Table of Contents

تحدي الفضاء في الإلكترونيات الحديثة

ونظرا لأن الأجهزة الإلكترونية تتقلص في الحجم، وتستلزم زيادة القدرة الوظيفية، فإن الضغط على المهندسين لحشد المزيد من الأداء في البصمات الأصغر حجما لم يكن أعلى من ذلك أبدا، إذ أن أجهزة الاستنشاق بالكهرباء، التي هي أساسية للاتصال اللاسلكي والرادار وخطوط الموجات الأمامية، تُحتل عادة مجالا كبيرا من حيث مكوناتها السلبية الكبيرة ومتطلباتها المتعلقة بتفكك الحرارة.

لماذا 3D التكامل لأجهزة تقوية السلطة؟

والعامل الرئيسي في مجال التكامل بين الـ 3D هو الطلب الذي لا هوادة فيه على تقليل البيوت في أجهزة متنقلة وأجهزة إيوت وفضائية، ومن خلال تقطيع طبقات الطاقة، يمكن تخفيض المساحة الإجمالية التي يشغلها نظام فرعي لتضخم الطاقة بنسبة 50 في المائة أو أكثر مقارنة بالتصميم التقليدي ذي الـ 2 دال، وإلى جانب المدخرات الفضائية، يقدم النهج الرأسي عدة منافع كهربائية وحرارية تحسن أداء السلطة الفلسطينية بشكل مباشر.

انخفاض عدد المظلات والوصلات القصيرة

وفي تصميم 2D، يمكن أن تكون المسافة بين مضخم الطاقة وسائر اللبنات الأساسية (مثل السائقين، أو شبكات المطابقة، أو دوائر التحيز) عدة مليمترات، مما يؤدي إلى تحسين خط الطفيليات والارتفاع الذي يؤدي إلى تدهور الكفاءة وطول النطاق الترددي.() وفي مؤشر ثلاثي الأبعاد، يمكن تخفيض هذه الروابط إلى عشرات من الميكرات باستخدام مقاييس منخفضة وكميات مصغرة.

تعزيز فرص الإدارة الحرارية

وتولد أجهزة تضخم الطاقة حرارة كبيرة بسبب انخفاض كفاءتها (نحو 30 إلى 60 في المائة بالنسبة للطبقات السامة) وفي كومة من الـ 3D، يمكن وضع مصادر الحرارة بالقرب من المغسلة الحرارية، ويمكن أن تدمج الحزمة نفسها قنابل السائل أو قنوات الفلوريك أو أجهزة التسخين داخل الطبقات مباشرة، مما يتيح نشر حراري أكثر فعالية مقارنة بمخططات المبردات التي يجب أن تسافر عن طريق تقنيات التبريد.

تحسين نزاهة الإشارة

ويؤدي ترابط الرأس القصير في البلدان الثلاثة دال - البلدان النامية إلى تقليص منطقة حلقات مسارات العودة الحالية، وتقليل التدخل الكهرومغناطيسي والتقاطعات، وهذا أمر مهم بصفة خاصة بالنسبة لمضخمات الطاقة التي تتعامل مع تقلبات كبيرة من الفولط وذروات عالية في الوقت الراهن، ومن خلال عزل طبقة السلطة الفلسطينية بالطائرات الأرضية المكرّسة وهياكل التحميل، يمكن التخفيف من أثرها على الدوائر الرقمية أو الحساسة المتاخمة.

الاستراتيجيات الأساسية لإدماج شركات توليد الطاقة في 3 دال - مراكز

وهناك عدة تقنيات مثبتة تمكن من النجاح في إدماج مضخمات الطاقة في مجموعات الـ 3 دال، ويجب أن تكون هذه الاستراتيجيات متوازنة بعناية مع تعقيد العمليات، والتكاليف، وأهداف الأداء.

التقطيع الرأسي وقطع الخيوط

أكثر النهج وضوحاً هو وضع مضخم الطاقة على طبقة خاصة به داخل الكيس، هذه الطبقة يمكن أن تُحدّد على النحو الأمثل لمتطلبات السلطة الفلسطينية المحددة: آثار النحاس السميكة لمقاييس الديوكسين العالية الحالية المنخفضة الأداء، وأجهزة الأشعة الحرارية المكرّسة، وطبقة السلطة الفلسطينية قد تكون في قاع النسيج (الخسائر في المغسلة الحرارية) أو في الوسط

من خلال شبكة " سيليكون " (TSVs) من أجل الربط بين الشبكات

أما الصور التي تُستخدم في إطار عملية الدمج 3 دال، فبالنسبة لمضخمات القوى، يجب تصميمها لمعالجة التيارات العالية (التي غالباً ما تكون 1 ألف) والإشارات العالية التردد (حتى عشرات أرقام GHz) وتشمل الاعتبارات الرئيسية عن طريق القصاص والرميات والمواد.

Microbump and Hybrid Bonding

وفيما بين الطبقات، والمضخات الدقيقة (مقياس قطري 10-40 ميكروم) أو ربطها مباشرة (بمقدار أقل من 10 ميكروم) توفر الصلة الكهربائية والميكانيكية، وبالنسبة لحاملي الطاقة الكهربائية العالية، يمكن استخدام صفائف الميكروبات لتوزيع التمارين والحرارة، فالربط الهجيني يوفر مقاومة أقل وكثافتا أعلى، ولكنه يتطلب وجود أسطح صلبة ونظيفة.

تقنيات الإدارة الحرارية

فالإدارة الحرارية هي أكبر تحد وحيد عندما تضرب مضخمات الطاقة الكثيفة الحرارة، وبدون حلول سليمة، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة الزجرية 150 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة، وفشل الموثوقية، وتدهور الأداء، ويمكن الجمع بين تقنيات متعددة للتبريد الفعال.

Thermal Vias and Microchannels

أما القوارير الحرارية فهي حفر مجهزة بالمعادن توفر مساراً منخفضاً من ملتقى السلطة الفلسطينية إلى مغسلة حرارية خارجية، ويمكن إدماجها في طبقة السلطة الفلسطينية نفسها أو عبر المستودعات، ويمكن استخدام التدفقات الحرارية القصوى (100 و/cm2)، والناقلات الدقيقة الخُلّق في جهاز الوصل النيفي أو خلف الديك السائل (Pe).

مُخدِّرات الحرارة والخُططط الحرارية المدمجة

ويمكن أن يؤدي إنتاج طبقة رقيقة من المواد ذات القدرة على إحداث الاحترار الحراري (مثل الماس أو الغرافيت البنفسجية أو المركبين النحاس) داخل القطيع إلى نشر الحرارة في وقت لاحق قبل أن تصل إلى القوارير الحرارية، مما يقلل درجة الحرارة في البقعة ويتيح المزيد من التبريد، كما يمكن لمنشور الحرارة أن يعمل كطائرة أرضية للإشارات الوظيفية ذات الترددات الحرارية، مما يوفر ازدواجية.

المبردات الحرارية

وبالنسبة للطلبات التي تتطلب التبريد النشط في شكل مدمج (مثلاً أجهزة إرسال بصرية أو نظم ساتلية)، يمكن إدماج هذه التكنولوجيات في الندوات أو التي تُرفع مباشرة فوق السلطة الفلسطينية. وعلى الرغم من أنها تضيف استهلاكاً للطاقة، يمكن أن تحتفظ البلدان التي تمر اقتصاداتها بمرحلة انتقالية بدرجة حرارة مستقرة بغض النظر عن الظروف المحيطة، مما يؤدي إلى تحسين خطية السلطة الفلسطينية وموثوقيتها.

اختيار المواد وتصميم الديليكت

المواد المستخدمة في مقاييس الديليكتريات المتقاطعة، وأجهزة التجميل تؤثر مباشرة على الأداء الكهربائي للسلطة الفلسطينية، خاصة في الترددات الميكروويفية وفلوريدرات الموجات المليمترية.

منخفض - لوس ديليكتري

ويمكن أن يتسبب ثاني أكسيد السليكون الموحد (SiO2) في فقدان حوالي 0.01 في ترددات عالية، مما قد يسبب تصعيداً غير مقبول في مسار إنتاج السلطة الفلسطينية، ويمكن أن تكون هذه المقاييس الغذائية المنخفضة مثل سداسي كلوريد البنزين، أو البوليميتيد، أو المقاييس الغذائية المتقدمة المتعددة المقاييس (مثلاً، الخسائر المتراكمة في طبقة الوجبات الخفيفة أو مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور) مستعملة.

المعادن العالية النشاط

فالنحاس هو أكثر المعادن شيوعاً للوصلات بين 3D-IC، غير أنه بالنسبة لمضخمات توليد الطاقة، فإن تأثير الجلد في الترددات العالية التي تتدفق على السطح، وباستخدام النحاس الأكثث (مثل 5-10 ميكروم) أو تطبيق نهاية فضية أو ذهبية على مسارات الإشارات الحرجة يمكن أن يقلل من الخسائر في الأورام، وفي بعض التصميمات، تستخدم الركائز النحائية في إنتاج عالي التردد.

اعتبارات التكامل غير المتجانسة

غالباً ما يكون مضخم الطاقة مصنّع في تكنولوجيا نصف موصلات مختلفة (الغاز، الـ(غا إن أو سي جي) من بقية الحزمة (التي تستخدم نظام (إم إس) هذا التكامل المتجانس يتطلب تصميم دقيق للوصل بين التكنولوجيا، على سبيل المثال، شركة (غا إن بي إس) تعمل في فولتات عالية (20-50 V) بينما يستخدم منطق (إم.م.إ.إ.إ.

الاعتبارات والتحديات المتعلقة بالتصميم

وفي حين أن الاستراتيجيات المذكورة أعلاه تتيح التكامل، يجب معالجة عدة اعتبارات عملية خلال مرحلة التصميم لتجنب إعادة تحديد التكاليف.

تسجيل المذنبين والمرضى

ويتطلب التعبئة 3D الدقة في المواءمة بين طبقات المياه الجوفية، وبالنسبة لدوائر السلطة الفلسطينية التي لها خطوط نقل فضائية عن كثب (مثل 50 ميكروغرام)، فإن حتى عدم التوازن على مستوى واحد يمكن أن يغير من سمات الاختراق ويسبب سوءا، إذ إن استخدام علامات المواءمة على كل طبقة ونظام تنسيق عالمي أثناء سير الليثيوم أمر أساسي، ويمكن للارتباط على مستوى الوراثة (تواؤم).

اختبار وموت جيد معروف

اختبار مضخم الطاقة بعد أن يتم تركيبه في كومة من الكسر صعب لأن العديد من العوارض الداخلية غير متاحة، من المهم أن نضمن أن يموت كل واحد في القطيع هو موت جيد معروف قبل الترابط، بالنسبة للشركة، هذا يشمل اختبارات العاصمة، قياسات صغيرة من المقاييس، وجهاز تحديد المواقع الخارجية ذاتي العلامات الكبيرة، ووصف الكفاءة.

شبكة إيصال الطاقة

وترسم أجهزة تضخيم الطاقة تيارات كبيرة ومحلية (وبخاصة إشارات معوَّلة مثل 5G NR أو رادار) ويجب أن توفر شبكة توصيل الطاقة داخل المجموعة 3D نقصاً في نطاق الترددات الواسعة النطاق لتجنب التآكل والانبعاثات الخافضة، وهذا يتطلب وضعاً دقيقاً للأجهزة المزودة بمقاومة التخريب (المحتمل أن تكون مثبتة في المركب أو داخل الخصمة).

التكتل المغناطيسي والإعزال

ويمكن أن يؤدي القرب الوثيق من طبقات في كومة ثلاثية الأبعاد إلى حدوث صدفة الكهرومغناطيسية غير مقصودة بين ناتج السلطة الفلسطينية ودوائر قياسية حساسة أو رقمية، وتشمل تقنيات التخفيف المشتركة ما يلي:

  • Dedicated ground shields between layers (e.g., a patterned ground plane on the backside of the PA die).
  • (ج) استخدام الإشارة المتمايزة لمدخلات السلطة الفلسطينية ونواتجها (إن كان ذلك منطبقاً).
  • فصل طبقة السلطة الفلسطينية المادي عن قطع حساسة للضوضاء، بمساعدة من قنابل حرارية تعمل أيضاً كجدران عزلة.
  • :: تبسيط البيئة الكهرومغناطيسية الكاملة التي تبلغ 3D (مثل استخدام خدمات الدعم الميداني أو لجنة العلم والتكنولوجيا) لتحديد مسارات التقارب وتعديل التصميم تبعا لذلك.

مفاهيم التكامل المتقدمة

وبالإضافة إلى الاستراتيجيات الأساسية، تعد عدة تقنيات ناشئة بتحقيق وفورات في الفضاء وتحسينات في الأداء لمضخات الطاقة التي ستضخ في المستقبل والتي تستخدم ثلاث دي.

Monolithic 3D Integration

أما العمليات الافتراضية 3D-IC (M3D) فتبني طبقات متعددة من الأجهزة تتابعيا على نفس الدرجة الفرعية، وتتجنب الحاجة إلى التلفزيون والترابط، فبالنسبة لمضخات الطاقة، فإن ذلك سيسمح للسلطة الفلسطينية بأن تكون مصنوعة في طبقة عالية من المقاييس الأحادية للغاز أو الغازات فوق سطح البحر، مع وجود دوائر لمراقبة أجهزة الأشعة السيمونية في طبقة القاع.

العناصر السلبية المدمجة

وكثيرا ما تستخدم شبكات التعبئة والاختناق والمرشحات لمضخات الطاقة أجهزة الاستنشاق الكبيرة والكمائن التي تستهلك مساحة كبيرة، وفي ثلاث أجهزة استنشاق، يمكن إدماج هذه الوصلات في المبيدات السائلة أو الطبقات المتقطعة المكرّسة باستخدام تكنولوجيا الرشاقة العالية الكثافة (مثلا، أجهزة التصفح المضغوطة أو المقياس المزودة بمقياسات المعدنية)

Co-Design of Antenna and PA

وبالنسبة للتطبيقات اللاسلكية، كثيرا ما يقود مضخم الطاقة هوائيا، وفي 3D-IC، يمكن إدماج الهوائي على أعلى مستوى من كومة، فوق السلطة الفلسطينية مباشرة، مما يزيل الحاجة إلى خط منفصل للنقل والربط، ويوفّر الحيز، ويقلل من الخسارة، ويمكن أيضا مطابقة ناتج السلطة الفلسطينية مع الانقطاع عن طريق انقلاب سريع أو عن طريق هيكل مختلط (مثل).

دراسة حالة: 28 غيغاهيرتز بيزو في 3 دي-سي لخمسة جيغاغرام

ولتوضيح هذه الاستراتيجيات، النظر في مضخم طاقة قدره 28 غيغاهيرتز، يُقصد به وحدة للأشعة المقسمة على مراحل في محطة قاعدية قوامها 5 جيغا، ويجب أن يُنتج هذا النموذج 1 دبلوماً (30 جراماً) لكل عنصر مع تركيبه في منطقة تبلغ 5x5 ملم لكل عنصر (بما في ذلك الهوائي)، باستخدام نهج ثلاثي الأبعاد للتصنيف الصناعي:

  • Layer stack:] Bottom layer (CMOS driver and bias control), middle layer (GaN PA die, heart-chip bonded), top layer (antenna on low-loss substrate). The GaN PA is a four-stage design optimized for 28 GHz.
  • TSVs:] 100 TSVs (20 مقياس ميكروم، 50 ميكروم) للطاقة والأرض، مع تليف مقطعي مكرس من نوع التاكسي لإنتاجه من أصل RF إلى الهوائي، وكل جهاز من أجهزة TSV يُستدل على 0.1 حامض نووي و 0.05 باهتة.
  • Thermal:] A 100 ميكروم سميكة من مدفأة الماس مدمجة في الموصل مباشرة تحت مظلة غا إن. 200 قنابل حرارية (10 ميكروميت) تربط مدفأة الحرارة بمبرد ميكرونيل في متداخل السيليكون، وسوائل التبريد هي الماء - الزنج، تتدفق عند 0.5 ليم.
  • Matching:] The output matching network is partially integrated in the PA die itself, with the remaining shunt inductor realized as a spiralal on the interposer using 10 mim fish copper. A MIM capacitor (50 pF) for DC blocking is embedded in the interposer.
  • Result:] The total footprint per element is reduced by 40% compared to a 2D design, with a simulated PAE of 40% and output power of 30 dBm. The junction temperature stays below 120°C at 50°C ambient.

خاتمة

(أ) [تدمج أجهزة تكييف السلطة في أجهزة الاستنشاق بالشبكة 3D-IC] استراتيجية قوية لتحقيق وفورات كبيرة في الفضاء في النظم الإلكترونية الحديثة، وبإصدار التعبئة الرأسية، وعبر الوصل، والإدارة الحرارية المتقدمة، والاختيار الدقيق للمواد، يمكن للمهندسين أن يخلقوا نظماً فرعية مدمجة ذات أداء عال تلبي المطالب الصارمة المتمثلة في 5G، وحيز جوي، وعزلة غير متعمدة.