أخبار

أدى التصغير المستمر لأجهزة إنترنت الأشياء إلى إجبار مصممي المكونات الإلكترونية على النظر إلى ما وراء المساحة السطحية للوحات الدوائر المطبوعة. تواجه المستشعرات الذكية الحديثة المنتشرة عبر التكنولوجيا الطبية القابلة للارتداء ومعدات التشخيص المحمولة وشبكات المراقبة الصناعية الكثيفة قيودًا ميكانيكية مركبة حيث يحدد سمك العبوة والوزن الصافي للمكونات والحدود الحجمية الإجمالية صلاحية التصميم. ومع استيعاب الأجهزة الطرفية لوظائف القياس عن بعد المعقدة، فإن منهجيات تغليف أشباه الموصلات التقليدية تحد بشكل متزايد من التحسين الميكانيكي الإضافي. لحل هذه القيود المكانية، قامت Renesas Electronics بتوسيع خط المعالجة الدقيقة منخفضة الطاقة من خلال تقديم خيارات تغليف متقدمة على مستوى الشريحة، مما يمكن مهندسي الأجهزة من تقليص أبعاد الجهاز دون المساومة على القدرة الحاسوبية أو الكفاءة الحرارية أو قابلية التصنيع.

لقد عملت خيارات تغليف الدوائر المتكاملة التقليدية، بما في ذلك الحزم المسطحة الرباعية ذات الشكل الجانبي المنخفض والمتغيرات الرباعية المسطحة بدون رصاص، كأساس أساسي لإلكترونيات السوق الشامل بسبب خطوط التجميع الناضجة والمتانة الميكانيكية. ومع ذلك، فإن هذه التنسيقات التقليدية تقدم نفقات مادية كبيرة، حيث يتجاوز القولبة البلاستيكية الخارجية وتكوينات الرصاص بشكل كبير أبعاد القالب السيليكوني الداخلي. عند تطوير تجميعات إلكترونية فائقة النحافة أو حساسة للوزن، فإن هذه المادة الإضافية تخلق عنق زجاجة مصطنع. تعالج Renesas هذا القيد في التخطيط من خلال تطبيق تغليف على مستوى الرقاقة على مستوى الرقاقة، وهي تقنية يتم فيها إكمال التغليف وتشكيل الاتصال مباشرة على رقاقة السيليكون قبل فصل القوالب الفردية. ينتج عن تدفق التصنيع المتخصص هذا حزمة نهائية تقل عادة عن 1.2 ضعف حجم قالب السيليكون الخام، مما يوفر بصمة منخفضة للغاية تجعل الكتلة المادية للمكون قريبة بشكل لا يصدق من حدود السيليكون العضوي.

من الناحية الهيكلية، تلغي منهجية WLCSP روابط الأسلاك الداخلية الشائعة في التعبئة القديمة. بدلاً من ذلك، يتم ربط قالب المتحكم الدقيق الخام مباشرة بطبقة إعادة التوزيع المتكاملة، وهي بنية بينية تعيد توجيه وسادات الربط الأصلية إلى مصفوفة مركزة ومحلية للغاية من كرات اللحام الخالية من الرصاص. تتيح هذه المصفوفة التعامل مع المكون الدقيق وتثبيته باستخدام تقنية التثبيت السطحي الآلي القياسية وخطوط تصنيع إعادة التدفق ذات الحزم الكروية عالية الحجم. لحماية السيليكون الرقيق والضعيف من التكسر الميكانيكي والتدهور البيئي، يتم تطبيق طلاءات تخميل متخصصة على السطح الخارجي، مما يوفر درعًا هيكليًا ضروريًا ضد الصدمات الفيزيائية والأشعة فوق البنفسجية مع الحفاظ على التوافق التام مع آلات الانتقاء والوضع الهوائية عالية السرعة.

من خلال التخلص من الأغلفة المادية غير الضرورية، توفر هذه البنية الدقيقة المبسطة مزايا ميكانيكية وكهربائية مميزة على استراتيجيات التعبئة البديلة. تقلل خطوط التوصيل البيني الداخلية الأقصر بشكل كبير من الحث الطفيلي والمقاومة الكهربائية، مما ينتج عنه سلامة إشارة أنظف وسحب طاقة ديناميكي أقل عند ترددات التشغيل العالية. حرارياً، يضمن الاتصال المباشر بين قالب السيليكون، وطبقة إعادة التوزيع، ولوحة الدوائر المطبوعة عبر كرات لحام مركزة مسار مقاومة حرارية منخفض للغاية، مما يسمح بتبديد الحرارة بسرعة إلى ركيزة النظام. يمنع هذا النقل الحراري السريع النقاط الساخنة الموضعية، مما يجعل التكوين متفوقًا للغاية على الحزم القياسية في أغلفة المستشعرات المغلقة وغير المهواة.

أظهرت Renesas التنفيذ العملي لهذا التنسيق عالي الكثافة ضمن سلسلة RA4L1 MCU منخفضة الطاقة، والتي تتميز بمعالج Arm Cortex-M33 المصمم للعقد الطرفية الحرجة للبطارية. يشغل خيار WLCSP ذو 72 كرة المتوفر حديثًا بصمة صغيرة تبلغ 3.64 مم × 4.28 مم فقط مع مظهر رأسي فائق النحافة يبلغ 0.5 مم. على الرغم من حجمه المادي المصغر، يضم المتحكم الدقيق وحدة معالجة مركزية بسرعة 80 ميجاهرتز إلى جانب 512 كيلوبايت من ذاكرة الفلاش ثنائية البنك. يتم استكمال الجهاز بشكل أكبر بواسطة مجموعة قوية من الأجهزة الطرفية للاتصال المتكاملة، بما في ذلك واجهات SPI و I2C و I3C التسلسلية من الجيل التالي على الشريحة، ووحدات UART متعددة منخفضة الطاقة، وواجهات أمامية تناظرية متخصصة منخفضة الكمون، وواجهة USB كاملة السرعة.

يتطلب اعتماد مكونات ذات خطوة فائقة الدقة مع مقاييس تباعد عند أو أقل من 0.5 مم استراتيجيات تخطيط صارمة وتفاوتات تصميم ضيقة للوحة الدوائر المطبوعة. يجب على مجموعات هندسة الأجهزة استخدام عروض تتبع متقدمة، وتكوينات دقيقة للثقوب، وركائز ترابط عالية الكثافة لتفكيك مصفوفة الاتصال الضيقة. ومع ذلك، عند إدارتها من خلال التعاون التصنيعي الاستباقي، تسمح التكنولوجيا لفرق التطوير ببناء مستوى جديد تمامًا من الإلكترونيات الاستهلاكية والطبية فائقة التماسك، بدءًا من وحدات الإرسال والاستقبال البصرية المتخصصة والمستشعرات البيومترية الذكية إلى الأجهزة السمعية المصغرة ومصفوفات التصوير الرقمي.

كتبه: هاريسون فانس، مهندس أجهزة مدمجة رفيع المستوى يتمتع بخبرة تزيد عن ثلاثة عشر عامًا في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة للغاية، وتحسين شبكات توزيع الطاقة المحلية، وتنفيذ حلول أشباه الموصلات ذات البصمة الدقيقة لعمليات نشر إنترنت الأشياء الطبية والصناعية.