التقدم البحثي في مجال -النظام عالي الكثافة-في-تقنية الحزم والموثوقية
ترك رسالة
مع التوسع والترويج للاتصالات اللاسلكية وغيرها من التقنيات في المجال المدني، تم تحسين أداء المكونات الإلكترونية بشكل كبير. في الوقت نفسه، مع التكامل المتزايد للأنظمة الإلكترونية، تتطور الأجهزة نحو التصغير، وخفة الوزن، والدقة، وتعدد الوظائف. نظرًا لأن بيئة الخدمة لهذه الأجهزة أصبحت أكثر تطلبًا مع توسيع وظائفها المصممة، فإن استكشاف التصميم وموثوقية الخدمة لهياكل ومواد التغليف المتقدمة يعد أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الوظائف المقصودة. يسرد هذا البحث تقنيات التغليف الشائعة الاستخدام في أنظمة الاتصالات اللاسلكية وتاريخ التطوير المرتبط بها، ويوضح الخصائص ومشكلات الموثوقية المحتملة للتعبئة عالية الكثافة-، ويقدم بإيجاز الحلول الحالية.
1 مقدمة
بفضل التطور القوي في صناعة الدوائر المتكاملة، أدى تصغير الأجهزة وتكامل الحزم عالية الكثافة- إلى انخفاض مستمر في حجم أجهزة الأنظمة الدقيقة المعتمدة على الدوائر المتكاملة-. تتحول الأنظمة تدريجيًا من الدوائر المنطقية الوظيفية المكونة من مكونات منفصلة إلى الأنظمة الدقيقة المكونة من مكونات فردية مدمجة في لوحات الدوائر المطبوعة. مع التحقق المستمر من خلال التجارب والاختبار والإنتاج الفعلي، تتمتع أنظمة الاتصالات اللاسلكية المصغرة بآفاق تطبيق واسعة في السيناريوهات العملية لاستقبال المعلومات ونقلها. مقارنةً بالحجم الكبير والوزن الثقيل للأنظمة على مستوى اللوحة- التقليدية، أدى اتجاه التصغير في الأجهزة الإلكترونية إلى الاستبدال التدريجي للأنظمة على مستوى اللوحة-بأنظمة الاتصالات الدقيقة المتكاملة (MS/MS) نظرًا لتكلفتها المنخفضة ونطاق التطبيقات المرن والموثوقية العالية، مما يجعلها إحدى طرق تفاعل المعلومات السائدة حاليًا.
بفضل تطور الاتصالات الإلكترونية وتقنيات 5G، تحسنت المؤشرات الفنية المختلفة لأنظمة الاتصالات اللاسلكية، مثل طاقة الإرسال، وحساسية الاستقبال، وعرض النطاق الترددي، واتساق القناة. وقد أدى ذلك إلى دفع تكنولوجيا الاتصالات نحو الموجات المليمترية، والتيراهرتز، والنطاق العريض، والنطاق العريض للغاية،-ونقل الطاقة العالي، والحساسية العالية، بينما أدى أيضًا إلى ظهور تقنيات مثل الدوائر المتكاملة الميكروويف المتجانسة (MMICs)، وأنظمة السيراميك التي تعمل بدرجة حرارة منخفضة-والسيراميك المشترك (LTCC)، وأنظمة الحزمة (SiP)-وأنظمة النظام-على أنظمة الشريحة (SoC)-. أدى ظهور تقنيات مثل Chip-on-Chip (SoC) وغيرها من العمليات المشابهة، جنبًا إلى جنب مع تطبيق وتطوير تقنيات مثل التكامل غير المتجانس ثلاثي الأبعاد وعمليات micro/nano، إلى تطوير الأنظمة الدقيقة للاتصالات اللاسلكية. باعتبارها الوحدة الأساسية لاستقبال المعلومات ونقلها بشكل دقيق، ومع التصغير والتكامل والكثافة العالية للأجهزة والأنظمة الإلكترونية، فإن الأنظمة الدقيقة المتكاملة عالية الأداء-والموثوقية العالية-تمثل حاليًا اتجاه التطوير السائد لأنظمة الاتصالات اللاسلكية. تعمل وحدات الإرسال والاستقبال المصغرة على تمكين الأجهزة من تحقيق كفاءة عالية وضوضاء منخفضة الطور وطاقة خرج عالية في نفس الوقت. ومع ذلك، مع تقلص أبعاد العملية، ترتفع تكاليف التصميم والتصنيع الإجمالية للأنظمة الصغيرة. لذلك، اقترحت الصناعة استخدام تقنية Chip-on-Chip (SoC)... إن طريقة إنشاء الأنظمة الرقمية للتكامل عالي الكثافة- تؤدي إلى بنية تتميز بالتكلفة المنخفضة والتكامل العالي والموثوقية العالية.
باختصار، مع تقدم التكنولوجيا، تستمر كثافة تكامل أجهزة الأنظمة الدقيقة في الزيادة، مما يؤدي إلى ارتفاع مستمر في توليد الحرارة لكل وحدة مساحة. تواجه الأجهزة-الكثافة العالية والطاقة-الكبيرة تحديًا يتمثل في درجة حرارة عالية- أثناء التشغيل. ولذلك، تعد موثوقية وصلات اللحام تحت أحمال درجات الحرارة العالية-وقدرات تبديد الحرارة للمواد من العوامل الحاسمة لتشغيل الجهاز بشكل موثوق. يعد تعديل هيكل وصلة اللحام أو تغيير مادة الواجهة وسيلة فعالة لتحسين أداء هذين العاملين المؤثرين. تقدم هذه الورقة بإيجاز طرق التحسين لهذين النهجين.
2. أنواع التغليف
يتطلب تكامل أجهزة النظام المصغر استخدام تقنية التغليف لتحقيق وظائف الجهاز. يمكن لهيكل التغليف الجيد أن يوفر دعمًا ميكانيكيًا معقولًا، وإشارات كهربائية مترابطة، ونظامًا فعالًا لتبديد الحرارة، ونطاق خدمة أوسع للجهاز. حاليًا، هناك العديد من هياكل التعبئة والتغليف المتقدمة المتاحة، مثل SiP، وSoC، وChiplet. تعد تقنية SiP (نظام-on-Package) طريقة لتكامل النظام باستخدام تقنية وحدة الرقائق المتعددة- عالية الكثافة (MCM). تشمل هذه التقنية تصميم نظام الكمبيوتر المضمن، والدوائر المتكاملة -الكبيرة جدًا، وتصميم تكامل النظام، وتغليف النظام، وMCM، وغير ذلك من الأمور. إنه يحقق وظائف دائرة منطقية موحدة مع قدرات نظام كاملة نسبيًا ضمن حزمة واحدة. تعمل هذه الطريقة على تبسيط هياكل الأجهزة لبيئات وظيفية مختلفة، وزيادة موثوقية الجهاز، وتقليل الحجم والتكلفة، والحفاظ على سهولة الاستخدام والمرونة مع توفير أداء أفضل من الأجهزة المنفصلة.
تم اقتراح تقنية SiP لأول مرة من قبل البروفيسور راو تومالا من معهد جورجيا للتكنولوجيا، حيث قام بتجميع شرائح وأجهزة IC المختلفة بشكل مستوي ضمن نظام حزمة واحد. يؤدي هذا إلى تحسين كثافة الحزمة وكفاءتها بشكل كبير. استنادًا إلى طريقة التغليف هذه، توجد مشتقات مثل -مخرج المروحة (InFO) المتكامل، وجسر التوصيل البيني المدمج-المتعدد (EMB)، والرقاقة على الرقاقة... توجد حلول مختلفة للنظام المستوي-في-حزمة (SoC)، بما في ذلك Substrate وCoWoS.
مع تصغير الدوائر المتكاملة وتطوير تكنولوجيا التعبئة والتغليف، تتطور شركة SoC تدريجيًا نحو 2.5D وحتى 3D لتحقيق حجم صغير وأداء عالٍ. مع تطور هياكل التعبئة والتغليف، تتناقص أيضًا أحجام وصلات اللحام، مما يؤدي باستمرار إلى الابتكار في تكنولوجيا التوصيل البيني.
يشير SoC إلى System-on-a-Chip. تتعامل شركة SoC مع النظام ككل، وتحاكي منطق التصميم لأنظمة الكمبيوتر، وتصغير الوحدات الوظيفية المتعددة في نظام مصغر ودمجها في حزمة واحدة. وهي تتألف من مجموعة من الأنظمة الفرعية. على غرار وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر، تحتوي شركة SoC على وحدات صغيرة متعددة. تشتمل مكونات أجهزة SoC بشكل أساسي على: النواة، والذاكرة، والواجهات الطرفية (الأجهزة الطرفية عالية السرعة ومنخفضة السرعة)، والناقل، ووحدة المقاطعة، ووحدة الساعة. يوضح الشكل 2 توزيع الدوائر المنطقية في نظام متكامل مشترك على شركة نفط الجنوب. ويمكن ملاحظة أن وحدة المعالجة المركزية، المسؤولة عن الحساب، تشغل أقل من ربع المجموع، في حين يتم دمج مجموعة أكثر ثراءً من الوحدات الوظيفية على الشريحة لتحقيق وظائف منطقية محددة. مقارنةً بتكامل-الشرائح المتعددة، توفر تقنية تكامل الشرائح مستويات تكامل أعلى للنظام بأكمله، مما يلبي بشكل أفضل متطلبات التصغير والتصميم خفيف الوزن. علاوة على ذلك، تؤدي مستويات التكامل الأعلى عبر وحدات النظام إلى انخفاض تكاليف التصميم. مع التطبيق التدريجي لأشباه الموصلات من الجيل الثالث-مثل GaAs وGaN، تحسنت درجة حرارة تشغيل الجهاز وكثافة الطاقة وأداء الطاقة المنخفض-بدرجات متفاوتة.
يمكن اعتبار Chiplet مجموعة فرعية من التكامل غير المتجانس (H). يعمل التكامل غير المتجانس على دمج أنواع مختلفة من أشباه الموصلات في وحدة واحدة باستخدام عمليات محددة، مما يحقق التوازن بين فعالية التكلفة-والحجم الصغير. يوفر تكامل المواد المتعددة مرونة أكبر في التصميم وأداء أفضل للنظام. تعمل تعبئة الشرائح المستندة إلى عمليات التكامل غير المتجانسة على تحقيق نطاق تكامل متزايد، وتحسين الأداء، وتقليل استهلاك الطاقة مع تصغير الأجهزة. تعمل تقنية Chiplet على حل مشكلة عدم إمكانية زيادة مساحة الشريحة الواحدة إلى أجل غير مسمى، مما يحد من المزيد من تكامل النظام. فهو يقوم بتقسيم شريحة واحدة إلى شرائح متعددة، وتصنيعها بشكل منفصل، وتجميعها في وحدة واحدة. يتطلب الاتصال البيني بين الشرائح مسارات بيانات قوية، وتحديدًا التردد العالي جدًا-، والنطاق الترددي العالي جدًا-، وزمن الاستجابة المنخفض للغاية-، كما يتضح من CoWoS من TSMC... وقد نجحت تقنيات التغليف المتقدمة، مثل تلك الخاصة بالشرائح الصغيرة، في حل هذه المشكلة. ويبين الشكل 3 بنية شريحة كبيرة نموذجية تتكون من شرائح صغيرة. يمكن لكل وحدة منفصلة تحقيق وظيفة التصميم الخاصة بها، مع الفصل العالي بين الوحدات والحد الأدنى من التأثير المتبادل. يوفر تكامل Chiplet كثافة تكامل أعلى من SoC (النظام-الموجود على-شريحة-) وتعقيد عملية أقل من التكامل غير المتجانس المتجانس، مع توفير أيضًا قابلية توسعة ممتازة للنظام ومرونة العملية وكفاءة التكامل.
باختصار، في تطوير الأجهزة المتكاملة للنظام المصغر، أدى الاتجاه العام نحو الأداء العالي والتصغير والتكلفة المنخفضة إلى التطوير الموازي لتقنيات التكامل المختلفة. هناك مجال كبير للتحسين ضمن تكامل الجهاز. لتحقيق أهداف تحسين أداء جهاز النظام المصغر، وتقليل حجم الجهاز، وتوفير التكاليف، من الضروري الجمع بين التقنيات. يعد الاستفادة من مزايا طرق التغليف المختلفة لتحسين الأداء في عملية التغليف طريقة مجدية وفعالة.
3. أبحاث الموثوقية
بالنسبة لأنظمة الاتصالات اللاسلكية الدقيقة، تكون بيئة الخدمة شديدة للغاية. تواجه الدوائر التي تقوم بنقل الإشارات واستقبالها ومعالجتها كثافات وترددات تيار عالية، كما أن ارتفاع درجة الحرارة الناجم عن فقدان خط الجهاز يعد أمرًا كبيرًا أيضًا. ولذلك، تواجه الأجهزة شديدة التكامل درجات حرارة عالية-، وترددات عالية-، وبيئات ذات نطاق واسع-لدرجات الحرارة- خلال فترة خدمتها، مما يجعل من الضروري التحقق من موثوقية وصلات ودوائر اللحام الداخلية.
مع التصغير المستمر للمنتجات الإلكترونية ووزنها الخفيف، تم استخدام تقنية التوصيل البيني لمفاصل اللحام المعدنية في رقائق الدوائر المتكاملة على نطاق واسع. تعد وصلات اللحام المعدنية طريقة ضرورية لتحقيق -أداء عالي، ومعدل نقل-بيانات-عالي للإشارات الكهربائية. تنقسم هياكل وصلات اللحام الشائعة إلى وصلات لحام ومفاصل لحام أعمدة نحاسية، كما هو موضح في الشكل. كما هو مبين في الشكل 4.
في عام 1969، قدمت شركة IBM لأول مرة وصلات لحام كروية نحاسية للتوصيل البيني، ودمجتها في كل لوحة طرفية لمنع كرات اللحام من الفشل أثناء الخدمة. وفي عام 1970، قامت شركة IBM بتطوير تقنية -المعروفة جيدًا لربط شرائح إعادة التدفق المتحكم فيه (C4). C4 هو شكل من أشكال مصفوفة شبكة الكرات الدقيقة (BGA)- وهو أيضًا نوع من وصلات اللحام. نظرًا لخصائصه الحرارية الكهربائية الممتازة، يعد النحاس مادة مثالية لهياكل التوصيل البيني للرقائق -، لتحل محل اللحام الخالي من SnPb أو -الرصاص. يمكن لمفاصل لحام الأعمدة النحاسية، الموجودة في شكل أسطواني، أن تقلل من مساحة الاتصال لمفصل لحام واحد على الشريحة مقارنة بكرات اللحام، وبالتالي تحقيق هيكل ربط عالي الكثافة. من خلال التطوير المستمر، أدى هذا في النهاية إلى وصلات لحام الأعمدة النحاسية التي نراها اليوم.
في عام 2001، اقترحت شركة IBM بنية وصلة لحام الشريحة -ذات بنية طبقة مزدوجة-. درجة حرارة انصهار الطبقة المعدنية السفلية أعلى بـ 20 درجة على الأقل من الطبقة العليا؛ وبالتالي فإن طبقة اللحام السفلية لن تذوب أثناء عملية اللحام. في عام 2007، اقترحت شركة Intel تغليف طبقة حاجز انتشار وطبقة ترطيب خارجية حول السطح الخارجي للعمود النحاسي لتحسين موثوقية وصلة اللحام بشكل عام، واستخدام اللحام القائم على القصدير- أعلى طبقة الترطيب للاتصال. تلعب وصلات اللحام دورًا حاسمًا في الأجهزة الإلكترونية، حيث توفر الدعم الميكانيكي والتوصيل الكهربائي؛ ولذلك، فإن موثوقيتها هي بلا شك مصدر قلق رئيسي في المنتجات الإلكترونية. مع الطلب على أحجام أصغر وكثافة أعلى للإدخال/الإخراج، يتقلص التباعد وحجم وصلات اللحام في المنتجات الإلكترونية باستمرار، مع إدخال ضغوط أعلى أيضًا في وصلات اللحام والحزم [2-]. لي وآخرون. دراسة الموثوقية الحرارية والميكانيكية لرقائق الوجه (FC) مع وصلات لحام أعمدة النحاس. تحدث التشققات في مفاصل اللحام Sn-Ag بسبب الكسر المرن، الذي يحدث في البداية بسبب التعب، ثم يمتد عبر المسام الدقيقة الناتجة عن الزحف. يحدث الكسر في واجهة IMC بشكل أساسي ككسر هش على طول واجهة الطور CuSns وCuSn. يُظهر الشكل 7 مقطعًا عرضيًا للمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للعملية بدءًا من بدء الكراك وحتى الكسر الكامل في عقدة العمود النحاسي. يحدث موقع التصدع بشكل رئيسي عند الواجهة بين IMC واللحام على جانب واحد من العمود النحاسي، أو داخل اللحام بالقرب من الواجهة.
ومع زيادة كثافة التكامل، يقل حجم وصلات لحام أعمدة النحاس، بينما تزداد كثافة التيار الداخلي وحرارة الجول. بسبب تدفق الإلكترونات عالي الكثافة-، يخضع عدد كبير من ذرات المعدن للهجرة الاتجاهية في اللحام، مما يؤدي إلى سلسلة من مشكلات الموثوقية (8-9). اكيبا وآخرون. درس آلية الهجرة الكهربية (EM) على أعمدة النحاس المترابطة في عبوات شرائح -قلبة ووجد أن الأعمدة النحاسية التي لا تحتوي على طبقة حاجز من النيكل تتمتع بضعف عمر مقاومة EM تقريبًا مقارنة بتلك التي تحتوي على طبقة حاجز من النيكل.
تعد تقنية التوصيل البيني لمطبات الأعمدة النحاسية تقنية أساسية في النظام ثلاثي الأبعاد -في-حزمة (SiP). يمتلك هذا الهيكل خصائص كهربائية وميكانيكية ممتازة، إلى جانب مزايا مثل كثافة التكامل العالية والاستقرار الجيد. يمكنه تحقيق اتصال بيني عالي الدقة-ويتمتع بآفاق تطبيق رائعة في التوصيل البيني للتغليف ثلاثي الأبعاد عالي الكثافة-. يتميز اللحام المستخدم في هذه البنية بدرجة حرارة منخفضة للاتصال البيني، مما يتيح الارتباط بدرجة حرارة منخفضة-ويقلل من خطر تلف دائرة الشريحة، مما يؤدي إلى استخدامه على نطاق واسع في التوصيل البيني على مستوى الرقاقة-.
4. إدارة التغليف الحراري
لقد شرح النص السابق بالفعل أجهزة النظام الصغير... تواجه الأجهزة بيئات ذات درجة حرارة عالية-أثناء الخدمة، مما يؤدي إلى توليد حرارة داخلية كبيرة. يمكن لنظام تبديد الحرارة الفعال أن يقلل من درجة الحرارة الإجمالية للجهاز، مما يضمن موثوقية وصلات اللحام والهياكل الأخرى، ويقلل من تأثير درجة الحرارة-تدهور الأداء الناتج. ينقسم تبديد حرارة الجهاز إلى تبريد نشط وسلبي. يشير التبريد النشط إلى تطبيق مجالات التدفق الخارجي، مثل تدفق الهواء أو تدفق الماء، على الجهاز لنقل الحرارة بالحمل الحراري، وتحقيق التوصيل الحراري السريع. هناك ثلاثة أنواع من انتقال الحرارة: النقل، والحمل الحراري، والإشعاع. ونظرًا للهيكل الداخلي المحدود للحزمة، فإن المرونة في ضبط نقل الحرارة بالحمل الحراري والإشعاعي تكون مقيدة. لذلك، يجب أن يركز تحسين تبديد الحرارة على تحسين التوصيل الحراري وتقليل مسارات نقل الحرارة. على سبيل المثال، تُستخدم المشتتات الحرارية (انظر الشكل 8) بشكل شائع لزيادة مساحة واجهة الحمل الحراري والاتصال بمجال التدفق لتحسين كفاءة نقل الحرارة بشكل عام. ومع ذلك، نظرًا لحجمه الكبير، فإن هذا الهيكل مناسب فقط لتبديد الحرارة في الغلاف الخارجي ولا يمكنه الاتصال مباشرة بالرقاقة لتوصيل الحرارة. وفقا لصيغة نقل الحرارة بالحمل الحراري، فإن زيادة مساحة نقل الحرارة يمكن أن تحسن نقل الحرارة بشكل عام.
نظرًا لأن وحدة الرقاقة مغلفة داخل الغلاف، فإن ضبط مجال التدفق داخل الغلاف يعد أمرًا معقدًا وصعبًا، كما أنه يزيد من الحجم الإجمالي للجهاز ويقلل من كثافة الطاقة. لذلك، يتم استخدام تبديد الحرارة السلبي، أي التوصيل الحراري الفعال، لتبديد الحرارة داخل الجهاز، بينما يؤدي تطبيق صيغة مجال تدفق نقل الحرارة إلى الجزء الخارجي من الغلاف إلى تحقيق تبديد فعال للحرارة. بشرط عدم إمكانية تغيير طريقة نقل الحرارة ومنطقة الواجهة، تتمثل وسائل تحسين كفاءة نقل الحرارة داخل الجهاز في استخدام مواد ذات أعلى موصلية حرارية ممكنة، وضمان الاتصال بمصدر الحرارة، وتقليل مسار التوصيل الحراري لنقل الحرارة... يتوافق نقل الحرارة هذا إلى الخارج مع متطلبات تصغير الأجهزة. يؤدي استخدام لحام الفضة النانو- للتوصيل البيني للرقاقة إلى تقليل حجم الجهاز ومسافة نقل الحرارة بين الشريحة والمبادلات الحرارية الخارجية. وفي الوقت نفسه، تتيح الموصلية الحرارية العالية للفضة نقل الحرارة بسرعة.
بالنسبة لأجهزة أشباه موصلات الطاقة، تصبح مادة التوصيل البيني داخل العبوة بمثابة عنق الزجاجة مما يحد من درجة حرارة الوصلة. تستخدم العبوات الإلكترونية التقليدية مواد لحام ذات درجة حرارة منخفضة-معتمدة على القصدير ونقاط انصهار أقل من 300 درجة بشكل عام. تتطلب وحدات أشباه الموصلات المعبأة باستخدام هذه العملية عادةً درجات حرارة وصلات أقل من 150 درجة. في درجات الحرارة المرتفعة للغاية، يتدهور أداء وصلة اللحام بسرعة، مما يؤثر على موثوقية الجهاز. ومع ذلك، فإن خصائص تشغيل أجهزة الطاقة تملي أنها يجب أن تعمل في درجات حرارة عالية، وعادة ما تتجاوز [نطاق درجة حرارة معينة]. يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى 150 درجة، وفي بعض الحالات قد تتجاوز 200 درجة. لذلك، يلزم استخدام وحدات لحام ذات درجة حرارة عالية-لتتوافق مع شروط الخدمة الخاصة بأجهزة الطاقة، مثل Au80Sn20. في حين أن Au80Sn20 يوفر مزايا مثل التوصيل الحراري العالي، ومعدل الزحف العالي، ومقاومة التآكل الكيميائي، فإن الذهب والقصدير سيولدان كمية كبيرة من المركبات المعدنية الهشة أثناء التوصيل والخدمة، مما يؤدي إلى كسر هش في المفصل المعدني. علاوة على ذلك، فإن اللحام التقليدي لأجهزة اللحام يتميز بموصلية حرارية منخفضة. تجعل هذه الموصلية الحرارية المنخفضة من الصعب نقل الحرارة من الجهاز إلى وحدة تبديد الحرارة، مما يؤدي إلى اختلاف كبير في درجة الحرارة عبر طبقة الاتصال وإعاقة فعالية وحدة تبديد الحرارة.
يشير معجون الجسيمات النانوية إلى المواد المصنوعة عن طريق تحضير المواد المعدنية إلى مساحيق نانوية. وباستخدام الطاقة السطحية العالية للمواد النانوية، يمكن تحقيق الترابط في درجات حرارة منخفضة. يمكن تلبيد مادة التوصيل نفسها في مادة سائبة مسامية أقل من 300 درجة، قادرة على التعامل مع التوصيلات الكهربائية ونقل الحرارة. يمكن أن تكون نقطة انصهار طبقة عجينة الجسيمات النانوية الملبدة قريبة من نقطة انصهار المعدن السائب (على سبيل المثال، نقطة انصهار الفضة هي 961 درجة)، مما يلبي متطلبات الخدمة لأجهزة الطاقة بشكل كامل. علاوة على ذلك، يمكن أن تصل الموصلية الحرارية للطبقة الملبدة المصنوعة من عجينة الفضة النانوية الأكثر شيوعًا إلى أكثر من 150 وات/(ملي كلفن)، أي أكثر من ثلاثة أضعاف تلك الموجودة في لحام الرصاص والقصدير التقليدي.
في عام 1989، حقق شوارزاور وكوهنيرت لأول مرة ربطًا بينيًا للركيزة-باستخدام معجون فضي متكلس بدرجة حرارة منخفضة. كان هذا بمثابة أول تطبيق لتقنية تلبيد المسحوق في التغليف الإلكتروني لأجهزة الطاقة وكان النموذج الأولي لمعجون النانو-. استخدمت هذه الطريقة رقائق فضية بحجم ميكرون-، والتي كانت ذات نشاط تلبيد ضعيف وتتطلب ضغط تلبيد عاليًا ودرجة حرارة عالية جدًا لتكثيف وصلات اللحام، مما يحد بشدة من استخدامها.
في عام 2005، اقترح إيدي... [أسماء المؤلفين] لأول مرة استخدام جسيمات الفضة النانوية كمواد مترابطة!2 يتمتع معدن الفضة بنقطة انصهار تصل إلى 961 درجة، والتي يمكن أن تلبي ظروف الخدمة القاسية -درجة الحرارة العالية- للأجهزة ذات الطاقة العالية، أو متطلبات الخدمة في بعض الظروف القاسية (مثل الاستكشاف تحت الأرض، والمكونات الداخلية لمحركات السيارات، وما إلى ذلك). في المقياس النانوي، يمكن تلبيد جزيئات الفضة عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 200 درجة. المواد الفضية مستقرة كيميائيا. ونظرًا للطاقة السطحية النوعية العالية للجسيمات النانوية، فإن الجسيمات النانوية المعدنية العادية تتأكسد بسهولة في الهواء ويصعب تخزينها لفترة طويلة، بينما يمكن أن تظل جسيمات الفضة النانوية مستقرة في الهواء لفترة طويلة، مما يجعلها سهلة التخزين والنقل. تحتوي معاجين الجسيمات النانوية الفضية أيضًا على بعض العيوب، مثل الميل إلى الهجرة الكهربائية أثناء التشغيل الكهربائي في درجات الحرارة العالية- وتفاعلات الهجرة الكهروكيميائية عند استخدامها في البيئات الرطبة.
بالنسبة إلى بنية النظام المصغر، يجب تقسيم نظام تبديد الحرارة إلى وحدتين رئيسيتين: دورة تبريد الشريحة - ودورة تبريد النظام.31لتلبية متطلبات تبديد الحرارة لوحدات الطاقة العالية-، يجب تصميم الجهاز من المنظور المادي والهيكلي. يجب أن تكون الموصلية الحرارية للمادة عالية بما فيه الكفاية ويجب أن تكون الواجهة مرتبطة بإحكام. يجب أن يضمن التصميم الهيكلي العام مساحة كافية لنقل الحرارة بالحمل الحراري وأن يكون مصدر حرارة الطاقة وواجهة نقل الحرارة قريبين قدر الإمكان. يعد اختيار المواد الموصلة حرارياً خطوة حاسمة في ضمان التشغيل الموثوق لأجهزة النظام المصغر. بالمقارنة مع المواد اللاصقة الموصلة حراريًا شائعة الاستخدام، فإن معجون اللحام الفضي النانو- لا يتمتع بموصلية حرارية عالية تزيد عن 100 واط/(mK) فحسب، بل يوفر أيضًا دعمًا ميكانيكيًا جيدًا وموصلية كهربائية، مما يتيح التوصيل البيني للإشارات الكهربائية. تظهر القياسات الفعلية أن معجون اللحام الفضي النانو- يمكن أن يضمن خدمة موثوقة تحت أحمال التدوير الحراري في نطاق -40~150 درجة، مع متوسط قوة قص تزيد عن 27 ميجا باسكال.2ليو جياكسين وآخرون.2تم استخدام طريقة تلبيد بدون ضغط باستخدام الفضة النانوية- لتعبئة شرائح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)-عالية الطاقة، مما أدى بنجاح إلى تقليل درجة حرارة الوصلة بنسبة 21.2%. يوضح هذا أن معجون اللحام الفضي النانو-، كطبقة متوسطة لنقل الحرارة للتغليف، يتمتع بموصلية حرارية عالية ويعتبر مادة مثالية لتبديد الحرارة في أجهزة النظام المصغر.
تضمن عملية توصيل أجهزة IGBT (الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة) بركيزة Mo باستخدام معجون اللحام الفضي -النانو وجود رابطة محكمة بين الشريحة وركيزة الموليبدينوم. وهذا يقلل بشكل فعال من المقاومة الحرارية البينية ومقاومة التلامس، مما يحقق تبديدًا فعالاً للحرارة من منظوري مصدر الحرارة ومسار التوصيل الحراري. هو يونغفانغ وآخرون. [28] أجرى دراسة محاكاة حرارية على هيكل التغليف ثلاثي الأبعاد لـ MCM (وحدة الرقائق المتعددة -)، مما أدى بنجاح إلى تقليل ارتفاع درجة الحرارة الإجمالية للمكون من 35 درجة إلى رقم واحد باستخدام عجينة اللحام الفضية النانوية - بدلاً من ربط الأسلاك التقليدية.
يؤدي إدخال لحام الفضة النانوية- إلى زيادة منطقة الاتصال بين الوجهين وتحسين التوصيل الحراري. علاوة على ذلك، نظرًا لانخفاض حجم الجهاز، يتم تقصير مسار نقل الحرارة بشكل أكبر. لذلك، يعد استخدام لحام الفضة النانوية- لتحسين تبديد الحرارة في أجهزة النظام الصغير للترددات اللاسلكية أمرًا موثوقًا وفعالًا.
5. الاستنتاج
إن تكامل المكونات داخل النظام المصغر يضع متطلبات عالية على الحجم الإجمالي للنظام وموثوقية العملية والأداء الحراري وأداء نقل الطاقة وكثافة التكامل والتكلفة والمرونة. ولذلك، تعد تكنولوجيا التغليف المتقدمة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق تكامل موثوق للنظام المصغر. يصاحب تطوير الأنظمة الدقيقة للاتصالات اللاسلكية تطور موازٍ لتقنيات التكامل المتعددة. في ظل الاتجاه العام للأداء العالي والتصغير والتكلفة المنخفضة، يوفر الجمع بين طرق التغليف المختلفة إمكانات كبيرة للتطوير المستقبلي لأنظمة الاتصالات اللاسلكية الدقيقة، مما يؤدي إلى تقليل حجم الجهاز وتوفير التكاليف. يجب أن يركز التطوير المستقبلي على طرق تعبئة أكثر تنوعًا وملاءمة لتحقيق نموذج تطوير متعدد الوظائف وعالي الأداء -وعالي الموثوقية لأنظمة الاتصالات اللاسلكية الدقيقة. لذلك، مع زيادة كثافة الطاقة، تلعب موثوقية الخدمة والتصميم الحراري لهياكل وصلات اللحام الدقيقة- دورًا حيويًا في التشغيل العادي للأنظمة الصغيرة. إن البحث عن موثوقية وصلات اللحام المترابطة وإيجاد مواد مناسبة لتبديد الحرارة لهما أهمية كبيرة في تطوير الأنظمة الدقيقة.
