الحلول التقنية الجديدة لأجهزة SiP المتقدمة

لعدة سنوات، نظام في حزمة لقد كانت تقنية (SiP) بمثابة محور تركيز لتغليف أشباه الموصلات لمعالجة اتجاه السوق المستمر لتكامل النظام وتقليل الحجم. أدى التعقيد المتزايد اليوم وكثافة الحزمة العالية لأجهزة SiP إلى تطوير تقنيات التعبئة والتغليف الجديدة. ردًا على ذلك، تتيح تقنية الدرع المجزأ إمكانية وضع العديد من الوظائف في SiP واحد دون تداخل بين الرقائق، كما تعمل تقنية التجميع المزدوج الجانب على زيادة كثافة الرقاقة بشكل كبير. تتطلب المتطلبات الأكثر تحديًا من العملاء في أسواق التقنية العالية مزيدًا من البحث في تقنية SiP. سيناقش هذا التقرير التقنيات التي يتم تطبيقها حاليًا على SiPs ويتنبأ بما يمكن توقعه في المستقبل.

المُقدّمة

لفهم تقنية النظام داخل الحزمة (SiP) بشكل أفضل، من الضروري مراجعة سبب زيادة حصة سوق SiP بشكل كبير، وما هي المجالات التي تتطلب التركيز على SiPs المستقبلية، وما هي أنواع الحلول المتاحة لـ SiPs المتقدمة. هناك العديد من المزايا في SiPs، مثل وقت التسويق، والوظيفة المتكاملة ذات العائد الجيد، والتصغير، وتوفير التكاليف، والموثوقية.

الشكل 1: تكامل الوظائف في SiP.

فيما يتعلق بالوقت المناسب للتسويق، طلب العملاء وقتًا قصيرًا جدًا للتطوير قبل الإنتاج. للحصول على أداء أفضل، تم تغيير العناصر السلبية حول القالب لتحقيق الوظيفة المطلوبة دون مراجعة القالب، الأمر الذي قد يتطلب المزيد من الوقت. ولهذا السبب تحديدًا تم اختيار تصميم SiP لأجهزة التردد اللاسلكي التي تتطلب ضبطًا دقيقًا لتلبية المواصفات المطلوبة من العملاء.

لتنفيذ وظائف معقدة، مطلوب دمج التكنولوجيا لكل وظيفة. مع SiPs، يحدث هذا التكامل داخل الحزمة. بالنسبة للمنتجات المعقدة، توفر SiPs إنتاجية جيدة حيث يتم رفض الأخطاء في المكونات الفردية على مستوى القالب قبل التثبيت في عبوات باهظة الثمن. لتحسين الإنتاجية أثناء الإنتاج وتقليل هذه الأنواع من الرفض، يفضل العملاء النهائيون أجهزة SiP التي تضع مكونات صغيرة في العبوة وليس على اللوحة الرئيسية.

يعد SiP أكبر فعليًا من النظام المكافئ في تكوين الشريحة (SoC). ومع ذلك، يوفر SiP فوائد كبيرة لتقليل الحجم مقارنة بتكامل المكونات الذي يحدث على مستوى لوحة النظام. يتم وضع العديد من المكونات في SiPs بسرعات عالية - أكبر من 20 مرة أسرع من آلة توصيل الرقائق التقليدية لترانزستورات PNP.

الشكل 2: SiP مع درع مجزأ.

في الآونة الأخيرة، أصبح اختبار السقوط مهمًا جدًا بسبب زيادة متطلبات المنتجات المحمولة والقابلة للارتداء. تواجه المكونات الصغيرة الموجودة على اللوحات التقليدية مشكلات في اختبارات السقوط. لذلك، طلب بعض العملاء تطبيق قالب علوي على المكونات ذات الدرع المجزأ لمنع التداخل الكهربائي.

اتجاهات السوق لـ 5G

يوضح الشكل 3 توقعات السوق للهواتف الذكية SiPs في الجيل الخامس (5G) تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية. يتطلب التقدم المستمر في تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية المزيد من SiPs في الهواتف الذكية. مع تقنية 1G اللاسلكية، أصبح الاتصال الصوتي ممكنًا. مع 2G، أصبح من الممكن إرسال الرسائل النصية مع الاتصال الصوتي. سمح التقدم في تقنية الجيل الثالث (3G) باستخدام الإنترنت بسرعة بطيئة جدًا وإدخال الهاتف الذكي. بالنسبة لشبكة 4G، تكون السرعة مماثلة تقريبًا للتقنية السلكية. لذلك، أصبحت ألعاب الإنترنت والتطبيقات المختلفة بما في ذلك اتصالات الفيديو ممكنة وجعلت الهاتف الذكي أمرًا ضروريًا للحياة اليومية. تم إطلاق شركات مثل Netflix، وYouTube، وUber و/أو زيادتها بشكل كبير مع 4G. مع تقنية 5G، أصبحت المركبات ذاتية القيادة، والواقع المعزز (AR)، والواقع الافتراضي (VR)، والعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء (IoT) ممكنة.

الشكل 3: توقعات السوق لحزم SiP للهواتف الذكية.

ما الفرق بين تقنية 5G و4G؟ حتى ظهور الجيل الرابع (4G)، كانت تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية تُطبق بشكل أساسي على الهواتف الذكية. ومع تقنية 5G، لا يتم استخدامها للهواتف الذكية فحسب، بل أيضًا لقطاعات سوق السيارات والمستهلكين والحوسبة (الشبكة). سيتطلب هذا الاستخدام المتزايد تحسين الاستجابة في الوقت الفعلي مع سرعة نقل بيانات أسرع 20 مرة وزمن وصول منخفض يصل إلى 0.001 ثانية تقريبًا. يعد الكمون المنخفض أحد أكبر الميزات لتمكين المركبات ذاتية القيادة. كما أنها تتيح تقنية الاتصال الشامل بالأشياء وكذلك الأشخاص. ومع ذلك، مع الانتقال من 4G إلى 5G، لن يتغير كل شيء دفعة واحدة. كما هو الحال مع تنفيذ تقنية 4G، سيتم الإعلان عن منصات محسنة بشكل تدريجي، الأمر الذي سيتطلب وقتًا لتسريع عملية تطوير التعبئة والتغليف.

الشكل 4: طرق تكامل النظام.

مع تقنية SoC، أصبح من الممكن دمج الدوائر الإلكترونية على الشريحة – وهو أعلى مستوى من التكامل وأداء أفضل. ومع ذلك، ليس من السهل تنفيذ SoCs نظرًا لارتفاع تكلفة الهندسة غير المتكررة (NRE)، وطول وقت التطوير، وصعوبة الضبط الدقيق، والعتبة التقنية العالية.

في المقابل، System-on-Board (SoB) هو دمج الحزم على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). لقد كانت شائعة جدًا مع تقنية 3G حيث تكون سرعة الاتصال اللاسلكي أبطأ من تقنية الاتصال السلكي. لديها تكامل مرن ووقت تطوير قصير. ومع ذلك، فإن له أيضًا عيوبًا، مثل الحاجة إلى مساحة أكبر لتنفيذ النظام وارتفاع التكلفة من فقدان العائد، الأمر الذي يؤدي، مع تطبيقات التكنولوجيا الأكثر تقدمًا، إلى زيادة تكلفة خسارة العائد. مع تطبيق تقنية 5G، تختفي الحاجة إلى SoB.

تقوم SiPs بدمج المكونات النشطة والسلبية داخل الحزمة. من خلال التكامل غير المتجانس، من الممكن التصغير دون الحاجة إلى NRE عالية وضبط دقيق لتجنب أوقات التطوير الطويلة. لدى SiPs أيضًا عيبًا يتمثل في فقدان إنتاجية التجميع من خلال زيادة تكامل المناطق الأصغر.

حل SiP الحالي

الشكل 5: هيكل DSMBGA.

اليوم، تم إنشاء مصفوفة شبكية ذات كرات مصبوبة على الوجهين (دي إس إم بي جي إيه) SiP هو ما يريد العملاء استخدامه في منتجاتهم (انظر الشكل 5). منذ عام واحد فقط، تم تقديم التجميع المزدوج الجانب بدون قالب على الجانب السفلي إلى السوق. ومع ذلك، فإن حالات الفشل الملحوظة في اختبار السقوط للأجهزة المحمولة تطلبت "منطقة الابتعاد" عن نقص ملء الشعيرات الدموية إقلب رقاقه (FC) يموت. تشمل المشكلات الأخرى حدوث تشققات في قالب FC الرقيق أثناء تقنية تثبيت السطح السفلي (SMT) ودرع التداخل الكهرومغناطيسي غير المستقر (EMI) في المنطقة السفلية. قام DSMBGA بحل هذه المشكلات.

متقدم قواعد التصميم لدمج أكبر عدد ممكن من الوظائف التي تسمح بها التكنولوجيا الحالية، تم تطبيقها على الجانب العلوي. تم تنفيذ شريحة قلابة ذات درجة دقيقة مع حشوة سفلية مصبوبة، وعناصر سلبية لها ارتفاع أقل من قالب FC الرقيق، ودرع مجزأ لمنع التداخل الكهربائي على الجانب العلوي. ومن بين هذه العناصر، جعلت تقنية الدرع المجزأ SiP أكثر جاذبية للعملاء حيث يمكنها دمج وظائف مختلفة داخل الحزمة. يعمل هيكل الكرة النتوء على سطح القالب على تقليل الضغط أثناء اختبار السقوط وتقنية طحن الشريط تجعل القالب رقيقًا دون التعرض لخطر التشقق. يحمي درع EMI الموجود على العبوة النظام الحساس من الحزم القريبة وقد أدى إلى تصغير منتجات التنقل.

الشكل 6: قواعد التصميم المتقدمة.

لتحقيق تكامل أعلى من خلال قواعد التصميم المتقدمة، يلزم تجميع وحدة SMT المتقدمة لإزالة المعالجة اليدوية. خاصة بعد الانتقاء والمكان، يجب تغذية الركيزة لإعادة التدفق دون التعامل معها، لأنه حتى المحاذاة البسيطة جدًا يمكن أن يكون لها تأثير خطير. حاليًا، تم تطوير تقنية الربط بمساعدة الليزر (LAB) لمنع حتى التعامل البسيط أثناء إعادة التدفق. ومع ذلك، فإنه يحتاج إلى مزيد من التطوير للحام بالليزر من خلال مواد مختلفة والتي ليست فقط Si ولكن أيضًا السيراميك، GaAs، مركب صب الإيبوكسي (EMC)، إلخ.

بغض النظر عن مدى صرامة قواعد التصميم، يمكن أن تحدث مشكلات خارج نطاق السيطرة العادية أو غير الطبيعية أثناء الإنتاج الضخم. على سبيل المثال، يصعب مراقبة الجودة للعمليات عالية السرعة بما في ذلك الانتقاء والمكان دون إجراء فحص يدوي للمناولة. مع التكنولوجيا المتقدمة الحالية وأدوات الفحص في الوقت الحقيقي مثل آلة فحص لصق اللحام و الفحص البصري للسيارات تم تكوين الجهاز في وحدة SMT لمنع العيوب الهائلة أثناء SMT حتى إذا لم يتم إجراء الفحص بحثًا عن العيوب بعد اللحام.

بالنسبة للتكامل على مستوى الحزمة، لا يلزم إمكانية تتبع كل جزء فحسب، بل أيضًا كل حالة تجميع لتحديد السبب الجذري للخلل الذي تحدده شاشة موقع الاختبار أو يتم الإبلاغ عنه بواسطة العميل النهائي. وباعتباره مطلبًا للعميل من أجل إمكانية التتبع، تم تطبيق علامة الباركود ثنائية الأبعاد على العبوة منذ عدة سنوات. ومع ذلك، فإنه لا يزال قيد التطوير لتتبع العناصر التفصيلية مثل الأجزاء المطبقة أثناء التجميع وإحداثيات القالب على الرقاقة.

السبب الرئيسي وراء صعوبة تطبيق قواعد التصميم الصارمة والمتقدمة هو حدوث عيوب في جسر اللحام لكل جزء أثناء تجميع SMT. لتحسين جودة طباعة اللحام، ليس من المهم فقط الحصول على جودة طابعة الشاشة والاستنسل ولكن أيضًا الحصول على تصميمات دقيقة للاستنسل ولوحة البصمة على الركيزة وتنفيذ جهد كبير لتقليل عدم التطابق بين الركيزة والاستنسل.

الشكل 7: طرق الدرع المقصور.

باستخدام تقنية الدرع المجزأ، من الممكن دمج وظائف مختلفة في SiPs على الرغم من أن بعض الأجزاء حساسة للتداخل الكهربائي. يمكن منع التداخل من خلال أداء الدرع المناسب والتصميم الهندسي.

على سبيل المثال، تم تطوير تقنية الخنادق والملء منذ عدة سنوات. لقد تطلب الأمر مساحة كبيرة نسبيًا للتنفيذ دون حدوث فراغات أثناء الردم وتحقيق شكل خندق ثابت. تم توصيل المادة المملوءة بدرع EMI على سطح القالب.

باستخدام تقنية القفص السلكي، يكون التدريع ممكنًا بدون درع EMI على سطح القالب. المساحة المطلوبة للتدريع باستخدام هذه التقنية أصغر من ملحق الغطاء المعدني. يتم تطبيق تكنولوجيا السياج السلكي بشكل رئيسي مع أخاديد الليزر على سطح القالب. يتم توصيل الأسلاك المكشوفة بواسطة الحز بالليزر بدرع EMI على سطح القالب.

أخيرًا، هناك اهتمام من العملاء بتكنولوجيا الأسلاك العمودية لأن المساحة المطلوبة أصغر من التقنيات الأخرى ويمكنها تنفيذ خطوة دقيقة على مسار ضيق.

لتقليل المساحة المخصصة لكشف الأسلاك، يتم استخدام تقنية طحن الشريط بدلاً من الحز بالليزر الذي يؤثر على الخلوص بين المكون والسطح المحزز بالليزر.

مناقشة

تم تطبيق مكونات التضمين في تقنية الركيزة على بعض الأجهزة على الرغم من أنها تتطلب تطويرًا لتحسين الإنتاجية. أيضًا، تم استخدام تقنية الدرع المطابق والمجزأ لتكامل SiP. جعلت تقنية التجميع المزدوج الجانب التكامل العالي ممكنًا من خلال تعبئة المكونات على كلا المستويين. تم تطوير هوائي 5G، وهو أمر مهم جدًا لتقنية 5G، في البداية لهيكل SiP.

الشكل 8: الهيكل المطبق التالي لـ SiP.

تسمح تقنية الدرع المجزأة المطورة بزيادة تكامل الوظائف المختلفة في SiPs.

يمكن تحقيق تقليل حجم الحزمة X/Y وZ باستخدام تقنيات حزمة التجميع الحالية، وهي الحزمة على العبوة (PoP)، والهياكل المجوفة، و2.5D/3D، وتخفيف العبوة عن طريق الطحن، والحزمة المضمنة المقولبة (الهندسة الكهربائية والميكانيكية). يمكن الافتراض أنه سيتم تطبيق مكونات التعبئة على مستويات متعددة، مثل تقنية MEP، على أجهزة SiP المستقبلية. تتطلب تقنية الإدخال/الإخراج الدقيقة، حتى لو تم وضع المكونات على نفس الجانب، مزيدًا من التطوير.

لمزيد من التصغير من خلال التكامل العالي، يجب أيضًا مراعاة مشكلات الإطلاق الحراري والموثوقية ومعالجتها.

وفي الختام

تعمل تقنية SiP على دمج المكونات النشطة والسلبية داخل العبوة. مع هذا التكامل غير المتجانس، من الممكن تحقيق التصغير دون تكبد نسبة عالية من NRE وتقليل الوقت اللازم للتطوير عن طريق الضبط الدقيق. ومع ذلك، فإن لها أيضًا عيبًا يتمثل في فقدان إنتاجية التجميع من خلال التكامل العالي لمكونات المساحة الصغيرة.

للحصول على تكامل أعلى دون فقدان الإنتاجية، يلزم تكوين وحدة SMT المتقدمة للحصول على دقة أعلى ومراقبة مستقرة للجودة. ومع ذلك، بغض النظر عن مدى صرامة قواعد التصميم، يمكن أن تحدث مشكلات خارج نطاق السيطرة العادية أو غير الطبيعية أثناء الإنتاج الضخم. العمليات عالية السرعة، بما في ذلك الانتقاء والمكان، يصعب مراقبة الجودة دون فحص المناولة اليدوية. مع التكنولوجيا المتقدمة الحالية، تم تكوين أدوات الفحص في الوقت الحقيقي مثل آلة فحص لصق اللحام وآلة الفحص البصري التلقائي في وحدة SMT لمنع العيوب الهائلة أثناء SMT حتى إذا لم يتم إجراء الفحص بحثًا عن العيوب بعد اللحام.

باستخدام تقنية الدرع المجزأ، من الممكن دمج وظائف مختلفة في SiPs على الرغم من أن بعض الأجزاء حساسة للتداخل الكهربائي. يمكن منع التداخل من خلال أداء الدرع المناسب والتصميم الهندسي.

من بين العديد من تقنيات التدريع، تتطلب تقنية الأسلاك العمودية مساحة أقل من التقنيات الأخرى ويمكنها تنفيذ خطوة دقيقة على مسار ضيق.

لتقليل المساحة المخصصة لكشف الأسلاك، يتم استخدام تقنية طحن الشريط بدلاً من الحز بالليزر الذي يؤثر على الخلوص بين المكون والسطح المحزز بالليزر.

يمكن تحقيق تقليل حجم الحزمة X/Y وZ باستخدام تقنيات حزمة التجميع الحالية. ومع ذلك، لمزيد من التصغير من خلال التكامل العالي، يجب أيضًا مراعاة مشكلات الإطلاق الحراري والموثوقية ومعالجتها.

شكر وتقدير
يود المؤلف أن يعرب عن شكره لجميع أعضاء الفريق في مركز تطوير العمليات في Amkor Technology Korea R&D لمساهماتهم وحماسهم في تطوير حزمة DSMBGA.

مراجع حسابات
1) HeeSung Kim، YoungSuk Kim، TaeKyeong Hwang من شركة Amkor Korea Co.، "تطوير DSMBGA وتقييم المخاطر"، مفهوم DSMBGA وتاريخ التنفيذ، وثيقة Amkor الداخلية الصادرة في مارس 2019

2) نوزاد كريم من شركة Amkor Technology, Inc. "حل SiP لتقنية 5G يحتاج إلى الصين SiP 2019" تطبيق قواعد التصميم المتقدم، تكامل SiP بواسطة Compartment Shield، مؤتمر SiP الصين (سبتمبر 2019)

3) رون هيمولر، نائب رئيس الشركة، رئيس قسم البحث والتطوير في WW، SungSoon Park، المدير الأول لمشروع نظام البحث والتطوير "Amkor Technology Roadmap 2019-2021"، وثيقة Amkor الداخلية التي تم إصدارها في سبتمبر 2019

4) "توقعات السوق لحزم SiP للهواتف الذكية" تقرير Yole لعام 2019

المصدر: https://semiengineering.com/the-new-technology-solutions-for-advanced-sip-devices/