مسحوق السيليكا الدقيق مادة غير عضوية غير معدنية عالية الأداء. يُشتقّ أساسًا من الكوارتز الطبيعي أو المنصهر من خلال عمليات دقيقة كالسحق والطحن والفصل المغناطيسي والتعويم والغسيل الحمضي. يتميز بحجم جسيمات دقيق، وثبات كيميائي، وخصائص عازلة ممتازة، ومساحة سطح كبيرة، وموصلية حرارية عالية. يلعب دورًا محوريًا في صناعات مثل الإلكترونيات، والكيماويات، والأدوية، والسيراميك، والصب الدقيق. في الآونة الأخيرة، أصبح مسحوق السيليكا الدقيق لا غنى عنه في مجالات متقدمة مثل صناعة الطيران وتغليف الدوائر المتكاملة.
كسر الصور النمطية
مسحوق السيليكا الدقيق هو مادة مضافة صناعية شائعة، تستخدم في التكثيف أو التعزيز أو مقاومة التآكل في الطلاءات والحشوات.
يتم إنتاجه عن طريق طحن وتنقية الكوارتز الطبيعي أو المندمج، وحجم جزيئاته صغير جدًا، وعادة ما يتم قياسه بالميكرومتر (μm) أو حتى النانومتر (nm).
ومع ذلك، فقد شهدت هذه المادة تحديدًا تحولًا ملحوظًا من دورٍ داعم إلى ركنٍ أساسي في صناعة معلومات الإلكترونيات، وخاصةً في مجال تغليف الرقائق. يُعد تغليف الرقائق خطوةً حاسمةً لحماية قلب الشريحة الهشّ وتأمين التوصيلات الكهربائية مع العالم الخارجي. يتكون قلب مادة التغليف من مركب يُعرف باسم "مركب صب الإيبوكسي" (EMC). ويشكل هذا المركب مادة الحشو الأساسية في هذا المركب، حيث يحتوي على نسبةٍ كبيرةٍ تتراوح بين 80% و90%. في جوهره، يتكون غلاف الرقائق الأسود الذي نراه أساسًا من مسحوق السيليكا الدقيق.
ثلاث وظائف أساسية
عامل التبريد: تحديد درجة حرارة الشريحة
مع وحدات معالجة الرسومات من NVIDIA، من H100 إلى B200، تعتمد تقنية تغليف CoWoS. تدمج هذه التقنية شرائح متعددة بكثافة ضمن حزمة واحدة، مما يُحسّن أداء النظام وكفاءة الطاقة بشكل كبير. مع زيادة قوة وحدة معالجة الرسومات، يُؤدي دمج شرائح متعددة على وسيط سيليكوني إلى متطلبات تبريد عالية للغاية. إذا لم يتم تبديد الحرارة بسرعة، يؤدي ذلك إلى تدهور الأداء (الاختناق الحراري) أو حتى تلف الشريحة. يتميز راتنج الإيبوكسي النقي بموصلية حرارية ضعيفة جدًا، تُشبه البطانية الدافئة. يُوفر ملئه بمسحوق سيليكا دقيق عالي النقاء مسارات فعالة للتوصيل الحراري، حيث ينقل الحرارة الناتجة عن قلب الشريحة بسرعة إلى الغلاف الخارجي لتبديدها، مما يضمن عمل الشريحة بكفاءة ضمن نطاق درجة حرارة آمن.
المُثبِّت: مُواجَهة إجهاد التمدد والانكماش الحراري
تتكون الرقائق من مواد مختلفة (سيليكون، معدن، بلاستيك)، ولكل منها معامل تمدد حراري (CTE) مختلف. أثناء دورات الطاقة وتقلبات درجات الحرارة، يولّد التمدد والانكماش التفاضليان لهذه المواد إجهادًا داخليًا كبيرًا، قادرًا على كسر الدوائر المعدنية الداخلية للرقاقة، والتي تكون أرق بمئات المرات من شعرة الإنسان. يوفر استخدام مسحوق السيليكا الدقيق كحشو في EMC مزايا مميزة. يقلل نقاؤه العالي ونشاطه الإشعاعي المنخفض بشكل فعال من معامل التمدد الخطي للمركب وانكماشه أثناء المعالجة، مع تعزيز القوة الميكانيكية وخصائص العزل في الوقت نفسه. يقلل دمج مسحوق السيليكا الدقيق بشكل كبير من CTE الكلي لـ EMC، مما يجعله أكثر توافقًا مع قالب السيليكون وإطار الرصاص وما إلى ذلك. يعمل كـ "عازل"، يمتص الإجهاد ويشتته بفعالية، مما يضمن سلامة الهيكل وموثوقية الشريحة على المدى الطويل في ظل الظروف القاسية.
تقوية الهيكل: تعزيز القوة الميكانيكية للتغليف
راتنج الإيبوكسي غير المملوء ناعم نسبيًا وعرضة للتشوه. وهو بمثابة الحشو الوظيفي الرئيسي في التوافق الكهرومغناطيسي، حيث يُمثل أكثر من 90% من إجمالي الحشوات. يُعزز استخدامه بشكل كبير صلابة ومتانة ومرونة هيكل العبوة، مما يُمكّنه من تحمل الصدمات الفيزيائية الخارجية والاهتزازات والضغط - كدرع متين يحمي الشريحة الداخلية.
ليس كل مسحوق السيليكا الصغير متماثلًا
مع ذلك، لا تُعتبر جميع مساحيق السيليكا الدقيقة شريان حياة للرقائق. تحتوي مساحيق السيليكا الدقيقة العادية المُستخدمة في الصناعة على شوائب معدنية كبيرة قد تُضعف الأداء الكهربائي للرقائق بشكل كبير. يجب أن تُلبي المساحيق المستخدمة في تغليف الرقائق معايير عالية للغاية:
نقاء فائق: يجب التحكم في محتوى الشوائب المعدنية عند مستويات ppm (أجزاء في المليون) أو حتى ppb (أجزاء في المليار).
توزيع دقيق لحجم الجسيمات: مطلوب مسحوق السيليكا الكروي الدقيق مع توزيع موحد لحجم الجسيمات لتحقيق أعلى كثافة للتعبئة والقدرة على التدفق الأمثل.
كروية مثالية: مقارنةً بالمسحوق الزاوي، يتميز مسحوق السيليكا الكروي الدقيق بإجهاد أقل، وسيولة أفضل، وكثافة تعبئة أعلى. ما يجعله الخيار الأمثل لتغليف الرقائق عالية الجودة.
ملخص
مع تقدم الرقائق نحو عُقد 5 نانومتر و3 نانومتر، بل وحتى أصغر، يزداد استهلاك الطاقة وكثافة الحرارة بشكل كبير، مما يفرض متطلبات شبه صارمة على قدرات إدارة الحرارة لمواد التغليف. تستثمر شركات مثل NVIDIA وIntel بالفعل في البحث والتطوير لمواد تبريد الجيل التالي للرقائق. في الوقت نفسه، يتطلب ظهور تقنيات التغليف المتقدمة، مثل التغليف ثنائي الأبعاد/ثلاثي الأبعاد وChiplet، مواد تغليف ذات ثوابت عازلة أقل، وخسارة أقل، وموثوقية أعلى.
هذا يدفع عجلة التقدم المستمر في تكنولوجيا مسحوق السيليكا الدقيق. مسحوق السيليكا الدقيق الكروي الاصطناعي عالي النقاء، وتقنيات تعديل الأسطح الوظيفية، والحشوات منخفضة الفقد المصممة لنطاقات ترددية محددة، ستصبح محاور البحث والتطوير للجيل القادم من "شريان حياة الرقائق". لم يعد مجرد حشو سلبي، بل مادة وظيفية أساسية تُسهم بفعالية في تحديد سقف أداء الرقائق وتُحدده.
مسحوق ملحمي
سرّ صنع تلك الكرات الصغيرة المثالية من مسحوق السيليكا لا يكمن في طحنها، بل في صهرها. يستخدم جهاز خاص يُسمى فرن التكوير لهبًا شديد الحرارة لصهر الجسيمات المتربة والخشنة. عندما تذوب، يجذب التوتر السطحي الطبيعي كل واحدة منها إلى كرة مستديرة مثالية، تمامًا كقطرة ماء.
بعد صنع الكرات، تأتي الخطوة الأهم وهي فرزها حسب الحجم. يتم ذلك باستخدام مُصنِّف هوائي. يشبه هذا غربالًا فائق الدقة يضمن أن تكون جميع الكرات الصغيرة متقاربة في الحجم. هذا أمر بالغ الأهمية لأن الكرات متساوية الحجم تتجمع معًا بإحكام. هذا يجعل مادة تغليف الرقائق النهائية أفضل توصيلًا للحرارة وأقوى بشكل عام. مسحوق إيبك مصنف الهواء يقوم بإجراء الضبط الدقيق، للتأكد من أن المنتج النهائي نقي بدرجة كافية لصنع شريحة.
