مع انتقال مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي وأنظمة الاتصالات اللاسلكية 6G واتصالات الأقمار الصناعية والرادارات عالية الدقة إلى ترددات ونطاقات ترددية أعلى، يتم دفع تقنية السيليكون CMOS التقليدية إلى حدود أدائها.

يمكن أن يوفر الفوسفيد الإنديوم، زرنيخيد الغاليوم، ونيتريد الغاليوم كسبًا أعلى، أو طاقة خرج، أو تردد تشغيل، أو كفاءة طاقة مقارنة بالسيليكون في الوظائف الحرجة للأداء. ومع ذلك، فإن تصنيع نظام كامل بمساحة كبيرة من مواد أشباه الموصلات III-V مكلف ويصعب توسيع نطاقه.

توفر تقنية دمج رقائق III-V نهجًا أكثر عملية. يمكن استخدام رقائق InP أو GaAs أو GaN الصغيرة فقط حيث توفر خصائصها المادية ميزة قابلة للقياس، بينما يوفر "مُوصل سيليكون 300 مم" وصلات عالية الكثافة، ومكونات سلبية، ووصلات عبر السيليكون، واتصالات بأجهزة CMOS.يجمع هذا الهيكل بين الأداء الكهربائي لمواد III-V مع نطاق التصنيع وكثافة التوجيه لتقنية السيليكون. ومع ذلك، يعتمد نجاحها على أكثر بكثير من مجرد وضع رقائق مختلفة على نفس الركيزة.تؤثر سماكة الرقاقة، وتسطيح وسادات الربط، واستواء السطح، وانحناء المُوصل، ودقة المحاذاة، والتمدد الحراري، وإزالة الحرارة على أداء وموثوقية الحزمة النهائية.

لماذا دمج رقائق III-V على السيليكون؟

توفر تقنية CMOS السيليكونية تصنيعًا ناضجًا بمقاس 200 مم و 300 مم، وكثافة ترانزستور عالية، وتكلفة إنتاج منخفضة نسبيًا. وهي فعالة للغاية للمنطق الرقمي، والتحكم، والمعايرة، ومعالجة الإشارات، والعديد من الوظائف المختلطة الإشارة.

عند ترددات الموجة المليمترية وتحت التراهرتز، قد لا يوفر السيليكون المزيج المطلوب من الكسب، وطاقة الخرج، وأداء الضوضاء، والكفاءة لكل جزء من النظام.

تملأ مواد III-V هذه الفجوات في الأداء.

بدلاً من محاولة تصنيع المنطق، ومضخمات الترددات الراديوية، والمفاتيح، ومشغلات الضوئيات، والمكونات السلبية في مادة واحدة، يمكن تعيين كل وظيفة للتكنولوجيا الأكثر ملاءمة.

قد يجمع النظام المتجانس النموذجي بين:

تقنية CMOS السيليكونية للتحكم والمعالجة الرقمية

تقنية BiCMOS السيليكون-الجرمانيوم للوظائف المختلطة الإشارة عالية السرعة

• رقائق InP للتضخيم عالي التردد للغاية
• رقائق GaAs لوظائف الموجة الميكروية والموجة المليمترية الناضجة
• رقائق GaN للتضخيم عالي الطاقة للترددات الراديوية
• الضوئيات السيليكونية لنقل البيانات الضوئية
• مُوصل سيليكون للتوجيه، والمكونات السلبية، وتكامل النظام
• يمكن لهذا الفصل الوظيفي تقليل كمية مادة III-V باهظة الثمن المطلوبة مع السماح بتصنيع كل رقاقة في عملية محسّنة.
• أدوار رقائق InP و GaAs و GaN

رقائق InP

يُعد الفوسفيد الإنديوم جذابًا بشكل خاص للدوائر التي تعمل فوق 100 جيجاهرتز. يمكن لترانزستورات الوصلة غير المتجانسة (heterojunction bipolar transistors) وترانزستورات الحركة العالية للإلكترون (high-electron-mobility transistors) في InP توفير سرعة حامل عالية، وكسب قوي، وأداء منخفض الضوضاء عند ترددات عالية للغاية.

تشمل وظائف رقائق InP المحتملة:

مضخمات الطاقة للموجة المليمترية وتحت التراهرتز

مضخمات منخفضة الضوضاء

• مشغلات المودم الضوئية
• تحتل GaAs عمومًا موقعًا في الأداء والتكلفة بين تقنيات الترددات الراديوية القائمة على السيليكون وأجهزة InP أو GaN الأكثر تخصصًا.
• كاشفات ضوئية عالية السرعة
• دوائر الواجهة الأمامية لـ 6G
• مكونات الربط البيني الضوئي لمراكز البيانات
• التحدي هو أن رقائق InP أصغر وأكثر هشاشة وأكثر تكلفة من رقائق السيليكون. يسمح تحويل رقاقة InP مكتملة إلى رقائق وظيفية صغيرة باستخدام المواد المتاحة بكفاءة أكبر.
• رقائق GaAs

تمتلك زرنيخيد الغاليوم نظامًا بيئيًا تصنيعيًا راسخًا لأجهزة الموجة الميكروية والترددات الراديوية. تُستخدم تقنيات GaAs pHEMT و HBT على نطاق واسع حيث يكون أداء التردد العالي، والضوضاء المنخفضة، وتضخيم الطاقة الموثوق به مطلوبًا.

يمكن لرقائق GaAs دعم:

مضخمات الطاقة للموجة الميكروية

واجهات أمامية للمصفوفة الطورية (Phased-array front ends)

• وحدات الإرسال والاستقبال للرادار
• دوائر اتصالات الأقمار الصناعية
• مفاتيح الترددات الراديوية
• مضخمات منخفضة الضوضاء
• أنظمة استشعار عالية التردد
• تحتل GaAs عمومًا موقعًا في الأداء والتكلفة بين تقنيات الترددات الراديوية القائمة على السيليكون وأجهزة InP أو GaN الأكثر تخصصًا.
• رقائق GaN

يجمع نيتريد الغاليوم بين مجال انهيار عالي، وكثافة طاقة عالية، وأداء قوي عالي التردد. وهو ذو قيمة خاصة لمضخمات طاقة الترددات الراديوية التي يجب أن توفر طاقة خرج عالية في ظروف تشغيل متطلبة.

قد تُستخدم رقائق GaN في:

مضخمات طاقة الترددات الراديوية عالية الطاقة

محطات قاعدة 5G و 6G

• رادارات المصفوفة الطورية
• مرسلات اتصالات الأقمار الصناعية
• اتصالات الأقمار الصناعية
• تحويل الطاقة عالي التردد
• دوائر توصيل الطاقة لمراكز البيانات
• تولد رقائق GaN حرارة مركزة وتتطلب تصميمًا حراريًا دقيقًا. يؤثر اختيار الركيزة، وسماكة الرقاقة، والطلاء المعدني الخلفي، وهيكل ربط الرقاقة بشكل كبير على طاقة الخرج الممكنة والموثوقية طويلة الأجل.
• ما هو مُوصل سيليكون 300 مم للترددات الراديوية؟

مُوصل السيليكون هو ركيزة وسيطة توضع بين الرقائق النشطة وركيزة الحزمة أو لوحة الدوائر المطبوعة.

على عكس الحامل الميكانيكي الأساسي، يمكن لمُوصل السيليكون للترددات الراديوية أن يحتوي على هياكل كهربائية وظيفية مثل:

طبقات إعادة التوزيع ذات المسافات الدقيقة

وصلات عبر السيليكون (Through-silicon vias)

• مستويات أرضية
• خطوط نقل ذات مقاومة متحكم بها
• محاثات
• مقاومات
• مكثفات معدنية-عازلة-معدنية (Metal–insulator–metal capacitors)
• شبكات توزيع الطاقة
• هياكل حماية الترددات الراديوية
• وصلات رقمية عالية الكثافة
• يسمح استخدام منصة سيليكون 300 مم بتصنيع هذه الميزات باستخدام معدات وعمليات مشتقة من مصانع أشباه الموصلات المتقدمة.
• يجب أن يتحكم مُوصل الترددات الراديوية في الفقد والسلوك الطفيلي عند الترددات التي يمكن أن يؤثر فيها حتى الاتصال القصير بشكل كبير على أداء النظام. يجب مراعاة عرض الخط، وسماكة الموصل، وخصائص العازل، وخشونة السطح، ومسارات العودة، والانتقالات بين الطبقات.

أظهرت التطورات الأخيرة في مُوصلات السيليكون 300 مم للترددات الراديوية تشغيلًا يمتد نحو 325 جيجاهرتز ودمج رقائق InP مع فقد إدخال منخفض جدًا. يشير هذا إلى أن مُوصلات السيليكون يمكن أن تعمل كمنصات تكامل نشطة على مستوى النظام بدلاً من مجرد حاملات رقائق سلبية.

مزايا نقل المكونات السلبية إلى المُوصل

مساحة رقاقة III-V باهظة الثمن. استخدامها للمحاثات الكبيرة، أو المكثفات، أو المكونات السلبية الأخرى يمكن أن يزيد من حجم الرقاقة دون الاستفادة من المزايا الرئيسية للمادة.

يمكن لنقل وظائف سلبية مختارة إلى مُوصل السيليكون:

تقليل مساحة رقاقة III-V

خفض تكلفة المواد

• تحسين تصميم توزيع الطاقة
• تقصير الوصلات البينية
• تقليل بصمة الحزمة
• زيادة تكامل النظام
• تحسين تقسيم المكونات
• السماح بالتحسين المستقل للأجهزة النشطة والسلبية
• تُعد المكثفات المدمجة عالية الكثافة مهمة بشكل خاص لتوصيل الطاقة المحلية وفك الاقتران. أبلغت الأبحاث الحديثة على مُوصلات السيليكون 300 مم للترددات الراديوية عن تحسينات في كثافة السعة بنحو 10 إلى 100 مرة مقارنة بالمكثفات التقليدية المدمجة مباشرة في بعض عمليات III-V.
• وبالتالي يصبح المُوصل جزءًا من التصميم الكهربائي بدلاً من كونه ركيزة محايدة.

طرق ربط رقائق III-V

يمكن النظر في عدة طرق ربط لتوصيل رقائق III-V بمُوصلات السيليكون.

الربط بالضغط الحراري (Thermocompression Bonding)

يطبق الربط بالضغط الحراري حرارة وضغطًا متحكمًا بهما لتشكيل اتصالات كهربائية وميكانيكية بين وسادات معدنية أو نتوءات دقيقة (microbumps).

تشمل المعادن الممكنة:

نحاس إلى نحاس

ذهب إلى ذهب

• ذهب-قصدير
• نحاس مع أغطية لحام
• نتوءات لحام أخرى
• يمكن للطريقة توفير روابط قوية ومسافة بينية دقيقة، ولكن يجب أن تكون دورة الحرارة والضغط الكاملة متوافقة مع رقاقة III-V ومكدس المُوصل.
• ربط الرقاقة المقلوبة باللحام (Flip-Chip Solder Bonding)

ربط الرقاقة المقلوبة مع نتوءات لحام دقيقة ناضج نسبيًا ويمكن أن يستوعب بعض الاختلافات في ارتفاع السطح من خلال إعادة صهر اللحام.

ومع ذلك، يجب التحكم في أبعاد وصلات اللحام، وتكوين المركبات بين المعدنية، وبقايا التدفق، وسلوك الملء السفلي. عند الترددات العالية جدًا، تساهم هندسة نتوءات اللحام أيضًا في الحث البيني وعدم استمرارية المعاوقة.

الربط المعدني المباشر (Direct Metal Bonding)

يمكن للربط المباشر بالنحاس أو الذهب دعم مسافة بينية أدق ومسارات كهربائية أقصر. يتطلب أسطحًا نظيفة للغاية، وناعمة، ومتساوية.

يمكن للجسيمات، أو طبقات الأكسيد، أو التضاريس المحلية أن تمنع الاتصال الكامل وتخلق وصلات مفتوحة كهربائيًا أو ضعيفة ميكانيكيًا.

الربط الهجين (Hybrid Bonding)

يجمع الربط الهجين في وقت واحد بين الوصلات المعدنية والأسطح العازلة المحيطة. يمكنه تحقيق مسافة بينية دقيقة جدًا ولكنه يتطلب تحكمًا صارمًا في استواء السطح، والنظافة، والمحاذاة.

تُعد العملية جذابة للتكامل عالي الكثافة، على الرغم من أن المواد المختلفة والخصائص الميكانيكية لرقائق III-V تتطلب تطويرًا دقيقًا للعملية.

الربط بمساعدة الليزر (Laser-Assisted Bonding)

يوفر الربط بمساعدة الليزر حرارة موضعية لواجهة الربط بدلاً من تسخين مكدس الرقاقة والحزمة بأكمله إلى نفس درجة الحرارة.

تشمل المزايا المحتملة:

دورات ربط أقصر

تعرض حراري إجمالي أقل

• حماية طبقات المُوصل الحساسة للحرارة
• معالجة موضعية
• تقليل الإجهاد الحراري على مستوى الرقاقة
• التوافق مع المُوصلات الغنية بالمكونات السلبية
• في عام 2026، أبلغت imec عن ربط رقائق III-V بمساعدة الليزر على مُوصل سيليكون 300 مم للترددات الراديوية بدقة محاذاة أقل من 600 نانومتر وانحراف دوراني أقل من 0.05 درجة عبر 43 جهازًا. أشارت قياسات الترددات الراديوية إلى الحفاظ على الأداء بعد التجميع.
• توضح هذه النتائج إمكانية الربط الموضعي، على الرغم من أن تأهيل الإنتاج لا يزال يتطلب تقييمًا شاملاً للموثوقية، والإنتاجية، والعائد.

لماذا استواء السطح مهم؟

يتطلب ربط الرقائق ذات المسافات الدقيقة أن تتلامس الأسطح المتزايدة بشكل موحد. إذا لم تكن الرقاقة أو المُوصل مستويًا بما فيه الكفاية، فقد ترتبط بعض الوصلات بشكل صحيح بينما يظل البعض الآخر مفتوحًا أو يتعرض لضغط غير كافٍ.

تشمل المعلمات الهندسية الحرجة:

إجمالي تباين السماكة

تباين السماكة المحلي

• انحناء الرقاقة (Wafer bow)
• التواء الرقاقة (Wafer warp)
• تسطيح الرقاقة (Die coplanarity)
• توحيد ارتفاع النتوء
• تراجع أو بروز وسادة الربط
• تموج السطح
• استبعاد الحافة
• يصف انحناء الرقاقة العالمي الانحناء العام لمُوصل 300 مم. يصف الاستواء المحلي الاختلافات الصغيرة داخل المنطقة التي تشغلها رقاقة فردية.
• رقائق III-V

قد تلبي الرقاقة مواصفات انحناء عالمية ولكنها لا تزال تحتوي على تضاريس محلية تتداخل مع رقاقة III-V صغيرة. على العكس من ذلك، قد يكون موقع الربط المستوي محليًا صعب المعالجة إذا لم يكن من الممكن حمل الرقاقة الكاملة بشكل موحد على مشبك الربط.

مصادر انحناء والتواء المُوصل

يمكن توليد الانحناء والالتواء بواسطة أجزاء مختلفة من عملية تصنيع المُوصل:

إجهاد طبقة العازل

طبقات إعادة التوزيع النحاسية السميكة

• كثافة معدنية غير متساوية
• معالجة وصلات عبر السيليكون
• ترقيق الرقاقة
• معالجة البوليمر
• مكونات سلبية مدمجة
• عدم تطابق التمدد الحراري
• الربط المؤقت وفك الربط
• الطلاء المعدني الخلفي
• يجب توزيع كثافة المعدن بالتساوي قدر الإمكان. يمكن لمنطقة كبيرة غنية بالنحاس على جانب واحد من المُوصل ومنطقة ذات معدن منخفض على الجانب الآخر أن تولد إجهادًا غير متساوٍ وتشوهًا محليًا.
• حالة اختبار الرقاقة الجيدة (Known-good-die)

سماكة الرقاقة وإعداد الجانب الخلفي

غالبًا ما يتم ترقيق رقائق III-V لتقليل طول المسار الكهربائي، أو تحسين الأداء الحراري، أو تلبية متطلبات ارتفاع الحزمة.

ومع ذلك، يمكن أن تكون رقائق InP و GaAs الرقيقة هشة. قد يؤدي تلف الطحن، أو تشقق الحواف، أو الإجهاد المتبقي إلى تقليل قوة الرقاقة أثناء الالتقاط والوضع والربط.

تشمل معلمات الرقاقة المهمة:

سماكة الرقاقة النهائية

تحمل السماكة

• التوازي الأمامي الخلفي
• تشطيب الجانب الخلفي
• جودة الحافة
• معدن وسادة الربط
• الطلاء المعدني الخلفي
• قوة الرقاقة
• حالة اختبار الرقاقة الجيدة (Known-good-die)
• درجة حرارة الربط القصوى
• يمكن للجانب الخلفي الأملس تحسين التصاق المعدن واتصال الواجهة الحرارية، بينما يمكن أن تزيد الخشونة المفرطة أو التلوث من المقاومة الحرارية.

دقة المحاذاة عند مسافات بينية دقيقة

تصبح المحاذاة أكثر صعوبة مع تقلص مسافة النتوء وأبعاد الوسادة. يجب أن يعوض نظام الربط عن:

تحمل أبعاد الرقاقة

تشوه المُوصل

• التمدد الحراري أثناء الربط
• معايرة أداة الوضع
• حركة مرحلة الرقاقة
• دوران الرقاقة
• دقة العلامات البصرية
• يجب أن تظل علامات المحاذاة مرئية بعد خطوات المعالجة السابقة ويجب وضعها بحيث تمثل بدقة منطقة الربط المحلية.
• بالنسبة لأجهزة الترددات الراديوية، لا يؤدي عدم المحاذاة إلى مجرد خطر حدوث اتصال مفتوح. يمكن أن يغير أيضًا هندسة الوصلات البينية ويقدم سعة طفيلية، أو حثًا، أو عدم استمرارية في المعاوقة.

هذا مهم بشكل خاص عند ترددات الموجة المليمترية وتحت التراهرتز.

خشونة السطح والنظافة

يتطلب الربط المعدني المباشر والهجين أسطحًا ناعمة جدًا. يمكن للجسيمات المحلية أو النتوءات أن تمنع المنطقة المحيطة من الارتباط.

تشمل مصادر التلوث:

بقايا التقطيع

بقايا المقاوم الضوئي

• أكسيد المعدن الأصلي
• التلوث العضوي
• جسيمات المناولة
• حطام طحن الجانب الخلفي
• مواد التنظيف
• مواد التعبئة والتغليف
• قد تشمل معالجة السطح التنظيف الرطب، والتنشيط بالبلازما، وإزالة الأكسيد، والتجفيف المتحكم به.
• يجب أن تزيل العملية التلوث دون إتلاف وسادات المعدن الرقيقة، أو طبقات العازل، أو أسطح III-V المكشوفة.

يجب أن يشمل فحص الجسيمات كل من المُوصل والرقائق الفردية. لا يمكن لمُوصل نظيف أن يعوض عن رقائق جيدة معروفة ملوثة.

عدم تطابق التمدد الحراري

تحتوي الحزمة المربوطة على مواد ذات معاملات تمدد حراري مختلفة.

تشمل القيم التقريبية في درجة حرارة الغرفة:

المادة

CTE النموذجي

يمكن أن تساهم دورات الحرارة المتكررة في:

إجهاد النتوء

انفصال الواجهة

• تشقق الرقاقة
• تشقق الملء السفلي
• تلف طبقة إعادة التوزيع
• تغييرات في أداء الترددات الراديوية
• زيادة المقاومة الحرارية
• بشكل عام، تعاني الرقائق الأصغر من إجهاد تمدد أقل إجماليًا مقارنة برقاقة III-V كبيرة، وهذا أحد أسباب قدرة هياكل الرقائق على تحسين التكامل الميكانيكي. ومع ذلك، قد تواجه الوصلات ذات المسافات الدقيقة إجهادًا موضعيًا عاليًا.
• الإدارة الحرارية لرقائق InP و GaAs و GaN

لا تولد رقائق III-V أحمال حرارة متساوية.

قد تنشئ مضخمات طاقة الترددات الراديوية GaN نقاطًا ساخنة مركزة للغاية. يمكن أن تكون أجهزة InP و GaAs حساسة أيضًا لدرجة حرارة الوصلة، خاصة حيث يجب أن يظل الكسب والضوضاء والموثوقية ثابتين.

قد يمر مسار الحرارة الرئيسي عبر:

طبقات الجهاز النشط

ركيزة III-V

1. الطلاء المعدني الخلفي أو نتوءات الواجهة الأمامية
2. واجهة الربط
3. مادة الملء السفلي أو الواجهة الحرارية
4. مُوصل السيليكون
5. ركيزة الحزمة أو مشتت الحرارة
6. نظام التبريد الخارجي
7. كل واجهة تضيف مقاومة حرارية.
8. يمكن لمُوصل السيليكون المساعدة في توزيع الحرارة، ولكن لا ينبغي التعامل معه تلقائيًا على أنه مشتت حرارة مثالي. يمكن لطبقات إعادة التوزيع الكثيفة، وطبقات العازل، والتجاويف، والملء السفلي أن تعيق المسار الحراري.

قد تشمل خيارات التصميم الحراري:

رقائق III-V أرق

أعمدة حرارية نحاسية

• وصلات حرارية عبر السيليكون
• مشتتات حرارة خلفية
• ربط رقاقة عالي الموصلية
• طبقات معدنية موضعية لتشتيت الحرارة
• تبريد ميكرو سائل مدمج
• تبريد مزدوج الجانب
• عزل حراري بين الرقائق الحساسة
• يعتمد الحل الصحيح على كثافة الطاقة، ودرجة حرارة الوصلة المقبولة، وما إذا كانت الحرارة يجب أن تنتشر جانبيًا أو تُزال مباشرة من الجانب الخلفي للرقاقة.
• التصميم المشترك للترددات الراديوية والحراري

لا يمكن تحسين التصميم الكهربائي والحراري بشكل مستقل.

قد يحسن مستوى أرضي كبير سلوك الترددات الراديوية مع تغيير الإجهاد وتشتيت الحرارة أيضًا. قد تقلل طبقات البوليمر السميكة من فقد الترددات الراديوية ولكنها تزيد من المقاومة الحرارية. يمكن للهياكل المعدنية الكثيفة تحسين التوصيل الحراري مع إدخال اقتران طفيلي.

يجب أن يأخذ وضع الرقاقة في الاعتبار:

طول إشارة الترددات الراديوية

مسافة توصيل الطاقة

• استمرارية مسار العودة الأرضي
• النقاط الساخنة الحرارية
• تسخين الرقاقة إلى الرقاقة
• تركيز الإجهاد الميكانيكي
• الوصول إلى الهياكل التبريدية
• لا ينبغي وضع رقائق GaN عالية الطاقة بجوار مستقبلات InP الحساسة حراريًا دون تحليل الاقتران الحراري.
• يجب أن تجمع المحاكاة على مستوى النظام بين النماذج الكهرومغناطيسية والحرارية والميكانيكية قبل الانتهاء من تخطيط المُوصل.

الملء السفلي والتغليف

يوزع الملء السفلي الإجهاد الميكانيكي ويحمي الوصلات الدقيقة، ولكن خصائصه العازلة والحرارية يمكن أن تؤثر على أداء الترددات الراديوية.

تشمل معلمات الملء السفلي المهمة:

اللزوجة

حجم جسيمات الحشو

• درجة حرارة انتقال الزجاج
• معامل المرونة
• CTE
• الموصلية الحرارية
• امتصاص الرطوبة
• الثابت العازل
• الفقد العازل
• انكماش المعالجة
• تكوين الفراغ
• عند الترددات العالية، يغير الملء السفلي حول وسادات الإشارة البيئة الكهرومغناطيسية المحلية. لذلك، يجب تضمين اختيار المواد في نمذجة الترددات الراديوية.
• يصبح التدفق الخالي من الفراغ أكثر صعوبة مع انخفاض مسافة النتوء وزيادة مساحة الرقاقة. يمكن أن تقيد بقايا التدفق أو تلوث السطح ملء الشعيرات بشكل أكبر.

تدفق التصنيع المقترح

قد يشمل عملية دمج رقائق III-V المبسطة:

تصنيع توجيه الترددات الراديوية، والمكونات السلبية، ووسادات الربط على مُوصل السيليكون

تشكيل وكشف وصلات عبر السيليكون إذا لزم الأمر

1. ترقيق وإنهاء الجانب الخلفي للمُوصل
2. قياس TTV، والانحناء، والالتواء، والاستواء المحلي
3. تصنيع واختبار رقائق المصدر III-V كهربائيًا
4. ترقيق رقائق InP أو GaAs أو GaN حسب الحاجة
5. تقطيع أو فصل الرقائق الجيدة المعروفة
6. فحص حواف الرقاقة، والأسطح، ووسادات الربط
7. تنظيف وتنشيط واجهات الربط
8. محاذاة وربط كل رقاقة
9. تطبيق الملء السفلي أو التغليف إذا لزم الأمر
10. إجراء المعالجة الحرارية وتخفيف الإجهاد
11. فحص جودة الربط والمحاذاة
12. إجراء اختبارات كهربائية، وترددات راديوية، وحرارية
13. إكمال تجميع الحزمة النهائي وتأهيل الموثوقية
14. يعتمد التسلسل الدقيق على ما إذا كانت العملية تستخدم ربط اللحام، أو الضغط الحراري، أو الربط المباشر، أو الربط الهجين، أو الربط بمساعدة الليزر.
15. متطلبات الفحص والقياس

تشمل طرق الفحص الموصى بها:

الفحص بالأشعة تحت الحمراء

المجهر الصوتي الماسح (Scanning acoustic microscopy)

• التصوير بالأشعة السينية
• فحص السطح البصري
• المتداخل الضوئي بالضوء الأبيض (White-light interferometry)
• المجهر القوة الذرية (Atomic force microscopy)
• رسم خرائط انحناء والتواء الرقاقة
• قياس محاذاة الربط
• اختبار استمرارية الدائرة الكهربائية
• تحليل شبكة الترددات الراديوية
• التصوير الحراري
• قياس حراري عابر
• لا تحدد تقنية واحدة كل عيب. على سبيل المثال، قد تكشف الأشعة السينية عن هندسة النتوء، بينما يكون المجهر الصوتي الماسح أكثر ملاءمة للكشف عن فراغات معينة وانفصالات.
• يجب ربط بيانات القياس بالنتائج الكهربائية والترددات الراديوية لتحديد العيوب المادية التي تؤثر بالفعل على أداء الجهاز.

قائمة تدقيق المشتريات

عند شراء مُوصلات السيليكون ورقائق III-V، يجب على المشترين تحديد ما يلي.

مُوصل السيليكون

قطر الرقاقة

اتجاه السيليكون

• مقاومة السيليكون
• سماكة الرقاقة
• TTV
• الانحناء والالتواء
• استواء موقع الربط المحلي
• هيكل طبقة إعادة التوزيع
• مادة الموصل وسماكته
• مادة العازل
• قطر TSV، والمسافة البينية، والمقاومة
• معدن وسادة الربط
• توحيد مسافة النتوء وارتفاعه
• قوة الرقاقة
• خشونة السطح
• حدود الجسيمات
• استبعاد الحافة
• تنسيق خريطة الرقاقة
• رقائق III-V
• المادة: InP، GaAs، أو GaN

تقنية الجهاز

• قطر رقاقة المصدر
• أبعاد الرقاقة
• سماكة الرقاقة النهائية
• تحمل السماكة
• التوازي الأمامي الخلفي
• تشطيب الجانب الخلفي
• معدن وسادة الربط
• حدود تشقق الحافة
• قوة الرقاقة
• معايير اختبار الرقاقة الجيدة المعروفة
• درجة حرارة الربط القصوى
• متطلبات الرطوبة والتخزين
• عملية التجميع
• طريقة الربط

مسافة الربط البينية

• تحمل المحاذاة
• تحمل الدوران
• قوة الربط
• الميزانية الحرارية
• عملية تنشيط السطح
• مادة الملء السفلي
• معايير قبول الفراغ
• متطلبات دورة الحرارة
• تردد اختبار الترددات الراديوية
• خطة تأهيل الموثوقية
• التطبيقات
• يمكن لرقائق III-V على مُوصلات السيليكون للترددات الراديوية دعم:

وحدات الواجهة الأمامية لما بعد 5G و 6G

أنظمة لاسلكية تحت التراهرتز

• وصلات بصرية لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي
• مفاتيح شبكة عالية السرعة
• رادارات المصفوفة الطورية
• رادارات السيارات
• اتصالات الأقمار الصناعية
• إلكترونيات الطيران والدفاع
• الأجهزة العلمية
• التصوير والاستشعار عالي التردد
• يمكن تكييف نفس منصة التكامل عن طريق تغيير مزيج وموضع الرقائق بدلاً من إعادة تصميم كل وظيفة في عملية متجانسة واحدة.
• أسئلة متكررة

لماذا لا نصنع النظام بأكمله من InP أو GaAs أو GaN؟

توفر مواد III-V أداءً ممتازًا لوظائف مختارة، ولكنها أكثر تكلفة وأقل قابلية للتوسع من السيليكون للدوائر الرقمية والسلبية الكبيرة. تحتفظ الرقائق بمادة III-V للمناطق التي تخلق فيها أكبر فائدة.

لماذا نستخدم مُوصل سيليكون بدلاً من ركيزة عضوية؟

يمكن لمُوصلات السيليكون دعم توجيه أدق، وهندسة أكثر دقة، ووصلات أصغر، وهياكل سلبية متكاملة. تصبح هذه المزايا مهمة عند الترددات العالية جدًا.

أي مادة III-V هي الأفضل؟

InP جذاب للوظائف عالية التردد للغاية والكهروبصرية. يوفر GaAs أداءً ناضجًا للترددات الراديوية. يُفضل GaN حيث تكون كثافة الطاقة العالية وقوة الانهيار مطلوبة. قد تستخدم العديد من الأنظمة أكثر من مادة واحدة.

ما هو أكبر تحدٍ في الربط؟

يتطلب الربط ذو المسافات الدقيقة تحكمًا متزامنًا في نظافة السطح، والاستواء المحلي، وتسطيح النتوء، والمحاذاة، والإجهاد الحراري. يمكن أن يؤدي الفشل في أي منطقة إلى تقليل العائد.

هل يمكن لمُوصل 300 مم أن يحتوي على رقائق من رقائق أصغر؟

نعم. تتمثل إحدى مزايا تكامل الرقاقة إلى الرقاقة في أنه يمكن تجميع الرقائق المصنعة على رقائق InP أو GaAs أو GaN أصغر على منصة سيليكون 300 مم.

لماذا الإدارة الحرارية صعبة؟

تولد الرقائق كثافات حرارة مختلفة، ويجب أن تعبر الحرارة واجهات متعددة. قد تقيد هياكل العازل والوصلات المحسّنة للترددات الراديوية أيضًا المسار الحراري.

خاتمة

يوفر تكامل رقائق III-V على مُوصلات السيليكون 300 مم للترددات الراديوية مسارًا عمليًا للجمع بين الأداء عالي التردد وعالي الطاقة لـ InP و GaAs و GaN مع نطاق تصنيع تقنية CMOS السيليكونية.

يمكن للتكنولوجيا تقليل كمية مادة III-V باهظة الثمن المطلوبة، ونقل المكونات السلبية إلى المُوصل، وإنشاء أنظمة مدمجة لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، واتصالات 6G، والرادارات، وتطبيقات الأقمار الصناعية.

ومع ذلك، يقدم التكامل المتجانس متطلبات ميكانيكية وحرارية متطلبة.

يحدد TTV المُوصل، والانحناء، والاستواء المحلي، وسماكة الرقاقة، وتسطيح الوسادة، ودقة المحاذاة ما إذا كان يمكن تكوين وصلات ذات مسافات دقيقة بشكل موثوق. تخلق الاختلافات في التمدد الحراري إجهادًا أثناء الربط والتشغيل، بينما تتطلب النقاط الساخنة III-V المركزة مسارات إزالة حرارة مصممة بعناية.

لذلك، يتطلب التطوير الناجح تصميمًا مشتركًا كهربائيًا وميكانيكيًا وحراريًا. يجب على المشترين تحديد مكدس المواد الكامل، وعملية الربط، وهدف الموثوقية قبل تحديد مواصفات الرقاقة والمُوصل.

مع انتقال الصناعة من العروض التوضيحية المنفصلة نحو أنظمة متجانسة قابلة للتصنيع، ستكون هندسة الرقاقة المتسقة، وجودة الرقاقة الجيدة المعروفة، والربط المتقدم، والقياس على مستوى الرقاقة مهمة بنفس القدر مثل أداء مواد III-V نفسها.