2025-08-21
تمثل لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة (IC) جسراً حيوياً بين الدوائر المتكاملة (ICs) ولوحات الدوائر المطبوعة التقليدية، مما يتيح التصغير والأداء العالي المطلوب في الإلكترونيات اليوم. على عكس لوحات الدوائر المطبوعة القياسية، تم تصميم هذه الركائز المتخصصة للتعامل مع وصلات الملعب فائقة الدقة للرقائق الحديثة، ودعم معدلات البيانات التي تصل إلى 112 جيجابت في الثانية وكثافات الطاقة التي من شأنها أن تطغى على لوحات الدوائر التقليدية. من الهواتف الذكية إلى خوادم مراكز البيانات، تعد لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة هي الأبطال المجهولون الذين يتيحون الجيل التالي من التكنولوجيا.
يستكشف هذا الدليل الوظائف الفريدة للوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة، وتعقيدات تصنيعها، وكيف تختلف عن لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية، وأدوارها الأساسية عبر الصناعات الرئيسية. سواء كنت تصمم مودم 5G أو وحدة معالجة رسومات عالية الأداء، فإن فهم هذه الركائز أمر ضروري لإطلاق العنان للأداء المتطور.
النقاط الرئيسية
1. تعمل لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة كـ "مُقحِمات" بين الدوائر المتكاملة ولوحات الدوائر المطبوعة، وترجم الملعب فائق الدقة (≤50 ميكرومتر) للرقائق إلى الملعب الأكثر خشونة (≥100 ميكرومتر) للوحات الدوائر المطبوعة القياسية.
2. تدعم كثافة إدخال/إخراج أعلى بمقدار 3-5 مرات من لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية، مع ما يصل إلى 10000 اتصال لكل شريحة، وهو أمر بالغ الأهمية للمعالجات الحديثة وأجهزة الإرسال والاستقبال 5G.
3. مواد متقدمة مثل راتنج BT (ثلاثي البزميليميد) و ABF (فيلم Ajinomoto Build-up) تمكن من أداء عالي التردد (يصل إلى 112 جيجابت في الثانية) مع فقدان إشارة منخفض.
4. تشمل التطبيقات الرئيسية الهواتف الذكية (رقائق AP/BB)، وخوادم مراكز البيانات (وحدات المعالجة المركزية/وحدات معالجة الرسومات)، وإلكترونيات السيارات (رقائق ADAS)، مع توقع وصول السوق العالمية إلى 35 مليار دولار بحلول عام 2026.
ما هي لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة؟
لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة هي هياكل توصيل عالية الكثافة (HDI) مصممة لتوصيل الدوائر المتكاملة (مثل وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ورقائق الترددات اللاسلكية) فعلياً وكهربائياً بلوحات الدوائر المطبوعة الأكبر حجماً. إنها تعمل كـ "طبقة ترجمة"، وتحويل الدبابيس الصغيرة والمتقاربة لدائرة متكاملة (غالبًا ما تكون <50 ميكرومتر) إلى الوسادات الأكبر والأكثر تباعدًا على لوحة الدوائر المطبوعة القياسية (عادةً 100 ميكرومتر+).
المكونات الأساسية
أ. مادة القاعدة: راتنج BT (ثلاثي البزميليميد) أو ABF (فيلم Ajinomoto Build-up) من أجل ثبات حراري عالي وفقدان عازل منخفض.
ب. طبقات النحاس: مسارات نحاسية رقيقة (12-18 ميكرومتر) مع خط/مسافة (L/S) ضيقة مثل 10/10 ميكرومتر، مما يتيح التوجيه الكثيف.
ج. الثقوب: ثقوب صغيرة (قطر 50-100 ميكرومتر) بنسب عرض إلى ارتفاع تصل إلى 1:1، وتوصيل الطبقات دون شغل مساحة كبيرة.
د. تشطيب السطح: ذهب غمر النيكل الكهربائي (ENIG) أو ذهب بالاديوم النيكل (ENEPIG) لوصلات لحام موثوقة مع نتوءات الدائرة المتكاملة.
كيف تعمل لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة
الوظيفة الأساسية للوحة الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة هي حل "عدم تطابق الملعب" بين الدوائر المتكاملة ولوحات الدوائر المطبوعة:
1. مرفق الشريحة: يتم ربط الدائرة المتكاملة (على سبيل المثال، معالج تطبيق الهاتف الذكي) بالشريحة الفرعية عن طريق نتوءات اللحام، مع توصيل كل نتوء بوسادة على الشريحة الفرعية.
2. توجيه الإشارة: تقوم مسارات الملعب الدقيقة للشريحة الفرعية بتوجيه الإشارات من نتوءات الدائرة المتكاملة إلى الوسادات الأكبر على الجانب السفلي من الشريحة الفرعية.
3. اتصال لوحة الدوائر المطبوعة: ثم يتم تركيب الشريحة الفرعية على لوحة دوائر مطبوعة قياسية عبر كرات اللحام (BGA)، وترجمة وصلات الدائرة المتكاملة عالية الكثافة إلى توجيه لوحة الدوائر المطبوعة منخفض الكثافة.
تضمن هذه العملية انتقال الإشارات بأقل قدر من الفقدان، حتى بسرعات تتجاوز 100 جيجابت في الثانية، مع إدارة الحرارة المتولدة عن الرقائق عالية الطاقة.
لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة مقابل لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية: الاختلافات الرئيسية
تعتبر لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة أكثر تعقيداً بكثير من لوحات الدوائر المطبوعة القياسية، مع مواصفات مصممة خصيصاً لتكامل الدائرة المتكاملة:
|
الميزة
|
لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة
|
لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية
|
|
خط/مسافة (L/S)
|
10/10 ميكرومتر-50/50 ميكرومتر (فائق الدقة)
|
100/100 ميكرومتر-500/500 ميكرومتر (خشن)
|
|
قطر الثقب
|
50-100 ميكرومتر (ثقوب صغيرة)
|
200-500 ميكرومتر (ثقوب قياسية)
|
|
كثافة الإدخال/الإخراج
|
ما يصل إلى 10000 اتصال لكل شريحة
|
ما يصل إلى 1000 اتصال لكل لوحة
|
|
المادة
|
راتنج BT، ABF (منخفض Dk/Df)
|
FR4 (أعلى Dk/Df)
|
|
التوصيل الحراري
|
0.8-1.2 واط/متر·كلفن (تبديد حرارة محسن)
|
0.2-0.3 واط/متر·كلفن (قياسي)
|
|
التكلفة (لكل وحدة)
|
(5-)50 (تعقيد عالي)
|
(1-)15 (تصميمات قياسية)
|
|
المهلة الزمنية
|
2-4 أسابيع (تصنيع متخصص)
|
1-2 أسابيع (عمليات قياسية)
|
الوظائف الأساسية للوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة
تقوم لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة بأربعة أدوار حاسمة تمكن الإلكترونيات المتقدمة:
1. توجيه الإشارات عالية الكثافة
تحتوي الدوائر المتكاملة الحديثة (مثل معالجات 7 نانومتر) على آلاف دبابيس الإدخال/الإخراج مجمعة في مساحات صغيرة (مثل 15 مم × 15 مم). تقوم الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة بتوجيه هذه الإشارات باستخدام مسارات فائقة الدقة (10/10 ميكرومتر L/S)، وتجنب التداخل وفقدان الإشارة. على سبيل المثال، يتعامل الشريحة الفرعية للدائرة المتكاملة لمودم 5G مع 2000+ إشارة تردد لاسلكي ورقمية، يتطلب كل منها تحكماً دقيقاً في المعاوقة (50 أوم) للحفاظ على أداء 28 جيجاهرتز.
2. الإدارة الحرارية
تولد الرقائق عالية الطاقة (مثل وحدات معالجة الرسومات) 100 واط+ من الحرارة، والتي يجب تبديدها لمنع الاختناق. تستخدم الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة:
أ. مواد موصلة حرارياً: يحسن راتنج BT مع الحشوات الخزفية نقل الحرارة إلى المصارف الحرارية.
ب. موزعات حرارة نحاسية: طبقات نحاسية سميكة (70 ميكرومتر) في الشريحة الفرعية توزع الحرارة بالتساوي.
البيانات: تقلل الشريحة الفرعية للدائرة المتكاملة مع موزع حرارة نحاسي درجة حرارة وصلة الشريحة بمقدار 15 درجة مئوية مقارنة بالشريحة الفرعية القياسية، مما يحسن الموثوقية بنسبة 30%.
3. توزيع الطاقة
تتطلب الدوائر المتكاملة طاقة مستقرة (مثل 0.8 فولت لوحدات المعالجة المركزية) مع أقل ضوضاء ممكنة. تحقق الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة ذلك عبر:
أ. مستويات الطاقة: طبقات نحاسية رقيقة ومستمرة تزود الطاقة لجميع دبابيس الدائرة المتكاملة.
ب. تكامل مكثف الفصل: تقلل المكثفات المضمنة (حجم 01005) من تموج الجهد.
النتيجة: يتم الحفاظ على اختلاف الجهد في الدائرة المتكاملة أقل من 2٪، مما يضمن أداءً مستقراً حتى أثناء العمليات عالية التحميل (مثل الألعاب على الهاتف الذكي).
4. الدعم الميكانيكي
تعتبر الدوائر المتكاملة هشة، حيث تكون نتوءات اللحام عرضة للتشقق تحت الضغط الحراري أو الميكانيكي. الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة:
أ. تطابق CTE (معامل التمدد الحراري): يتطابق راتنج BT (12-16 جزء في المليون/درجة مئوية) بشكل وثيق مع السيليكون (2.6 جزء في المليون/درجة مئوية)، مما يقلل من الضغط أثناء دورات درجة الحرارة.
ب. توفير الصلابة: يمنع الانحناء الذي قد يتلف نتوءات الدائرة المتكاملة، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة المقاومة للسقوط مثل الهواتف الذكية.
عملية تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة
يتطلب إنتاج الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة تصنيعاً دقيقاً يتجاوز عمليات لوحات الدوائر المطبوعة القياسية:
1. تحضير مادة القاعدة: يتم قطع صفائح راتنج BT أو ABF حسب الحجم، مع رقائق النحاس المصفحة على جانب واحد أو كلا الجانبين.
2. بناء الطبقات: باستخدام التصوير الضوئي، تتم إضافة الطبقات بالتسلسل:
أ. التنميط: يعرض ضوء الأشعة فوق البنفسجية المقاومة الضوئية من خلال قناع، وتحديد أنماط المسار.
ب. النقش: تتم إزالة النحاس غير المحمي، مما يترك مسارات دقيقة الملعب.
ج. حفر الثقوب الصغيرة: يخلق الحفر بالليزر ثقوباً صغيرة بحجم 50-100 ميكرومتر بين الطبقات.
3. الطلاء: يتم طلاء الثقوب بالنحاس لتوصيل الطبقات، مما يضمن التوصيل.
4. تشطيب السطح: يتم تطبيق ENIG أو ENEPIG على الوسادات لضمان ربط لحام موثوق به مع نتوءات الدائرة المتكاملة.
5. الفحص: يتحقق AOI (الفحص البصري الآلي) والأشعة السينية من دقة المسار وجودة الثقوب، مع تحمل العيوب <1 لكل 10000 مسار.
التطبيقات الرئيسية للوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة
تعتبر لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة ضرورية في الصناعات التي تتطلب إلكترونيات عالية الأداء ومصغرة:
1. الأجهزة المحمولة
الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية:
معالجات التطبيقات (APs): تربط الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة رقائق 7 نانومتر/5 نانومتر (مثل Qualcomm Snapdragon، سلسلة Apple A) بلوحة الدوائر المطبوعة الرئيسية، والتعامل مع 1000+ إشارة لوحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ونوى الذكاء الاصطناعي.
مودم 5G: تدعم الركائز الفرعية ذات مادة ABF منخفضة الفقدان إشارات mmWave بتردد 28 جيجاهرتز/39 جيجاهرتز، مما يتيح معدلات بيانات متعددة الجيجابت.
مثال: يستخدم أحدث هاتف ذكي رائد شريحة فرعية للدائرة المتكاملة ذات 6 طبقات مع 20/20 ميكرومتر L/S لتوصيل AP 5 نانومتر، مما يقلل من السماكة الإجمالية للجهاز بمقدار 0.5 مم مقارنة بالتصميمات السابقة.
2. مراكز البيانات والحوسبة
الخوادم ومحطات العمل:
وحدات المعالجة المركزية/وحدات معالجة الرسومات: تستخدم الرقائق عالية الطاقة (مثل Intel Xeon، NVIDIA H100) الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة مع موزعات حرارة مضمنة للتعامل مع طاقة 400 واط+ وإشارات بين الرقائق 100 جيجابت في الثانية+.
وحدات الذاكرة: تمكن الركائز الفرعية لـ DDR5 و HBM (الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي) معدلات بيانات تبلغ 8400 ميجابت في الثانية مع هوامش توقيت ضيقة.
الاتجاه: تظهر الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة ثلاثية الأبعاد (الطبقات المكدسة) لتوصيل وحدات الرقائق المتعددة (MCMs)، مما يقلل من تأخير الإشارة بين الرقائق بنسبة 40%.
3. إلكترونيات السيارات
أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS):
رقائق الرادار/LiDAR: تربط الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة مع راتنج BT عالي الحرارة (-40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية) معالجات ADAS (مثل NVIDIA Orin) بالمستشعرات، مما يضمن التشغيل الموثوق به في البيئات القاسية.
أنظمة المعلومات والترفيه: تدعم الركائز واجهات عرض 4K واتصال 5G، مع تصميمات مقاومة للاهتزاز (20G+).
الامتثال: تلبي الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة من فئة السيارات معايير IATF 16949، مع متطلبات خالية من العيوب للأنظمة الهامة للسلامة.
4. الإلكترونيات الاستهلاكية
أ. الأجهزة القابلة للارتداء: تستخدم الساعات الذكية ونظارات الواقع المعزز ركائز فرعية للدائرة المتكاملة فائقة النحافة (0.2 مم) لتوصيل الرقائق الصغيرة (مثل أجهزة مراقبة معدل ضربات القلب) بلوحات الدوائر المطبوعة المدمجة، مع خيارات مرنة للتصميمات المنحنية.
ب. وحدات تحكم الألعاب: تعتمد وحدات معالجة الرسومات عالية الأداء في وحدات التحكم (مثل PlayStation 5 و Xbox Series X) على الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة مع 15/15 ميكرومتر L/S للتعامل مع معالجة رسومات 4K/120 إطاراً في الثانية.
الاتجاهات الناشئة في لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة
بينما تدفع الإلكترونيات نحو أداء أعلى وتصغير، تتطور الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة:
أ. التكامل ثلاثي الأبعاد: تقلل الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة المكدسة (الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد) مسارات الإشارة بين الرقائق بنسبة 50٪، مما يتيح نقل بيانات أسرع في مسرعات الذكاء الاصطناعي.
ب. المكونات المضمنة: توفر المكثفات والمقاومات المضمنة في الركائز مساحة وتقلل من الحث الطفيلي، وهو أمر بالغ الأهمية لإشارات 112 جيجابت في الثانية+.
ج. الاستدامة: يتماشى راتنج BT القابل لإعادة التدوير والطلاء الخالي من الرصاص (ENEPIG) مع توجيهات RoHS و EU EcoDesign، مما يقلل من التأثير البيئي.
الأسئلة الشائعة
س: لماذا لا يمكن للوحات الدوائر المطبوعة التقليدية أن تحل محل لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة؟
ج: تفتقر لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية إلى التوجيه الدقيق (≤50 ميكرومتر L/S) وأداء المواد (منخفض Dk/Df) اللازم لتوصيل الدوائر المتكاملة الحديثة. سيؤدي استخدام لوحة دوائر مطبوعة قياسية إلى فقدان الإشارة والتداخل ومشكلات حرارية.
س: ما هو الحد الأقصى لعدد الإدخال/الإخراج للشريحة الفرعية للدائرة المتكاملة؟
ج: تدعم الركائز المتطورة ما يصل إلى 10000 إدخال/إخراج للرقائق عالية الأداء مثل وحدات معالجة الرسومات، مع مسافة 50 ميكرومتر بين الوصلات.
س: كيف تتعامل الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة مع الترددات العالية (مثل 100 جيجابت في الثانية)؟
ج: تقلل المواد منخفضة الفقدان (ABF، Dk=3.0) والمسارات ذات المعاوقة المتحكم بها (50 أوم) من إضعاف الإشارة، بينما تقلل المستويات الأرضية من EMI.
س: هل الركائز الفرعية للدائرة المتكاملة باهظة الثمن؟
ج: نعم - فهي تكلف 5-10 مرات أكثر من لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية بسبب التصنيع الدقيق والمواد عالية الجودة. ومع ذلك، فإن دورها في تمكين الأجهزة عالية الأداء يجعلها فعالة من حيث التكلفة للإلكترونيات المتميزة.
س: ما هو مستقبل تكنولوجيا الركيزة الفرعية للدائرة المتكاملة؟
ج: ستقود الركائز المكدسة ثلاثية الأبعاد وتكامل الفوتونات (للإشارات الضوئية) الركائز من الجيل التالي، ودعم معدلات بيانات 200 جيجابت في الثانية+ ورقائق الذكاء الاصطناعي مع 100 مليار+ ترانزستور.
الخلاصة
تعد لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة هي الحلقة الحاسمة بين عالم الدوائر المتكاملة المتضائل باستمرار والنظام البيئي الأكبر للوحات الدوائر المطبوعة، مما يتيح الأداء والتصغير اللذين يحددان الإلكترونيات الحديثة. من الهواتف الذكية 5G إلى وحدات معالجة الرسومات في مراكز البيانات، تتعامل هذه الركائز المتخصصة مع متطلبات الإشارة والطاقة والحرارة الأكثر تطلباً، غالباً دون الحصول على التقدير الذي تستحقه.
مع استمرار تقدم الرقائق - مع العقد الأصغر، وعدد الإدخال/الإخراج الأعلى، والسرعات الأسرع - ستتطور لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة في انسجام تام، واعتماد التكامل ثلاثي الأبعاد، والمكونات المضمنة، والمواد الجديدة لتلبية الاحتياجات الناشئة. بالنسبة للمهندسين والمصنعين، لم يعد فهم هذه الركائز اختيارياً - إنه أمر ضروري للبقاء منافساً في السوق حيث يكون الأداء والحجم هما كل شيء.
في النهاية، قد تكون لوحات الدوائر المطبوعة الفرعية للدائرة المتكاملة مخفية عن الأنظار، لكن تأثيرها مرئي في كل جهاز عالي السرعة وعالي الأداء نعتمد عليه يومياً.
أرسل استفسارك مباشرة إلينا
