لماذا أصبحت حزمة الشريحة جزءًا أساسيًا من معركة التبريد؟

مع تزايد عدد الترانزستورات وارتفاع استهلاك الطاقة داخل مساحات أصغر، لم يعد تغليف الشريحة مجرد غلاف واقٍ. فقد أصبح جزءًا من الحل الحراري نفسه، لأن الحرارة المتولدة داخل الـdie يجب أن تجد طريقًا فعالًا للخروج قبل أن تؤثر في الأداء والاعتمادية.

وتقول Huatian Technology إنها طورت قدرة على التصميم والمحاكاة الحرارية عبر كامل عملية تغليف fan-out، بهدف معالجة الحرارة من مصدرها بدل محاولة إصلاح المشكلة بعد اكتمال التجميع. 8

لكن السؤال الأهم ليس ما إذا كان FOPLP يبدو واعدًا على الورق، بل ما إذا كان يحافظ فعليًا على درجة حرارة الشريحة ضمن الحدود المطلوبة عند استخدامه على لوحة إلكترونية وفي نظام تبريد حقيقي.

لماذا أصبحت إدارة الحرارة مسؤولية التغليف؟

كلما تركزت قدرة حسابية أكبر في مساحة أصغر من سطح الشريحة، أصبحت الحرارة محصورة في منطقة أكثر ضيقًا. ولا تتحدد درجة حرارة الوصلة داخل الشريحة بالسيليكون وحده، بل بمسار حراري كامل يمر عبر:

• مادة تثبيت الـdie ومركب التغليف؛
• طبقات إعادة توزيع الوصلات المعدنية، أو RDL؛
• سطح الحزمة؛
• لوحة الدوائر المطبوعة PCB؛
• مواد الواجهة الحرارية؛
• موزع الحرارة أو المشتت الحراري؛
• وتدفق الهواء داخل النظام.

وإذا كان هذا المسار ذا مقاومة حرارية مرتفعة أو يؤدي إلى ظهور نقاط ساخنة، فقد تعمل الشريحة عند حرارة أعلى، مع هامش أقل للموثوقية. كما يمكن للإجهاد الحراري المتكرر أن يسرّع أعطالًا مثل إجهاد الوصلات، وانفصال طبقات المواد، والتمدد الحراري غير المتطابق، والالتواء.

هل تعاني حزم SOP وQFP وQFN من المشكلة نفسها؟

تعتمد حزم تقليدية مثل SOP وQFP بدرجة كبيرة على الأرجل وإطار التوصيل المعدني لتصريف الحرارة. وقد ينتج عن ذلك مسار حراري أطول وأكثر تقييدًا. وتقارن Huatian هذه البنية بتغليف FOPLP الذي يُصمم من دون ركيزة تقليدية وبمسار حراري أقصر. 6

أما QFN، فلا يصح اعتباره ضعيفًا حراريًا في جميع الحالات. فإصدارات QFN المزودة بوسادة مكشوفة أو power-QFN يمكن أن توفر مسارًا فعالًا للحرارة باتجاه اللوحة. وتعتمد حدودها على عوامل مثل:

• هندسة إطار التوصيل؛
• حجم الوسادة الحرارية؛
• مساحة النحاس على اللوحة؛
• عدد الفتحات الحرارية vias؛
• وقدرة PCB على نشر الحرارة.

لذلك فإن ملاءمة QFN لا تُحسم باسم الحزمة وحده، بل بقدرة الشريحة وبنية اللوحة والنظام الذي ستعمل فيه.

كيف يمكن لـFOPLP تحسين المسار الحراري؟

في تغليف fan-out، تُعاد توجيه توصيلات الشريحة إلى خارج حدود الـdie عبر طبقات RDL، بدل الاعتماد بالكامل على ركيزة تقليدية. وتدعم هذه البنية كثافة أعلى للوصلات وتقليل الحث مقارنة ببعض البنى التقليدية. 4

وتجمع بنية FOPLP عادةً بين:

• عدم استخدام ركيزة تقليدية للحزمة؛
• كثافة مرتفعة لوصلات الإدخال والإخراج؛
• تصميم نحيف؛
• استخدام طبقات RDL للتوصيل الكهربائي، وربما لنشر الحرارة أيضًا؛
• وإمكانية تحسين المواد والهندسة بالتزامن.

وتصف Fraunhofer IZM تغليف fan-out بأنه تغليف بلا ركيزة، مع إمكانية تصغير كبيرة ومقاومة حرارية منخفضة. كما توضح منصة InFO من TSMC كيف يمكن استخدام طبقات RDL عالية الكثافة في تطبيقات الهواتف والحوسبة عالية الأداء. 1213

مع ذلك، لا يعني السمك المنخفض أو ارتفاع كثافة الوصلات تلقائيًا تحسنًا حراريًا. فالنتيجة تعتمد على ما إذا كانت مسارات النحاس، ومركب التغليف، والجانب الخلفي من الشريحة، وموزع الحرارة، وPCB تشكل معًا مسارًا حراريًا فعالًا بالفعل.

تختلف الفائدة بين الهاتف والسيارة والحوسبة عالية الأداء

استُخدم تغليف fan-out في تطبيقات الهواتف والاتصالات اللاسلكية، وبدأ يمتد إلى أنظمة السيارات والأنظمة الطبية. 1 كما تُطرح منصات fan-out عالية الكثافة لتطبيقات الهواتف والحوسبة عالية الأداء. 13

لكن قيمة FOPLP الحرارية تختلف حسب النظام:

• الهواتف والأجهزة المحمولة: الأولوية هي تقليل السمك ونشر الحرارة داخل هيكل محدود المساحة، غالبًا من دون مشتت حراري كبير.
• الإلكترونيات automotive: يجب أن تتحمل الحزمة دورات حرارية متكررة وتغيرات واسعة في درجات الحرارة، مع الحفاظ على الاعتمادية.
• الحوسبة عالية الأداء: تكون القدرة الكلية أعلى بكثير، ولذلك قد تحتاج الحزمة إلى غطاء حراري أو cold plate أو بنية تبريد خارجية أخرى. ولا يحل FOPLP وحده محل التصميم الحراري للنظام بأكمله.

الفرق بين المقاومة الحرارية ومعلمات التوصيف الحراري

لا تكتسب قياسات JEDEC معناها إلا عند قراءتها ضمن شروط الاختبار المحددة. فالمقاومة الحرارية θ تصف مسارًا معينًا لتدفق الحرارة، بينما تُستخدم معلمات التوصيف Ψ لربط درجة حرارة الوصلة بدرجة حرارة قابلة للقياس أعلى الحزمة أو على اللوحة.

فعلى سبيل المثال، تصف RθJC مسار الوصلة إلى الهيكل عندما تُوجَّه الحرارة عمدًا نحو سطح الحزمة، كما يحدث في اختبار يستخدم صفيحة حرارية أو مشتتًا حراريًا. ولا تمثل بالضرورة ما يحدث على لوحة حقيقية، حيث قد تتوزع الحرارة بين الجزء العلوي للحزمة، وPCB، والكرات أو الأرجل، والهواء المحيط.

لذلك لا ينبغي استخدام المعادلة التالية كطريقة عامة لتقدير درجة حرارة التشغيل:

Tj = Tc + P × RθJC

وتشير إرشادات Texas Instruments إلى أن معلمتي ΨJT وΨJB قد تكونان أكثر ملاءمة لتقدير درجة حرارة الوصلة في التطبيقات الحديثة المثبتة على لوحة. 13 وعندما تكون ظروف القياس مناسبة، يمكن للمهندسين استخدام علاقات مثل:

Tj ≈ Ttop + P × ΨJT
Tj ≈ Tboard + P × ΨJB

ولا تمثل ΨJT وΨJB مقاومتين حراريتين أساسيتين أحاديتَي البعد، بل معلمتي توصيف تتأثران بترتيب الاختبار وطريقة القياس والنظام الذي تُطبّقان فيه.

ماذا تعني قدرة Huatian على التصميم «عبر كامل العملية»؟

بحسب وصف الشركة، تشمل المقاربة اختيار المواد، وتصميم التوصيلات، وبنية الحزمة، مع استخدام محاكاة متعددة الفيزياء لتحسين تبديد الحرارة والاعتمادية على المدى الطويل. 8

ومن منظور هندسي، ينبغي أن تتضمن هذه العملية ما يلي:

• اختيار مواد مركب التغليف، وتثبيت الـdie، ومواد الواجهة الحرارية؛
• تحديد سمك طبقات RDL النحاسية ومواقعها لتوزيع الحرارة؛
• رصد النقاط الساخنة والحد منها؛
• تحليل التوصيل الحراري بالتزامن مع الفقد الكهربائي؛
• فحص الالتواء وعدم تطابق معامل التمدد الحراري؛
• وتقييم إجهاد المواد والوصلات خلال دورات التسخين والتبريد.

وتزداد أهمية التحليل الحراري-الميكانيكي في البنى الكبيرة والرقيقة لتغليف panel-level. فقد بحثت دراسات FOPLP في سلوك المواد وتغير الالتواء أثناء التبريد، بينما يظل كل من warpage وانزياح الـdie من تحديات الاعتمادية المعروفة. 3

الخلاصة: الاختبار الحقيقي هو القياس لا الوعد

يمنح FOPLP شركة Huatian طريقة لمعالجة الحرارة على مستوى بنية الحزمة نفسها: تقليل الطبقات البنيوية غير الضرورية، واستخدام RDL للوصلات الكثيفة وربما لنشر الحرارة، وتحسين المواد والهندسة قبل اكتمال الحزمة. وهذه مزايا منطقية تتماشى مع الاتجاه العام لتقنيات fan-out. 812

لكنها لا تثبت وحدها تحسنًا حراريًا محددًا في منتج من Huatian. فالمواد المتاحة لا تتضمن، بحسب المعلومات المنشورة، أرقامًا مستقلة تم التحقق منها لمقاومة حرارية أو درجة حرارة الوصلة أو عمر التشغيل.

ولهذا يجب أن يستند التقييم الجاد إلى درجات حرارة وصلة مقاسة ونتائج اختبارات اعتمادية في ظروف الاستخدام الفعلية: نوع PCB، وتوزيع القدرة، وحدود التبريد، وتدفق الهواء، وملف الدورات الحرارية.

السؤال الصحيح ليس فقط: «ما قيمة RθJC لهذه الحزمة؟» بل: «هل يحافظ النظام بأكمله على الشريحة ضمن حدود الحرارة طوال عمرها التشغيلي؟»