يلعب سمك رقاقة السيليكون دورًا حاسمًا في تصنيع أشباه الموصلات. فهو يؤثر على الاستقرار الميكانيكي والإدارة الحرارية والتوافق مع العمليات اللاحقة. تسمح المعالجة الحديثة بتصنيع الرقائق بشكل متزايد، ولكن تظل هناك حدود معينة. يستكشف هذا المقال مدى رقة رقائق السيليكون، والعوامل الدافعة وراء التخفيف، والحدود العملية، وكيف يلبي موردو الرقائق المتقدمون هذه المتطلبات.

السماكات والاتجاهات القياسية

في تصنيع أشباه الموصلات التقليدية، يرتبط سمك الرقاقة ارتباطًا وثيقًا بقطر الرقاقة والاستقرار الميكانيكي. السماكات النموذجية حسب القطر هي كما يلي:

يعكس الجدول أعلاه القيم النموذجية وليس الحدود القصوى. ووفقًا لمصادر الصناعة، غالبًا ما تقتصر سماكة رقاقة السيليكون القياسية إلى الأسفل على حوالي 200 ميكرومتر بسبب قيود المناولة والمعالجة.

وتسلط هذه القيم الضوء على أنه في حين تظل العديد من الرقائق بسمك عدة مئات من الميكرونات، هناك اتجاه نحو ركائز أرق، خاصة بالنسبة للتغليف المتقدم، وأجهزة الذاكرة الكهرومغناطيسية الصغيرة، وأجهزة الطاقة أو التطبيقات التي تتطلب عوامل شكلية ضئيلة.

تقنية الرقاقة فائقة الرقة والحد الأدنى من السُمك

لقد مكنت التطورات في عمليات ترقيق الرقاقة مثل الطحن الخلفي والنقش الكيميائي وتقنيات نقل الرقاقة من تصنيع رقائق السيليكون بأبعاد فائقة الرقة. بعض النقاط الرئيسية:

• من الممكن إنتاج رقائق في البحث أو التصنيع المتخصص بسمك يتراوح بين 2 ميكرومتر إلى 25 ميكرومتر.

• لمعالجة ترقيق الرقاقة بعد المعالجة (مثل الترقيق لأجهزة استشعار الإضاءة الخلفية أو التغليف المتقدم)، يتم ترقيق الرقاقات إلى 50 ميكرومتر أو حتى 75 ميكرومتر شائعة.

• حدث هام مؤخرًا: أعلنت شركة Infineon Technologies ag عن إنتاج رقائق السيليكون بقطر 300 مم (12 بوصة) وسمك يبلغ 1.5 مم فقط. 20 ميكرومتر.

تمثل الرقاقة التي يبلغ سمكها 20 ميكرومتر قفزة هائلة: نصف سمك أحدث التقنيات السابقة (~40-60 ميكرومتر) وربع سمك شعرة الإنسان فقط.

وهكذا، من منظور البحث والإنتاج، يمكن اليوم تقليص سمك الرقاقة إلى عشرات الميكرونات - أو حتى ميكرونات أحادية الرقم في حالات خاصة.

العوامل التي تحد من ترقق الرقاقة

على الرغم من أن الرقائق فائقة الرقة ممكنة من الناحية الفنية، إلا أن العديد من العوامل تفرض قيودًا عملية على مدى رقة الرقاقة التي يمكن تصنيعها ومعالجتها بشكل موثوق:

1. القوة الميكانيكية والتعامل مع تزايد رقة الرقائق، تزداد قابليتها للانحناء والانكسار والتلف الناتج عن المناولة. كما تنخفض صلابتها الميكانيكية.

2. الاستقرار الحراري واستقرار العملية تخضع الرقائق في العديد من العمليات الأمامية والخلفية لدرجات حرارة عالية، وحفر كيميائي، وطباعة حجرية، وتنظيف، وخطوات مناولة. وتكون الركائز الرقيقة أكثر عرضة للتشويه والتلف.

3. العائد وأداء الجهاز مع الرقائق فائقة الرقة، قد ترتفع معدلات العيوب، وقد يتداخل التشوه مع تراكب الطباعة الحجرية، وقد يتدهور التبديد الحراري. بالنسبة لبعض الأجهزة (مثل الخلايا الشمسية)، تشير الأبحاث إلى أن التخفيف إلى أقل من 40 ميكرومتر قد يقلل من الكفاءة.

4. متطلبات الدعم والتعبئة والتغليف يتم نقل العديد من الرقائق أو معالجتها أو ربطها أو تعبئتها بدعم من حاملات أو أشرطة أو ركائز مؤقتة. قد تتطلب الرقائق فائقة الرقة بروتوكولات مناولة خاصة أو ربطًا بحاملات أو هياكل دعم، مما يزيد من التعقيد والتكلفة.

وبسبب هذه القيود، ورغم أن الحد الأدنى النظري قد يكون رقيقاً للغاية، فإن السمك العملي للتصنيع بكميات كبيرة يجب أن يوازن بين مكاسب الأداء والموثوقية والتكلفة.

التطبيقات المستفيدة من الرقائق الرقيقة

يؤدي تقليل سمك الرقاقة إلى تحقيق العديد من المزايا، وخاصة في التطبيقات المتقدمة وعالية الأداء:

• أجهزة الطاقة:تعمل ركائز السيليكون الرقيقة على تقليل مقاومة الركيزة وتحسين كفاءة تحويل الطاقة. وقد استهدف مثال رقاقة Infineon 20 ميكرومتر الأخير وحدات الطاقة في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.

• التكامل ثلاثي الأبعاد والتغليف المتقدم:تتيح الرقائق الرقيقة تكديس الرقائق، وتوصيلات TSV (عبر السيليكون)، وربط الرقاقة، وتقليل ارتفاع العبوة.

• الأجهزة الإلكترونية وأجهزة الاستشعار المحمولة:تستفيد الأجهزة القابلة للانحناء أو المرنة من الرقائق الرقيقة (حيث يساعد السُمك المنخفض على التكامل في عوامل الشكل الصغيرة).

• الخلايا الشمسيةبالنسبة لرقائق الطاقة الشمسية، فإن تقليل السُمك يمكن أن يزيد من إنتاج المادة من البلورة ويخفض التكلفة، على الرغم من أن التخفيف الشديد قد يحد من الأداء.

وهكذا، فإن ترقيق الرقاقة يتماشى مع الاتجاهات نحو التصغير، وكثافة التكامل، وخفض التكاليف، وأجهزة عامل الشكل الجديدة.

اعتبارات وتوصيات الموردين

عند الحصول على رقائق السيليكون فائقة الرقة، فإن العوامل الرئيسية للاختيار تشمل توحيد الركيزة، والاستقرار الميكانيكي، ومعايير الانحناء/التسطيح، والمواصفات الكاملة لتسامح السُمك، وسجل المورد في تصنيع الرقائق الرقيقة.

على سبيل المثال، تقدم شركة بلوتوسيمي رقائق السيليكون ضمن خطوط منتجاتها، بما في ذلك خدمات معالجة الرقاقة الرقيقة مثل SOI وTSV وخدمات تخفيف الرقاقة المخصصة. إن محفظتها الاستثمارية واستعدادها لتقديم خدمات المعالجة المتقدمة تجعلها خيارًا مقنعًا للشركات التي تتطلب سماكات رقائق متخصصة.

عند تقييم مورد مثل بلوتوسيمي، فكر في السؤال عن:

• الحد الأدنى للسمك والتسامح الذي يمكن تحقيقه (على سبيل المثال، ± ميكرومتر)

• مواصفات الانحناء والقوس وتباين السُمك الكلي (ttv)

• العمليات الداعمة مثل ربط الناقل، أو فيلم الدعم المؤقت، أو الطحن الخلفي أو التلميع

• بيانات العائد للتشغيلات الرفيعة للغاية

• شهادات جودة السطح والتسطيح

ملخص

تطور سمك رقاقة السيليكون بشكل ملحوظ. لا تزال سماكة الرقاقة القياسية في نطاق مئات الميكرونات للأقطار الأكبر، ولكن اليوم، تُعد الرقاقات فائقة الرقة التي يصل سمكها إلى عشرات الميكرونات (على سبيل المثال، 20 ميكرومتر لرقاقة 300 مم) مجدية تجاريًا. ومع ذلك، فإن ترقيق الرقاقات يطرح تحديات في المتانة الميكانيكية وتوافق العمليات والإنتاجية. يجب على المصنعين ومصممي الأجهزة موازنة هذه التحديات بفوائد السُمك المخفّض. بالنسبة للشركات التي تستورد الرقاقات الرقيقة أو خدمات الرقاقات المخصصة، يمثل الموردون مثل بلوتوسيمي شريكًا قيّمًا يتمتع بالقدرة والمرونة اللازمتين. من خلال فهم حدود ومزايا سمك الرقاقة، يمكن للمهندسين ومحترفي المشتريات اتخاذ خيارات أفضل للمواد التي تلبي معايير الأداء وقابلية التصنيع.