دراسة حول إجهاد الالتواء في حزم SiP أثناء اللحام بالتدفّق

لماذا تهم الانحناءات الدقيقة في الإلكترونيات

تضغط الأجهزة الحديثة ومعدات الذكاء الاصطناعي طاقة حوسبة هائلة داخل حزم أصغر من طابع بريدي. داخل هذه الأنظمة المدمجة، يجب أن تتحمل الرقائق وطبقات الأسلاك والوصلات الملحمية تسخيناً وتبريداً شديدين أثناء التصنيع. حتى الانحناء الطفيف—المعروف بالالتواء—يمكن أن يتسبب في تشقق كُرات القصدير أو كسر الاتصالات، مما يقلّص عمر الجهاز بهدوء. تستكشف هذه الورقة كيف ولماذا تنحني هذه الهياكل الدقيقة أثناء خطوة اللحام بالتدفّق، وكيف يمكن للنماذج الحاسوبية الأذكى أن تساعد المهندسين في تصميم حزم رقائق أكثر تسطيحاً وموثوقية.

كيف تُبنى أنظمة الرقائق متعددة الطبقات

تركز الدراسة على نوع متقدّم من الحزم يسمى النظام‑ضمن‑الحزمة (SiP). بدلاً من رقاقة واحدة على لوحة بسيطة، يقوم SiP بتكديس عدة رقائق على ركائز دوائر عالية الكثافة تتألف من العديد من الطبقات فائقة الرقة. تقوم خطوط النحاس بتوجيه الإشارات بين الرقائق، بينما توصل كرات معدنية صغيرة (كرات اللحام) الوحدة بأكملها بلوحة الدارة المطبوعة الرئيسية. أثناء التصنيع، تُمرّر التجميعة عبر فرن تدفّق: ترتفع درجة حرارتها من حرارة الغرفة إلى حوالي 240 °C ثم تبرد مرة أخرى. وبما أن النحاس والبوليمرات والقصدير يتوسّع وينكمش بكميات مختلفة مع الحرارة، يمكن أن ينحني شطيرة المواد لتأخذ شكلاً منحنيًا طفيفاً يشبه الابتسامة أو العبوس، مما يجهد كل شيء داخلها.

النظر بالداخل عبر محاكاة واقعية

نماذج الحاسوب السابقة للالتواء كانت غالباً ما تختصر الواقع. اعتبرت البوليمرات المعقدة أشياء مرنة بسيطة، وموّزت خطوط النحاس الدقيقة إلى كتل متجانسة، وتجاهلت أي انحناء كانت اللوحة تعانيه قبل اللحام. يبني هذا العمل صورة أكثر وفاءً للحقيقة. يقوم المؤلفون بمطابقة أنماط مسارات النحاس الحقيقية في النموذج صراحة ويمنحون طبقات البوليمر الرئيسية سلوكاً «لزوجيّاً مرن‑زمنياً» (viscoelastic)، بمعنى أنها يمكن أن تسترخي ببطء تحت التحميل مثل العسل القاسي. كما يتضمنون «الزحف» الزمني في كرات اللحام، حيث يتشوه المعدن ببطء تحت الإجهاد عند درجة حرارة عالية. شبكة عناصر محدودة مضبوطة بعناية توازن بين الدقة ووقت الحوسبة، وتتحقق الطريقة الإجمالية مقابل قياسات بصرية دقيقة للوحات حقيقية، متفقة ضمن نحو 7 بالمئة.

ما الذي يسبّب الانحناء والإجهاد فعلاً

تكشف المحاكيات المحسّنة عن عدة مفاجآت. أولاً، يتبدّل نمط انحناء الركيزة بين أشكال «مبتسمة» و«عابسة» مع ارتفاع الحرارة فوق نقطة تليين البوليمرات ثم انخفاضها مجدداً. والأهم أن تضمين انحناء الركيزة المقاس مسبقاً يغيّر مقدار الالتواء الأقصى بعشرات الميكرومترات؛ تجاهله يجعل التجميع يبدو أكثر أماناً مما هو عليه فعلاً. يعمل تخطيط مسارات النحاس نفسه كأنصاف عجلات تدعيم مخفية: عندما يتم نمذجته بواقعية مع رسم المسارات، يصبح شكل الالتواء المتوقع أكثر تموّجاً—مطابقاً للتجارب—بدلاً من شكل وعاء بسيط. كما تُظهر الدراسة أن جعل اللوحة الأساسية أكثر صلابة فقط لا يضمن حزمًا أكثر تسطيحاً. لأن التوسع حرارياً يعتمد بقوة على الاتجاه، يمكن أن تحبس نواة شديدة الصلابة مزيداً من الإجهاد، مما يضطر البنية إلى الانحناء أكثر كطريقة لتخفيف ذلك الإجهاد.

اختيار مواد أذكى، لا فقط أقوى

من خلال تبديل مواد عازلة ونواة مختلفة في النموذج، يجد المؤلفون أن الركيزة «الأفضل» هي تلك التي يتطابق تمدّدها الحراري مع جيرانها وتتمتع بصلابة معتدلة وليست متطرفة. من بين عدة أفلام عازلة مرشحة، يمنح مادة هندسية مسماة ABF‑L أدنى مقدار من الالتواء لأنها تتمدد أقل في نطاق درجة الحرارة الحرج لعملية التدفّق. تقارن الدراسة أيضاً اللحام التقليدي المحتوي على الرصاص مع سبيكتين خاليتين من الرصاص. يطوّر لحام Sn63Pb37 الكلاسيكي أدنى إجهاد بعد اللحام لكنه يُظهر أعلى تشوّه دائم، مما يجعله أكثر عرضة لتشققات الإجهاد عبر دورات حرارية متعددة. أحد السبائك الخالية من الرصاص، SAC405، يظهر إجهادًا أعلى لكن تشوهاً تراكمياً أقل بكثير، وهو ما يترجم إلى موثوقية أفضل على المدى الطويل لكرات اللحام الصغيرة التي تدعم الحزمة.

ما معنى هذا للإلكترونيات المستقبلية

بعبارة واضحة، تُظهر الدراسة أن الالتواء في حزم الرقائق المتقدمة لا يتحكم فيه اختيار مادة واحدة «الأقوى هو الأفضل». بل ينشأ من كيفية تكديس طبقات متعددة بسلوكيات حرارية مختلفة، وكيف تُنظم خطوط النحاس الرفيعة، وكيف تسترخي المعادن والبوليمرات ببطء عند التسخين. من خلال احتواء هذه التأثيرات بتفصيل، تتنبأ طريقة المحاكاة المقترحة بالانحناء والإجهاد بدقة أكبر بكثير من دون مطالبة بموارد حاسوبية لا تُحتمل. هذا يزوّد المصممين أداة عملية لاختيار تراكيب الركائز وسبائك اللحام التي تحافظ على استواء الأجهزة وصحة الاتصالات، ممهّداً الطريق لإلكترونيات ومعدات ذكاء اصطناعي أكثر موثوقية وكثافة.

الاستشهاد: Qu, R.N., Li, D.S., Pan, L. et al. Study on warpage stress in SiP packages during reflow soldering. Sci Rep 16, 14326 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38115-4

الكلمات المفتاحية: تغليف إلكتروني, الالتواء, النظام ضمن الحزمة, اللحام بالتدفّق, إجهاد القصدير