טכנולוגיות אריזה מתקדמות מעצבות מחדש את הנוף של עיצוב אלקטרוני, במיוחד עבור Analog-to-Digital Converter (ADC) שבבי השב בלב התקשורת המודרנית, כלי הרכב ומערכות הדמיה. כמו שיעורי נתונים מטפסים דרישות רזוק, ההתנהגות התרמית של רכיבים אלה הופכת למגבלה ראשונה על ביצועי מערכת.

האתגר הגדל של חום ב-High-Performance ADCs

עקרונות התפעול של ארכיטקטורות ADCs במהירות גבוהה מייצרים אנרגיה תרמית משמעותית. רזולוציה גבוהה ממירים, כגון אלה המשתמשים באדריכלות מסוגנן או מוצלחות-פרוקסימציה (SAR), מסתמכים על טעינה מהירה וניתוק של קפיצות פנימיות, מגברי עלייה גבוהה, ותיקון דיגיטלי צפופה.

הצטברות חום שבבים ADC באה לידי ביטוי כמה אפקטים של עלייה בטמפרטורות צומת עולה זרמי דליפות ב CMOS transistors, אשר בתורו מגביר את צריכת החשמל עוד יותר, יצירת לולאה משוב חיובי יותר ביקורתי, ⁇ טמפרטורה על פני המוות סיבה לא מתאימה בלוקים אנלוגיים קריטיים כגון קומפרטורים, buffers, ומעגלי דגימות.

גישות ניהול תרמי מסורתיות, כגון הצמדת כיור חום גדול או באמצעות קירור אוויר מאולץ, לטפל בסימפטומים ברמת המערכת אבל לא לפתור את הבעיה הבסיסית של מיצוי חום ברמת השבבים.ההתנגדות התרמית מן הצומת טרנזיסטור לסביבה הממוקדת יש למזער בכל ממשק.זה שבו טכנולוגיות אריזה מתקדמות הופכות את ההשפעה המשמעותית ביותר שלהם.

כיצד Advanced Packaging Addresss thermal Management

אריזה מתקדמת כוללת מגוון רחב של טכניקות לשיפור התכונות החשמליות, המכאניות והרמימיות של אסיפות השבבים. עבור שבבים ADC, שלוש גישות האריזה העיקריות הופיעו כמשתנים תרמיים: ערימה תלת מימדית, החזקה של ספין-צ'יפ והשימוש בחומרי ממשק תרמיים בעלי ביצועים גבוהים.

3D Packaging and Stacked Die Architectures

אריזה תלת-ממדית כוללת ערימה של מספר מתים אנכית וחיבור אותם באמצעות silicon באמצעות (TSVs) או micro-bumps. עבור ADCs, זה לעתים קרובות אומר הפרדה את החזית האנלוגית, הליבה המרה, ואת הלוגיקה לעיבוד הדיגיטלי לתוך שכבות נפרדות.Vs לתוך ערימה יעילה יותר של מנגנונים מסוימים.

עם זאת, אריזות 3D מציג גם הפיכה תרמי בין שכבות. שכבה דיגיטלית חמה יכול להעלות את הטמפרטורה של שכבת אנלוגי רגישה מעומקמת ישירות מעל או מתחתיה. ריצוף תרמי-מודע והשילוב של מערך TSV תרמי הם הכרחיים כדי להקל על הנושא הזה.מודל וכלים סימולציה כי חשבון עבור שניהם התנהגות חשמלית ורמית הם עכשיו סטנדרטיים בעיצוב עבור 3Dacks.

Flip-Chip Packaging

אריזה Flip-chip, שבו המוות הוא מופנם ומחוברת ישירות אל המצע באמצעות ליטות מכר, מציעה יתרונות תרמיים נפרדים על חבילות חוט מסורתיות מובנות חוט-מקודש.החיבור הישיר בין השבב לבין תת-המצע יוצר נתיב תרמי בתדר נמוך. כי הבלטים מחולקים בכל האזור למות במקום מוגבל לחום היקפי, ניתן לעתים קרובות להיות מפלט גבוה יותר כתמים חמים אלה.

עבור ADCs, צ'יפ צ'יפ גדל גם להפחית את החדירה parasitic ואת קיבולת דרך האות, אשר משפר ביצועים גבוהים ומצמצמצמצת את הניתוק כוח הנגרמ על ידי השתקפות אותות. השילוב של parasitics נמוכה יותר והתנהלות תרמית טובה יותר עושה אריזות tp-chip אריזה את הבחירה המועדפת עבור ADC במהירות גבוהה פועל מעל 1 GHz GHz משקעים.

חומרים ממשקיים

גם עם השיטה הטובה ביותר למות-טאך, מחסום תרמי קיים בין השבב וכל כיור חום חיצוני או פתרון קירור.חומרי ממשק תרמיים (TIM) ממלאים את הפערים המיקרוסקופיים ואת אי סדירות משטחים כי מלכודות אוויר, מנצח תרמי נמוך. טטים מתקדמים עבור חבילות ADC כוללים גריזות תרמיות מלאות קרמיקה או חלקיקים מתכת, חומרי שינוי שלב אשר מרכך בטמפרטורות התפעוליות כדי לעמוד בפני פני השטח, ומוליכים תרמיים לצרים כדי להפיץ שבבים ישירות למגבונים.

מוליכות תרמית של TIMs השתפרה באופן דרמטי, עם כמה חומרים מעל 10 W / mK, בהשוואה ל- 0.2 W / mK של אוויר. עבור שבבים ADC כוח גבוה, הבחירה של TIM ואת היישום הם קריטי. שכבה כי הוא עבה מדי מציג התנגדות תרמית מיותר, בעוד שכבה כי הוא רזה מדי עשוי לא למלא את כל התהליכים של pensing חומרים ונוסחאות להמשיך את האגמים אמין להמשיך את תפקוד חיי היומיום.

טכניקות מתקדמות

מעבר לשלוש הטכניקות הבסיסיות, כמה חידושים אחרים של אריזה תורמים לניהול תרמי ב- ADC שבבי.

Embedded Cooling ו- Microfluidic Channels

אחת הדרכים הישירות ביותר להסיר חום מ השבב היא להפיץ קריר באמצעות מיקרו ערוצים משובצים בתוך החבילה substrate או אפילו בתוך סיליקון עצמו. עבור ADCs המשמש מכ"ם, תחנות בסיס, או ציוד בדיקה מהיר במהירות גבוהה, שבו דגני חשמל יכולים לעלות על 100 W / סנטימטר 2, קירור מיקרו-השפעה יכול לשמור על צומת טוב מתחת 100 מעלות צלזיוס תוך שמירה על החבילה החיצונית בטמפרטורה שניתן לנהל.

שילוב של ערוצים מיקרו-השפעהיים דורש עיצוב זהיר כדי להימנע מהתערבות עם הקרמיקה חשמלית ולהבטיח כי הקריר אינו גורם קורוזיה או דליפה חשמלית. ההתקדמות האחרונה ב קרמיקה דלת-הטמפרטורה (LTCC) תת-קרקעית ו- סיליקון interposers הפכו את זה אפשרי כדי לקלקל רשתות מיקרו-ערוציות מורכבות ישירות מתחת ל- ADC.

שילוב heterogeneous ו Interposers

שילוב heterogeneous כרוך צ 'יפס מתפתלים בטכנולוגיות תהליכים שונות לתוך חבילה אחת. עבור ADCs, זה לעתים קרובות אומר הצמד אנלוגי ביצועים גבוה מת מוטבע בתוך תהליך BCMOS או SiGe עם לוגיקה דיגיטלית למות ב CMOS קשקשים, 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ â ¢ עם דרך silney דרך לשרת כמו קו השדרה הדדית.

באמצעות אינטרכוסר עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון סיליקון (סביב 150 W/mK) או אפילו ציפוי פחמן דמוי יהלום, יכול להפחית באופן משמעותי את ההתנגדות התרמית בין ADC למות לבין הפתרון החיצוני קירור.ה interposer גם מאפשר ייעודי דרך תרמית המחברת את האזורים החמים של המוות ישירות לחבית על החבילה שמתחת.

היתרונות של Advanced Packaging עבור ADC ביצועים תרמית

ההשפעה המצטברת של חידושים אלה של אריזה היא שיפור משמעותי במאפיינים התרמיים של שבבים ADC.התועלת המיידית ביותר היא צמצום בטמפרטורת צומת השיא עבור ניתוק כוח נתון.זה מתורגם ישירות לינאריות טובה יותר, רעש נמוך יותר, ו- ENOB גבוה יותר בטווח הטמפרטורה התפעולית.ביישומים שדה, ADCs עם אריזה מתקדמת לשמור על הביצועים שלהם רחב יותר על טמפרטורה מגובה, צמצום עבור הטמפרטורה החיצונית, או פיצוי חיצוני.

ניהול תרמי משופר גם מאפשר תדרים תפעוליים גבוהים יותר.כי הגבול התרמי גדל, ADC יכול להיות מעוכב במהירויות גבוהות יותר ללא עודף טמפרטורת הצומת המקסימלית.זה חשוב במיוחד בקרינת רדיו ו-5G, שבו רוחב פס דורש באופן קבוע לדחוף את שערי הדגימה למעלה.בנוסף, הלחץ על אופניים תרמי מופחת משפר את האמינות במהלך תנודות כוח וכוח, כמו גם במהלך שינויים מתקדמים יותר, כמו גם על ידי שינויים מכניים מתקדמים יותר, שמירה על פני טמפרטורה משותפת (שעון).

חיסכון בחלל ומשקל הם יתרון חשוב נוסף. ADC ארוז היטב כי dissipate חום ביעילות יכול להיות ממוקם קרוב יותר רכיבים רגישים חום אחרים, כגון הפניות מתח דיוק או מגברי רעש נמוך, מבלי לגרום הפרעה תרמית. in aerospace, הגנה, יישומים ניידים, קומפקטיות תרמית זו מאפשרת פריסות לוח צפופה יותר ועלויות קטנות יותר.

אתגרים בביצוע Advanced Packaging

למרות היתרונות ברורים, אימוץ אריזה מתקדמת עבור שבבים ADC מציג כמה אתגרים לא-טריאליים. תהליכי הייצור עבור ערימה 3D, ערימה-chip תחת פיפיל, ו- microfluidic ערוץ תחריט דורשים ציוד מיוחד דיוק גבוה, אשר מגביר את עלויות כלי הרכב והייצור. עבור נמוך כרכים או יישומים נישה, את העלות ניתן לאסור.

ניהול תרמי דורש עיצוב משותף בין מעצב השבבים, מהנדס האריזה, ואת המערכת אינגרהטור. חשמל וסימולציות תרמי חייב להתבצע יחד, עם מודלים מדויקים של חומרי החבילה, עובי המוות, ואת תנאי הגבול התרמית. גישה שיתופית זו מוסיפה מורכבות מחזור העיצוב ודורשת מומחיות דומיין כי לא ניתן יהיה זמין בכל ארגון.

בדיקות אמינות תחת לחץ תרמי הוא גם מעורב יותר עבור חבילות מתקדמות.נוכחות של ממשקים חומריים מרובים - silicon, מכר, תחת פידל, TIM, התפשטות חום - יוצר נקודות פוטנציאליות של דלמנט או כשלון מתחת רכיבה תרמית. תהליכי Qualification חייבים לכלול בדיקות חיים מואצת עם אופניים טמפרטורה ורכיבת כוח כדי להבטיח כי הנתיב התרמית נשאר שלם על פני המוצר המיועד.

כיוונים עתידיים ב-Thermal Packaging for ADCs

במבט קדימה, כמה כיוונים מחקר מבטיחים לשפר עוד יותר את הניהול התרמית של שבבים ADC באמצעות אריזה מתקדמת.אחד הדרכים המבטיחות ביותר הוא שילוב של יהלום סינתטי כמו התפשטות חום או חומר תת-קרקעי. Diamond יש מוליכות תרמית העולה על 2000 / mK, יותר מעשר פעמים כי של נחושת. בעוד עלות היהלום סינתטי ירד משמעותית בשנים האחרונות, הוא נשאר יקר, והתהליך עבור אחסון גבוה של יהלומים עדיין בשימוש, עדיין, 000, 000, עדיין, 000, 000 אבטחה גבוהה, עדיין בשימוש, 000.

גבול נוסף הוא השימוש של ייצור תוספת כדי ליצור מותאם, כיור חום מצופה אשר משולבים ישירות לתוך מכסה החבילה או substrate. כי כי כי כיור חום אלה יכול להיות תוכנן עם צורות אורגניות הממקסמים שטח פני השטח וזרימת אוויר באזורים שבהם סימולציה תרמית מראה את הצורך הגדול ביותר. 3D- ממולאת מבנים מתכת עם דחיסות פנימיות יכול לספק מוליכות תרמית גבוהה וציות מבניות כדי להתאים את התקניות התקנית כדי להתאים את התקני התקני התקני התקני התקני התקני ה-CTECact (CTECact).

קירור פעיל ברמת החבילה, באמצעות משאבות אדזואלקטריות או אלקטרוסטטיות זעירות כדי להפיץ קריר באמצעות ערוצים מיקרו-scale, הוא גם תחת פיתוח פעיל. משאבות אלה ניתן לפוצץ באמצעות תהליכי MEMS ו מוטבעים ישירות לתוך החבילה substrate, יצירת מודול קירור המכיל עצמי הדורש לא צנרת חיצונית. עבור ADCs במתקנים ניידים או מרוחקים שבו קירור קונבנציונלי הוא אינטראקטיבי, כזה יכול כעת לאפשר ביצועים מבוימים רק מצופה.

לבסוף, המשך התקדמות של כלי סימולציה תרמיים שעובדים ישירות עם תוכנת עיצוב אלקטרונית (EDA) יהיה להקל על מעצבי ADC לשלב שיקולים תרמיים בשלבים המוקדמים ביותר של העיצוב.כלים אלה יאפשרו חקירה מהירה של אפשרויות אריזה - ספירות, TSV שיניים, חומרי TIM, כיור חום גיאוגרפיות - ללא צורך במספר רב של אבטיפוס.

מסקנה

אריזה מתקדמת עברה מתפקיד תומך לקביעת עיקרי של ביצועים תרמיים ב ADC שבבים.טכניקות כגון ערימה 3D, קידוד איפור, חומרים ממשק תרמיים מוליכות גבוהה, קירור מיקרו-השפעהי מוטבע, ושילוב heterogeneous על סיליקון interposers כל אחד לתרום כדי להפחית את ההתנגדות התרמית בין transistor לבין הסביבה ambient.

אתגרים נשארים בצורת עלות, מורכבות הייצור, ואת הצורך בעיצוב משותף על פני תחומים חשמליים תרמיים.עם זאת, כמו מדעי החומר ותהליכי הייצור ממשיכים להתפתח, המחסומים לאימוץ הם בהתמדה נמוך יותר. עבור מהנדסים עיצוב מערכות תלויות במהירות גבוהה, גבוה דיוק גבוה ADCs, הבנה ההשלכות התרמיות של אפשרויות האריזה היא עכשיו הליבה ולא נישה.