يُعدّ التوصيل عبر السيليكون، المعروف عادةً باسم TSV، اتصالاً كهربائيًا رأسيًا يمر بالكامل عبر رقاقة أو قالب سيليكون. لقد أصبح تقنية أساسية للتغليف المتقدم لأشباه الموصلات، مما يسمح بتكديس شرائح متعددة في هيكل مضغوط مع مسارات إشارة أقصر وفقدان طاقة أقل. يساعد فهم كيفية عمل TSV في توضيح سبب استخدامه على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد والذاكرة عالية النطاق الترددي وحزم المنطق المتقدمة.

بنية TSV

يبدأ TSV كثقب أسطواني محفور بدقة داخل ركيزة السيليكون. يتم ملء هذا الثقب لاحقًا بمادة موصلة تسمح بنقل الكهرباء. تم تصميم التصميم للحفاظ على الاستقرار الميكانيكي والموثوقية الكهربائية والأداء الحراري داخل مجموعة أشباه الموصلات متعددة الطبقات. يظهر أدناه عرض مبسط لبنيته:

كيف يعمل TSV في هيكل متكامل ثلاثي الأبعاد

تعمل تقنية TSV عن طريق تقصير طول الترابط بين الرقائق. بدلاً من الاعتماد على المسارات الأفقية الطويلة أو ربط الأسلاك، تعمل تقنية TSV مثل الطرق السريعة الرأسية القصيرة للغاية التي تحمل الإشارات والطاقة والأرض مباشرة من خلال السيليكون.

تبدأ العملية بالحفر الأيوني التفاعلي العميق، مما يخلق قنوات رأسية داخل الرقاقة. يتم طلاء هذه القنوات بالعزل لمنع التسرب. تتم إضافة طبقة حاجزة لحماية الهيكل من هجرة النحاس. ثم يتم ملء الفتحة بالمعدن، مما يشكل مسارًا منخفض المقاومة. أخيرًا، يتم تلميع سطح الرقاقة لضمان بقاء نقاط التلامس الكهربائية متساوية وموثوقة.

عندما يتم تكديس شرائح متعددة، تتماشى TSVs مع النتوءات الدقيقة أو طبقات إعادة التوزيع. يتيح هذا المحاذاة الاتصال الرأسي المباشر بين القوالب، مما يدعم عرض النطاق الترددي العالي للغاية والزمن الكامن المنخفض. وبالمقارنة مع تقنيات التغليف القديمة، يتم تقليل مسافة الإشارة بشكل كبير، مما يقلل من استهلاك الطاقة ويحسن سلامة البيانات.

مزايا الأداء لوصلات TSV

من المزايا الأساسية لـ TSV قدرته على تقليل السعة الطفيلية والمقاومة. يقلل التوجيه الرأسي من طول المسار، مما يساعد في الحفاظ على جودة إشارة عالية. يمكن أن يؤدي طول السلك المنخفض إلى تقليل تبديد الطاقة بشكل كبير، خاصة في تكامل الذاكرة والمعالج. يدعم TSV أيضًا التوجيه الحراري المتفوق لأن الحرارة يمكن أن تنتقل بكفاءة أكبر عبر الهياكل المكدسة رأسياً. هذا مهم للرقائق عالية الكثافة التي تولد حرارة كبيرة أثناء التشغيل.

بالإضافة إلى ذلك، تعمل المكدسات القائمة على TSV على تمكين البنيات التحتية المدمجة والخفيفة الوزن. ومع صغر حجم الأجهزة شبه الموصلة، يدعم TSV زيادة كثافة الترانزستور دون الحاجة إلى حزم أكبر.

حالات الاستخدام النموذجية في تغليف أشباه الموصلات الحديثة

يتم استخدام TSV في التطبيقات التي تتطلب اتصالاً سريعًا وكثيفًا بين القوالب المكدسة. تعتمد الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي بشكل كبير على TSV لتحقيق الإنتاجية المطلوبة للذكاء الاصطناعي والرسومات وأحمال عمل مركز البيانات. تستخدم مستشعرات الصور أيضًا TSV لفصل طبقة الصمام الضوئي عن طبقة المعالجة، مما يسمح بتحسين الأداء دون تكبير حجم المستشعر. تعتمد العديد من عمليات التكامل المتقدمة بين المنطق والذاكرة على TSV لتوفير السرعة والكفاءة المتوقعة في الأجهزة الحديثة.

يركز المصنعون الذين يركزون على حلول التغليف ثلاثية الأبعاد، مثل Plutosemi، على توفير عمليات تدعم TSV والتي تلبي معايير الموثوقية والأداء الصارمة لمنتجات أشباه الموصلات من الجيل التالي.

ملخص

تعمل تقنية TSV عن طريق إنشاء مسار موصل عمودي عبر رقاقة السيليكون، مما يسمح للقطع المكدسة بالتواصل مع الحد الأدنى من فقدان الإشارة. يتضمن هيكلها ثقبًا محفورًا وعزلًا وطبقات حاجزة وحشوة معدنية موصلة. تعمل هذه التقنية على تقصير أطوال التوصيل بشكل كبير، وتحسين السرعة، وتعزيز كفاءة الطاقة، ودعم تكامل الرقائق ثلاثية الأبعاد المدمجة. مع استمرار الأجهزة شبه الموصلة في المطالبة بأداء أعلى ضمن بصمات أصغر، تظل TSV واحدة من أهم حلول التوصيل في الصناعة.