.

⑤ توافق CTE

تتيح قيم معامل التمدد الحراري المشابهة لـ Si و GaAs و InP إمكانية توصيل الرقاقة مباشرة وأداء موثوق به على المدى الطويل.

3. الاتجاهات المستقبلية

مع استمرار ارتفاع كثافة التغليف وتزايد تنوع وظائف الأنظمة، لم يعد أداء المواد أحادية الطور كافيًا. ستتجه ركائز التغليف الإلكتروني المستقبلية نحو السيراميك المركب متعدد الأطوار، الذي يجمع بين خصائص متكاملة لتلبية متطلبات أنظمة أشباه الموصلات من الجيل التالي.