באלקטרוניקה מתקדמת, הרכבה פשוטה של מעגלים משולבים (IC) על גבי לוח מודפס (PCB) כבר אינה מספיקה כדי לעמוד בדרישות הקיצוניות של גודל, מהירות ואמינות.
כדי להתגבר על המגבלות הפיזיות והחשמליות, פותח המודול הרב־שבבי (Multi-Chip Module – MCM) – טכנולוגיית אריזה קומפקטית ובעלת צפיפות גבוהה המשלבת מספר שבבים חשופים על תשתית אחת.
במהותה, MCM דומה ל־PCB מוקטן ומדויק, אך מבחינת אריזה זהו פתרון ברמת מערכת (Level-3) המחבר בין מארזי ה-IC המסורתיים לבין ה-PCB הנושא.
מאמר זה מסביר מהו MCM, למה משתמשים בו, וכיצד מתוכננים ומיוצרים הסוגים השונים.
מהו מודול רב־שבבי (MCM)?
MCM היא שיטת אריזה שבה מספר תבניות שבב (dies) חשופות מולחמות/מונחות ישירות על תשתית משותפת, במקום לארוז כל שבב במארז נפרד.
מאפיינים עיקריים
- ביטול המארזים הבודדים של ה-IC.
- מספר שבבים חולקים תשתית אחת בצפיפות גבוהה.
- קיצור משמעותי של מסלולי הקישור בין השבבים.
- הפחתת אינדוקטיביות וקיבול פרזיטיים.
שיטות קישור שכיחות
- חיווט דק (Wire Bonding)
- Flip-Chip
- TAB – Tape Automated Bonding
- Flip-TAB
מדוע להשתמש ב-MCM?
הסיבות המרכזיות לאימוץ MCM הן מזעור, ביצועים ואינטגרציה.
1) מזעור והפחתת משקל
הסרת מארזי השבבים הבודדים מצמצמת באופן דרמטי את גודל ומשקל המערכת – קריטי לתעופה/ביטחון ומכשירי צריכה קומפקטיים.
2) ביצועים במהירות גבוהה
אותות מהירים מדרדרים לאורך מסלולים ארוכים ב-PCB.
MCM מקטין את מרחקי החיבור בין השבבים, משפר את מהירות ההתפשטות ואת שלמות האות בתדרים גבוהים.
3) אינטגרציה ברמת מערכת
MCM מאפשר לשלב מספר פונקציות/שבבים במודול קומפקטי יחיד – משפר ביצועים ומפשט הרכבה.
MCM והיררכיית האריזה
| רמה | תיאור | דוגמה |
|---|---|---|
| Level 1 | אריזת שבב יחיד | מארז פלסטיק, PGA |
| Level 2 | הרכבת רכיבים על PCB | סוגי PCB שונים |
| Level 3 | אריזה ברמת מערכת | MCM, מערכות היברידיות |
MCM שייך ל-Level-3, בין מארזי ה-IC לבין ה-PCB הנושא.
משמעות הדבר: תכן מורכב יותר, סבילות ייצור הדוקה יותר ועלות גבוהה יותר לעומת הרכבות PCB רגילות.
סוגי מודולים רב־שבביים
הסיווג מתבסס על חומר התשתית ושיטת הייצור. הסוגים הנפוצים: MCM-L, MCM-C, MCM-D, MCM-D/C, MCM-Si.
1) MCM-L – תשתית למינציה (Laminated)
סקירה טכנית:
- תשתיות למינציה דקות עם שכבות מתכת עדינות.
- ייצור באמצעות תהליכי PCB סטנדרטיים.
- קידוחים/פדים/מסלולים ברוחב עדין יותר.
- לעיתים משתמשים בכלים דומים לאלו של ייצור מוליכים למחצה.
יתרונות:
- הזול ביותר בין סוגי ה-MCM.
- תהליך בשל וניתן להרחבה.
- תואם לכלי ותהליכי תכן של PCB.
מספק איזון מיטבי בין עלות לכשירות ייצור.
2) MCM-C – תשתית קרמית (Ceramic)
תהליך:
- דפוס שכבות מוליכות על יריעת קרמיקה לא שרופה.
- ניקוב ומילוי ויאס.
- ערימת שכבות וצריפתן יחד ליצירת תשתית קרמית רב־שכבתית.
מאפיינים:
- יקר יותר מ-MCM-L אך זול מדק־שכבה (MCM-D).
- יציבות תרמית ואמינות מצוינות.
- טכנולוגיה ותיקה – בשימוש עשרות שנים במיינפריים של IBM.
תכן: ניתן להתאים בקלות כלים ומתודולוגיות של PCB.
3) MCM-D – דק־שכבה (Thin-Film)
גישה:
- הצבת שכבות דקות מתחלפות של דיאלקטריק ומתכת.
- על תשתיות כמו סיליקון/קרמיקה/מתכת.
- דומה מאוד למטליזציה ב-IC.
יתרונות:
- צפיפות קישורים גבוהה במיוחד.
- הולכת חום מעולה.
- אידאלי ל-RF ולביצועים גבוהים.
מגבלות:
- דורש ציוד תכן/ייצור מתקדם.
- עלות גבוהה וזמינות תהליכים מוגבלת.
4) MCM-D/C – היברידי דק־שכבה/קרמי מצרף
שילוב של:
- תשתית קרמית רב־שכבתית מצרפת (co-fired), ו-
- שכבות קישור דק־שכבה מעליה.
אתגרים:
- התאמת חומרים מורכבת.
- אי־התאמה במקדם התפשטות תרמית.
- קושי ועלות ייצור גבוהים.
— נפוץ במערכות תעופה/ביטחון הדורשות גם עמידות קרמית וגם דיוק דק־שכבה.
5) MCM-Si – תשתית סיליקון
קונספט:
- שימוש בפרוסות סיליקון כתשתית.
- דפוסי מתכת (אלומיניום/נחושת) על SiO₂.
- שיטות ייצור כמעט זהות לייצור IC.
יתרונות ייחודיים:
- התאמה תרמית מושלמת ל-dies.
- מוליכות תרמית מצוינת.
- אמינות גבוהה גם בטמפרטורות קיצון.
חסרונות/פשרה: עלות כלים גבוהה וסקלביליות מוגבלת, אך ביצועים חסרי תחרות ביישומים ייעודיים עתירי ביצועים.
סיכום: פשרות הנדסיות בתכן MCM
ביצועים מול עלות
MCM מספק ביצועים חשמליים ומכניים מעולים:
- גודל ומשקל נמוכים יותר.
- השהיית אות והשראות צולבת נמוכות יותר.
- אמינות כללית טובה יותר.
מנגד:
- מורכבות תכן גבוהה.
- עלות ייצור גבוהה.
- תפוקה (yield) נמוכה יותר.
אינטגרציה מול ישימות ייצור
בשוק ההמוני, שילוב גבוה יותר על שבב יחיד (SoC) לרוב חסכוני יותר משילוב מספר dies ב-MCM.
לעומת זאת, ביישומי נפח קטן/ייעודיים, כגון:
- אלקטרוניקה לתעופה ולביטחון,
- מודולי מחשוב עתירי ביצועים,
- מעבדי גרפיקה/ווידאו מותאמים —
MCM נשאר פתרון אופטימלי בזכות היכולת לשלב שבבים מטכנולוגיות ייצור שונות (למשל אנלוגי + CMOS או ECL + CMOS) במודול אחד.
סיכום
ה-MCM מהווה אבן דרך חשובה בהתפתחות אריזות אלקטרוניות: שילוב הגמישות של PCB עם הצפיפות והדיוק של ייצור מוליכים למחצה.
הוא מאפשר למהנדסים להשיג אינטגרציה ברמת מערכת, ביצועים מהירים יותר ואמינות תרמית גבוהה – בגופים קומפקטיים.
למרות שהעלות והמורכבות מגבילות את האימוץ ההמוני, טכנולוגיית MCM ממשיכה להניע מערכות קריטיות עתירות ביצועים, שבהן לוחות PCB מסורתיים כבר אינם מספקים.
