ما هي طرق تغليف الشريحة？

مقدمة

معنى مصطلح تغليف الرقاقة

تغليف الرقاقة هو عملية إحاطة وحماية دائرة متكاملة (IC) أو رقاقة شبه موصلة وتزويدها بغلاف آمن ومتين. وهي تتضمن تجميع الرقاقة في غلاف واقٍ، وإنشاء توصيلات كهربائية، وتسهيل تبديد الحرارة المتولدة أثناء التشغيل.

أهمية تغليف الرقائق

يلعب تغليف الرقاقات دورًا حاسمًا في صناعة أشباه الموصلات، حيث يضمن الأداء السليم والموثوقية والمتانة للأجهزة الإلكترونية. فهو يحمي الرقاقة الحساسة من العوامل الخارجية مثل الرطوبة والغبار والإجهاد الميكانيكي، مع تمكين التوصيلات الكهربائية الفعالة والإدارة الحرارية.

أنواع طرق تغليف الرقائق

تغليف الإطار الرصاصي

يعد تغليف إطار الرصاص أحد أكثر الطرق شيوعًا وتقليدية لتغليف الرقاقات. وهي تتضمن تركيب الرقاقة على إطار رصاصي معدني يوفر التوصيلات الكهربائية والدعم.

عبوة بلاستيكية مزدوجة الخط مزدوجة الخط (PDIP)

الحزمة البلاستيكية المزدوجة المدمجة البلاستيكية (PDIP) عبارة عن حزمة من خلال ثقب مع صفين متوازيين من الأسلاك. تُستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية المختلفة، مثل أجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات الاستهلاكية و التطبيقات الصناعية.

الدائرة المتكاملة ذات المخطط التفصيلي الصغير (SOIC)

الدائرة المتكاملة ذات المخطط التفصيلي الصغير (SOIC) عبارة عن حزمة مثبتة على السطح تتميز بسلاسل على شكل جناح النورس. وهي توفر حجمًا صغيرًا وتستخدم عادةً في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية المحمولة.

مصفوفة الشبكة الكروية (BGA)

إن مصفوفة الشبكة الكروية (BGA) هي تقنية تغليف مثبتة على السطح تستخدم مجموعة من كرات اللحام كتوصيلات كهربائية. وهي توفر عددًا كبيرًا من المسامير وهي مناسبة للتطبيقات عالية الكثافة والأداء العالي.

مصفوفة الشبكة الكروية البلاستيكية (PBGA)

إن مصفوفة شبكة الكرات البلاستيكية (PBGA) عبارة عن متغير فعال من حيث التكلفة لحزمة BGA، ويتميز بركيزة بلاستيكية وكرات لحام للتوصيلات الكهربائية. وتستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة الطرفية للكمبيوتر.

مصفوفة الشبكة الكروية الخزفية (CBGA)

إن صفيف شبكة كريات السيراميك الكروية (CBGA) عبارة عن حزمة عالية الأداء وموثوقة ومناسبة للبيئات القاسية. تتميز بركيزة خزفية وتستخدم عادةً في التطبيقات العسكرية والفضائية والصناعية.

رقاقة الوجه

تغليف الرقاقة المقلوبة هي تقنية يتم فيها تركيب الرقاقة ووجهها لأسفل على الركيزة أو حامل الرزمة. وتوفر هذه الطريقة حجم رزمة مدمج وأداء كهربائي محسن بسبب التوصيلات الأقصر بين الرقاقة والركيزة.

التغليف على مستوى الرقاقة (WLP)

التعبئة والتغليف على مستوى الرقاقة (WLP) هي طريقة تغليف متطورة تتضمن تغليف الرقائق وهي لا تزال في شكل رقاقة، قبل أن يتم إفرادها (تقطيعها إلى رقائق فردية).

التعبئة والتغليف على مستوى الرقاقة المروحية (FOWLP)

التعبئة والتغليف على مستوى الرقاقة (FOWLP) هو نوع مختلف من التغليف على مستوى الرقاقة حيث تكون الرقاقة أكبر من الرقاقة نفسها. وهذا يسمح بزيادة كثافة المدخلات/المخرجات (I/O) وزيادة التكامل.

التغليف على مستوى الرقاقة المروحية (FIWLP)

التغليف على مستوى الرقاقة المروحية (FIWLP) هو نوع آخر من التغليف على مستوى الرقاقة حيث يكون حجم الرقاقة أصغر أو مساوياً لحجم الرقاقة. وهو يوفر عامل شكل مدمج ومناسب للأجهزة المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء.

العوامل التي تؤثر على اختيار تغليف الرقاقة

الحجم وعامل الشكل

يعد الحجم وعامل الشكل للجهاز الإلكتروني عاملين حاسمين في اختيار طريقة تغليف الرقاقة المناسبة. ويفضل استخدام الحزم المدمجة مثل BGA وWLP للتطبيقات المحمولة والمحدودة المساحة، في حين أن الحزم الأكبر مثل PDIP قد تكون مناسبة للتطبيقات المكتبية أو الصناعية.

الإدارة الحرارية

تعتبر الإدارة الحرارية الفعالة ضرورية لضمان التشغيل الموثوق للرقائق. ويفضل استخدام طرق التغليف التي توفر قدرات جيدة لتبديد الحرارة، مثل العبوات الخزفية أو العبوات المزودة بموزعات حرارية، للتطبيقات عالية الطاقة والأداء العالي.

الأداء الكهربائي

تؤثر متطلبات الأداء الكهربائي، بما في ذلك سلامة الإشارة وتوصيل الطاقة والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، على اختيار تغليف الرقاقة. توفر العبوات ذات المسارات الكهربائية الأقصر وقدرات التدريع الأفضل، مثل الرقاقة القلابة أو BGA، أداءً كهربائيًا فائقًا.

التكلفة

التكلفة عامل مهم، خاصةً في الإلكترونيات الاستهلاكية والتطبيقات ذات الحجم الكبير. تكون العبوات البلاستيكية مثل PDIP وSOIC و PBGA أكثر فعالية من حيث التكلفة بشكل عام مقارنةً بالعبوات الخزفية أو تقنيات التغليف المتقدمة مثل WLP.

متطلبات التقديم

تلعب المتطلبات المحددة للتطبيق المستهدف، مثل بيئة التشغيل ومعايير الموثوقية ومواصفات الأداء، دورًا حاسمًا في اختيار طريقة التغليف المناسبة للرقاقة.

عملية التعبئة والتغليف والمواد

إعداد القوالب

تبدأ عملية التغليف بإعداد قالب أشباه الموصلات (الرقاقة). ويتضمن ذلك معالجة الرقاقة واختبارها وفردها (تقطيع الرقاقة إلى رقائق فردية).

الركيزة أو الإطار الرئيسي

توفر الركيزة أو الإطار الرئيسي القاعدة للرقاقة وتؤسس التوصيلات الكهربائية. وتشمل المواد الشائعة المستخدمة البلاستيك والسيراميك والمعادن مثل النحاس أو الألومنيوم.

الترابط

الربط هو عملية إنشاء توصيلات كهربائية بين الرقاقة والركيزة أو الإطار الرئيسي. ويمكن أن يتم ذلك من خلال الربط السلكي أو ربط الرقاقة القلابة أو تقنيات أخرى.

التغليف

يتضمن التغليف وضع الرقاقة ووصلاتها الكهربائية داخل مادة واقية مثل البلاستيك أو السيراميك. تحمي هذه الخطوة الرقاقة من العوامل الخارجية وتوفر الدعم الهيكلي.

الاختبار ووضع العلامات

بعد التغليف، تخضع الرقاقة المعبأة لاختبارات شاملة لضمان وظيفتها وموثوقيتها. ثم يتم تمييزها بمعلومات تعريفية، مثل أرقام الأجزاء أو شعارات الشركة المصنعة.

اتجاهات ومستقبل تغليف الرقائق الإلكترونية

التصغير وزيادة التكامل

يقود الاتجاه نحو التصغير وزيادة التكامل إلى تطوير تقنيات تغليف الرقائق الأصغر والأكثر إحكاماً. ويشمل ذلك اعتماد أساليب تغليف متقدمة مثل التغليف بالألياف الضوئية والتغليف ثلاثي الأبعاد/2.5D.

المواد المتقدمة

يتم استكشاف مواد جديدة ومتقدمة لتغليف الرقائق لتحسين الأداء والموثوقية والإدارة الحرارية. ويشمل ذلك الركائز العضوية عالية الأداء، وحلول التبريد السائل، ومواد التغليف المتقدمة.

التغليف ثلاثي الأبعاد و2.5D

تكتسب تقنيات التغليف ثلاثية الأبعاد و2.5D، التي تتضمن تكديس رقائق متعددة أو دمج الرقائق والمكونات السلبية في حزمة واحدة، قوة جذب. وتوفر هذه التقنيات تكاملاً أعلى وأداءً محسنًا وعوامل شكل أقل.

خاتمة

تلعب طرق تغليف الرقائق دورًا حيويًا في صناعة أشباه الموصلات، حيث تضمن حماية الأجهزة الإلكترونية ووظائفها وموثوقيتها. ويعتمد اختيار طريقة التغليف المناسبة على عدة عوامل، بما في ذلك الحجم والإدارة الحرارية والأداء الكهربائي والتكلفة ومتطلبات التطبيق، بدءًا من حزم إطار الرصاص التقليدية إلى التقنيات المتقدمة مثل التغليف بالحرارة المنخفضة والتغليف ثلاثي الأبعاد.

مع استمرار تطور التكنولوجيا، ستحتاج طرق تغليف الرقائق إلى التكيف لتلبية متطلبات التكامل الأعلى والأداء الأفضل وعوامل الشكل الأكثر إحكامًا. يكمن مستقبل تغليف الرقائق في تطوير مواد مبتكرة، وتقنيات تغليف متقدمة، وجهود التصغير المستمرة لدعم الاحتياجات المتزايدة باستمرار لصناعة الإلكترونيات.

أسئلة وأجوبة

س1: ما الفرق بين التغليف على مستوى الرقاقة على شكل مروحة خارجية ومروحة داخلية؟
A1: في التغليف على مستوى الرقاقة المروحية للخارج (FOWLP)، يكون حجم الرقاقة أكبر من الرقاقة نفسها، مما يسمح بزيادة كثافة المدخلات/المخرجات (I/O) وزيادة التكامل. ومن ناحية أخرى، فإن التغليف على مستوى الرقاقة

س2: ما هي مزايا تغليف مصفوفة الشبكة الكروية (BGA)؟

ج2: توفر عبوات مصفوفة الشبكة الكروية (BGA) العديد من المزايا، بما في ذلك:

• عدد كبير من المسامير وكثافة عالية: يمكن أن تستوعب حزم BGA عددًا كبيرًا من وصلات الإدخال/الإخراج، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية الأداء والكثافة العالية.
• أداء كهربائي محسّن: تؤدي المسارات الكهربائية الأقصر في حزم BGA إلى تكامل أفضل للإشارة وتقليل التشويش، مما يتيح ترددات تشغيل أعلى.
• إدارة حرارية محسّنة: توفر مجموعة كرات اللحام مساحة سطح أكبر لتبديد الحرارة، مما يحسن الأداء الحراري.
• التوافق مع التركيب السطحي: تم تصميم حزم BGA لتقنية التركيب السطحي، مما يتيح عمليات التجميع الآلي وتقليل متطلبات مساحة اللوحة.

س3: ما الغرض من التغليف في تغليف الرقائق؟
ج3: التغليف هو خطوة حاسمة في تغليف الرقاقات يخدم عدة أغراض:

• الحماية: يحمي الرقاقة الحساسة ووصلاتها الكهربائية من العوامل الخارجية مثل الرطوبة والغبار والإجهاد الميكانيكي، مما يضمن الموثوقية ويطيل عمر الرقاقة.
• الدعم الهيكلي: توفر مادة التغليف، مثل البلاستيك أو السيراميك، السلامة الهيكلية والمتانة للعبوة، مما يمنع التلف أثناء المناولة والتشغيل.
• الإدارة الحرارية: تتمتع بعض مواد التغليف بتوصيل حراري جيد، مما يسهل تبديد الحرارة من الرقاقة.
• العزل الكهربائي: تقوم مادة التغليف بعزل الرقاقة ووصلاتها كهربائيًا عن التداخل الخارجي أو الدوائر القصيرة.

س4: ما هي الاعتبارات الرئيسية عند اختيار طريقة تغليف الرقائق؟
ج4: يعتمد اختيار طريقة تغليف الرقاقة على عدة اعتبارات رئيسية:

• متطلبات الحجم وعامل الشكل للتطبيق النهائي
• احتياجات الإدارة الحرارية بناءً على تبديد طاقة الشريحة
• متطلبات الأداء الكهربائي، مثل سلامة الإشارة وتوصيل الطاقة
• قيود التكلفة، خاصة بالنسبة للتطبيقات الاستهلاكية ذات الحجم الكبير
• متطلبات محددة للتطبيق، مثل بيئة التشغيل ومعايير الموثوقية
• قابلية التوسع المستقبلي واحتياجات التكامل للمنتج أو النظام في المستقبل

السؤال 5: ما هي الاتجاهات الناشئة في تغليف الرقائق في المستقبل؟
ج5: تتضمن بعض الاتجاهات الناشئة في تغليف الرقائق في المستقبل ما يلي:

• استمرار تصغير الحجم وزيادة التكامل من خلال تقنيات التغليف المتقدمة مثل التغليف على مستوى الرقاقة المروحية (FOWLP) والتغليف ثلاثي الأبعاد/2.5D.
• اعتماد مواد جديدة ومتطورة للركائز والتغليف وحلول الإدارة الحرارية لتحسين الأداء والموثوقية.
• تطوير تقنيات التضمين التي تدمج المكونات الخاملة مثل المكثفات والمقاومات في العبوة نفسها، مما يتيح المزيد من التصغير.
• استكشاف التكامل غير المتجانس، حيث يتم دمج أنواع مختلفة من الرقائق (مثل المنطق والذاكرة والتناظرية) في حزمة واحدة لتحسين الوظائف والأداء.
• زيادة التركيز على حلول الإدارة الحرارية، مثل التبريد السائل وموزعات الحرارة المدمجة لمواجهة التحديات الحرارية للحزم عالية الأداء وكثيفة الطاقة.