ما هي الوحدة متعددة الشرائح (MCM)؟ الأنواع، الفوائد، وآلية العمل في الإلكترونيات عالية الأداء

في الإلكترونيات المتقدمة، لم يعد الاكتفاء بتثبيت الدوائر المتكاملة (ICs) على لوحة دوائر مطبوعة (PCB) كافيًا لتلبية المتطلبات الصارمة للحجم والسرعة والاعتمادية.
لتجاوز هذه الحدود الفيزيائية والكهربائية، طوّر المهندسون الوحدة متعددة الشرائح (Multi-Chip Module – MCM): وهي تقنية تغليف مدمجة وعالية الكثافة تدمج عدة شرائح عارية على ركيزة واحدة.

جوهر الفكرة أن الـ MCM أشبه بـ لوحة PCB مصغّرة عالية الدقة، لكنها من منظور التغليف تصنَّف كـ تغليف من المستوى الثالث (Level-3) يربط بين عبوات الدوائر المتكاملة التقليدية ولوحة الحامل (Carrier PCB).

تشرح هذه المقالة ماهية MCM، ولماذا تُستخدم، وكيف تُصمَّم وتُصنَّع أنواعها المختلفة.

ما هي الوحدة متعددة الشرائح (MCM)؟

الوحدة متعددة الشرائح هي أسلوب تغليف تُثبَّت فيه عدة شرائح عارية مباشرة على ركيزة مشتركة، بدلًا من وضع كل شريحة في عبوة منفصلة.

الخصائص الرئيسية

• إلغاء أغلفة التغليف المستقلة لكل دائرة متكاملة.
• مشاركة عدة شرائح لركيزة واحدة عالية الكثافة.
• تقصير مسارات التوصيل بين الشرائح بشكل ملحوظ.
• تقليل الحث والسعات الطفيلية.

أساليب التوصيل الشائعة

• الربط بالسلك (Wire Bonding)
• القلب وتلحيم الكرات (Flip-Chip Bonding)
• الربط بالشريط الآلي (TAB)
• Flip-TAB

لماذا نستخدم الوحدات متعددة الشرائح؟

ترتكز دوافع اعتماد MCM على التصغير، والأداء، والتكامل.

1) التصغير وخفة الوزن

بإزالة عبوات الشرائح الفردية، تُقلّص الـ MCM حجم النظام ووزنه بشكل كبير—وهو أمر أساسي في الطيران والدفاع والإلكترونيات الاستهلاكية المدمجة.

2) الأداء عالي السرعة

تتدهور الإشارات عالية السرعة عبر المسارات الطويلة على الـ PCB.
تُقصّر MCM المسافة بين الشرائح، ما يتيح انتشارًا أسرع للإشارة وأداءً أنظف للترددات العالية.

3) التكامل على مستوى النظام

تتيح MCM دمج وظائف أو شرائح متعددة داخل وحدة مدمجة واحدة—مما يُحسّن الأداء ويُبسّط تجميع النظام.

مستويات التغليف وعلاقة MCM بها

في هرمية تغليف الإلكترونيات:

تنتمي MCM إلى المستوى الثالث، بين عبوات الدوائر المتكاملة ولوحة الحامل.
وهذا يعني تصميمًا أكثر تعقيدًا، وسماحات تصنيع أدق، وكلفة أعلى مقارنة بالتجميع القائم على الـ PCB القياسي.

أنواع الوحدات متعددة الشرائح

تُصنَّف MCM حسب مادة الركيزة وطريقة التصنيع. أكثر الأنواع شيوعًا هي: MCM-L وMCM-C وMCM-D وMCM-D/C وMCM-Si.

1) MCM-L: وحدة متعددة الشرائح بطبقات مُرقّقة (Laminated)

نظرة تقنية:

• ركيزات صفائحية رقيقة بطبقات معدنية دقيقة.
• تُنتج باستخدام عمليات تصنيع PCB القياسية.
• ثقوب وبادات وعروض مسارات أدق.
• تُستخدم أدوات قريبة من أدوات صناعة أشباه الموصلات.

المزايا:

• الأقل كلفة بين أنواع MCM.
• عملية ناضجة وقابلة للتوسّع بسهولة.
• متوافقة مع أدوات وعمليات تصميم PCB الحالية.

MCM-L تقدّم أفضل توازن بين الكلفة وقابلية التصنيع.

2) MCM-C: وحدة متعددة الشرائح بخزف مُشترك الحرق (Ceramic)

عملية التصنيع:

• نمذجة طبقات موصلة على شرائط خزفية غير مُحرَّقة.
• تثقيب وملء الفتحات عبرية (Vias).
• رصّ الطبقات ثم حرقها معًا لتشكيل ركيزة خزفية متعددة الطبقات.

السمات:

• كلفتها أعلى من MCM-L وأقل من MCM-D.
• ثبات وموثوقية حرارية ممتازة.
• تقنية مثبتة—استُخدمت لعقود في حواسيب IBM المركزية.

فائدة تصميمية:
يمكن تكييف أدوات ومنهجيات تصميم PCB بسهولة لهذا النوع.

3) MCM-D: وحدة متعددة الشرائح بطبقات رقيقة (Thin-Film)

النهج التقني:

• ترسيب طبقات رقيقة متناوبة من العوازل والمعادن.
• على ركائز مثل السيليكون أو الخزف أو المعدن.
• مشابهة جدًا لعمليات التمعدن داخل الدارة المتكاملة.

المزايا:

• كثافة توصيلات عالية جدًا.
• توصيل حراري ممتاز.
• مثالية للترددات العالية والتطبيقات ذات الأداء المرتفع.

القيود:

• تتطلب معدات تصميم وتصنيع متقدمة.
• كلفة مرتفعة وتوافر عمليات محدود.

4) MCM-D/C: هجين طبقات رقيقة / خزف مُشترك الحرق

يجمع هذا النوع بين:

• ركيزة خزفية متعددة الطبقات مُحترقة معًا، و
• طبقات توصيل رقيقة مُترسَّبة أعلاها.

التحديات الهندسية:

• توافق مواد معقد.
• عدم تطابق معاملات التمدد الحراري.
• صعوبة تصنيع وكلفة عالية.

يُستخدم عادةً في أنظمة الطيران/الدفاع التي تتطلب متانة الخزف ودقة الطبقات الرقيقة معًا.

5) MCM-Si: وحدة متعددة الشرائح على ركيزة سيليكون

الفكرة:

• استخدام رقاقات السيليكون كركيزة.
• تشكيل أنماط معدنية (ألمنيوم أو نحاس) فوق SiO₂.
• طرق تصنيع تكاد تُطابق تصنيع الدارات المتكاملة.

المزايا الفريدة:

• تطابق حراري مثالي مع الشرائح.
• موصلية حرارية ممتازة.
• موثوقية عالية حتى في درجات الحرارة القاسية.

المقايضة:
تكلفة أدوات مرتفعة وقابلية توسّع محدودة، لكنها لا تُضاهى أداءً في الأنظمة المتخصصة عالية المستوى.

الخلاصة: مفاضلات هندسية في تصميم MCM

الأداء مقابل الكلفة

توفر MCM أداءً كهربائيًا وميكانيكيًا متفوقًا:

• حجم ووزن أقل.
• تأخير إشارة وتداخل أقل.
• موثوقية عامة أفضل.

لكن هذه الفوائد تقابلها:

• تعقيد تصميم أعلى.
• كلفة تصنيع مرتفعة.
• مردود (Yield) أقل.

التكامل مقابل قابلية التصنيع

في معظم الأسواق الجماهيرية، يكون رفع مستوى التكامل على شريحة واحدة (SoC) أكثر جدوى اقتصاديًا من استخدام عدة شرائح داخل MCM.

أما للأنظمة منخفضة الكميات أو المتخصصة مثل:

• إلكترونيات الطيران والدفاع.
• وحدات الحوسبة عالية الأداء.
• معالجات الرسوميات أو الفيديو المخصصة.

تبقى MCM الحل الأمثل لقدرتها على دمج شرائح مُصنَّعة بتقنيات عمليات مختلفة—مثل تماثلي + CMOS أو ECL + CMOS—داخل وحدة واحدة.

خاتمة

تمثل الوحدة متعددة الشرائح (MCM) محطة أساسية في تطور تغليف الإلكترونيات—إذ تمزج مرونة لوحات الـ PCB مع كثافة ودقة تصنيع أشباه الموصلات.
تُمكّن MCM المهندسين من تحقيق تكامل على مستوى النظام وأداء أسرع وموثوقية حرارية متفوقة ضمن عوامل شكل مدمجة.

ورغم أن الكلفة والتعقيد يحدّان من انتشارها الواسع، ما تزال تقنيات MCM تُغذّي الأنظمة المهمة عالية الأداء حيث تعجز اللوحات التقليدية عن مجاراتها.