تدفع متطلبات النطاق الترددي المرتفعة لأحمال الذكاء الاصطناعي شركات تصنيع أشباه الموصلات نحو حزم 2.5D و3D، حيث تُجمع عدة رقائق أو Chiplets ضمن مساحة صغيرة وبكثافة توصيل عالية. لكن زيادة عدد التوصيلات لا تحل مشكلة الأداء وحدها؛ فهي ترفع في المقابل صعوبة إدارة الحرارة والإجهاد الميكانيكي والهجرة الكهربائية داخل الحزمة.
يركز التحليل المنشور في Semiconductor Engineering في 20 أغسطس 2026 على دور الـInterposer، أو الوسيط البيني، في معالجة هذه التحديات. ويستعرض نتائج أبحاث تناولت تمدد المواد، وتشوه الحزمة، وتلف طبقات إعادة توزيع التوصيلات، إضافة إلى تأثير البنية المجهرية للنحاس في عمر خطوط التوصيل.
لماذا تتجه الصناعة إلى 2.5D؟
تحقق حزم 3D أعلى كثافة ممكنة للتوصيلات عبر تكديس الرقائق رأسياً باستخدام تقنية الربط الهجين وناقلات السيليكون عبر الرقاقة (TSVs). إلا أن هذا التكامل الوثيق يفرض تحديات كبيرة في المحاذاة والاختبار والاعتمادية. كما أن تبديد الحرارة يصبح أصعب، لأن حجم الأجهزة النشطة يزداد أسرع من المساحة المتاحة لتصريف الحرارة. وقد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تمدد TSVs، ثم نشوء إجهادات تسبب تشققات أو انفصالاً بين الطبقات.
في المقابل، تضع حزم 2.5D الرقائق على Interposer سلبي يعيد توزيع الإشارات بين رقائق متعددة أو بينها وبين ركيزة الحزمة. ويحتوي هذا الوسيط عادةً على أسلاك، وربما مكثفات ومقاومات، لكنه لا يضم ترانزستورات أو مفاتيح أخرى. لذلك يكون أبسط من الدوائر النشطة من حيث التصنيع والنمذجة، مع تجنب جزء من مشكلات اعتمادية الحزم ثلاثية الأبعاد.
مع ذلك، لا يعني كون الـInterposer مكوناً سلبياً أن تصميمه سهل. فهو مطالب بتوفير التوصيلات والدعم الميكانيكي والمساهمة في تبديد الحرارة، بينما تتكون الحزمة من مواد تختلف بشدة في معامل التمدد الحراري (CTE). فالسيليكون والنحاس يتمتعان بمعامل تمدد منخفض نسبياً، في حين أن ركيزة الحزمة ومركب القولبة ومواد الـUnderfill العضوية تتمدد بدرجات أكبر.
التشوه الحراري لا ينتج شكلاً بسيطاً
عند تسخين الحزمة وتبريدها أثناء التصنيع، أو عند تولد حرارة مقاومية خلال التشغيل، تتمدد الطبقات وتنكمش بمعدلات مختلفة. وفي حزمة تحتوي على رقاقة واحدة قد يكون من الأسهل نسبياً نمذجة هذا السلوك، لكن الحرارة أثناء التشغيل لا تتوزع بالتساوي؛ إذ تعتمد على مسارات الإشارة وأنماط العمل داخل الرقاقة.
يزداد التعقيد عند دمج رقائق متعددة. فقد تولد رقاقتان متجاورتان إجهادات متعاكسة على الـInterposer والركيزة الواقعة تحتهما، ما يؤدي إلى شكل تشوه يشبه السرج بدلاً من انحناء مقعر أو محدب بسيط. كما أن تقوية منطقة معينة لمنع الانبعاج قد تنقل الإجهاد إلى منطقة أخرى، بدلاً من إزالته. وقد ينتهي الأمر بفشل الوصلة بين الـInterposer والركيزة أو بانفصال طبقات إعادة توزيع التوصيلات (RDLs).
وجد Hakjun Kim وزملاؤه في Seoul National University أن الفشل الحراري الميكانيكي يمثل أحد أصعب تحديات الاعتمادية في حزم 2.5D. كما حدد Ming-Sheng Luo وفريقه في South China University of Technology المسافة بين الرقائق والوصلة بين الـInterposer ومركب القولبة كمناطق معرضة للفشل في نموذج يضم رقيقتين وثلاث طبقات من التوصيلات المعاد توزيعها. وبالنسبة إلى الحزم الأكبر، اقترح الباحثون استخدام رقائق وهمية، وهي شرائح سيليكون عارية، لموازنة الإجهادات.
ولا تقتصر المشكلة على الحرارة. فقد يؤدي امتصاص الرطوبة إلى تمدد المواد بمعدلات مختلفة، كما أن السلوك الرطوبي للمادة لا يطابق بالضرورة سلوكها الحراري. وهذا يضيف حملاً آخر إلى نماذج الاعتمادية، خصوصاً في حزم Fan-Out Wafer-Level Package.
الهجرة الكهربائية في خطوط النحاس
مع زيادة كثافة التيار داخل الحزمة، تصبح الهجرة الكهربائية سبباً أكثر أهمية لفشل التوصيلات. وتحدث هذه الظاهرة عندما يؤدي التيار المرتفع إلى تحريك ذرات المعدن تدريجياً، ما قد ينتج فراغات أو تلفاً في الخطوط.
درس Yi-Quan Lin وزملاؤه في National Yang Ming Chiao Tung University تأثير البنية البلورية لخطوط النحاس المصنوعة بعمليات الطلاء الكهربائي. وأظهرت النتائج أن النحاس ذي البنية النانوية البلورية قد يزيد قابلية الهجرة الكهربائية، على ما يبدو لأن حدود الحبيبات تسهل الانتشار. أما النحاس ذو التوائم النانوية، ولا سيما بعد المعالجة الحرارية، فامتلك نسيجاً بلورياً قوياً من نوع (111) ونسبة مرتفعة من حدود التوأمة المتماسكة، ما ساعد على الحد من تكوّن الأكاسيد والفراغات.
وأشارت دراسة أخرى مرتبطة بـASE Group إلى أن الخطوط ذات الحبيبات الأصغر حققت أعماراً تقارب سبعة أضعاف أعمار الخطوط ذات الحبيبات الأكبر في هياكل RDL جرى فحصها أثناء التشغيل. ويشير ذلك إلى أن ضبط البنية المجهرية قد يكون وسيلة لتحسين الاعتمادية من دون الاعتماد فقط على إضافات سبائكية أو طبقات عازلة داخل الخنادق، وهي حلول قد تزيد مقاومة الدائرة أو تعقيد التصنيع.
ما الذي يتغير عملياً؟
لا يكفي تقييم تصميم الـInterposer من منظور كثافة الإشارات أو طول المسارات. فاختيار المادة، وتوزيع الرقائق، وسماكة الطبقات، وبنية النحاس، ومواقع التوصيلات، كلها عوامل تؤثر في مسارات الحرارة والإجهادات وعمر الحزمة. وقد يكون الحل الذي يقلل التشوه في منطقة ما سبباً في زيادة خطر الانفصال في منطقة أخرى.
لهذا السبب يتجه الباحثون إلى نماذج بديلة قائمة على التعلم العميق. فالمحاكاة بالعناصر المحددة تتيح دراسة مناطق منفردة بدقة، لكن تطبيقها على جميع المناطق والطبقات في حزمة معقدة يصبح مكلفاً حسابياً. وتشير النتائج الأولية إلى أن نماذج التعلم العميق متعددة المقاييس يمكن أن تقلل الحاجة إلى إعادة تنفيذ تحليل العناصر المحددة في كل حالة، وأن توفر مساراً عملياً للتنبؤ بالتشوه والسلوكيات غير الخطية على نطاق أكبر. ولا تعني هذه النماذج إلغاء المحاكاة الفيزيائية، بل يمكن أن تعمل كنماذج بديلة تسرّع استكشاف التصميمات وتحدد الحالات التي تستدعي تحليلاً أكثر تفصيلاً.