L'evoluzione del chip-on-Board Packaging in moduli ADC ad alta efficienza

I convertitori analogici-aturiali (ADC) sono il ponte critico tra il mondo analogico e la lavorazione digitale in innumerevoli sistemi elettronici. Dai materiali medicali e dalle telecomunicazioni 5G ai veicoli autonomi e all'automazione industriale, la domanda di una risoluzione più alta, i tassi di campionamento più rapidi e il consumo energetico più basso continua ad intensificarsi.

Comprendere Chip-on-Board (COB) Confezionamento Fondamenti

Il confezionamento COB differisce fondamentalmente dai tradizionali metodi di imballaggio discreti come il non-lead quad-flat (QFN), la griglia a sfera (BGA), o i pacchetti in linea doppia plastica. Nel packaging convenzionale, il semiconduttore die è incapsulato in un singolo pacchetto, completo di cornici di piombo o palline saldanti, che viene poi montato su una scheda di circuito stampata (PCB).

L'eliminazione del corpo del pacchetto riduce l'induttanza parassita e la capacità rimuovendo ulteriori lunghezze del filo di legame e dielettriche composte stampate. Ciò è particolarmente utile per i segnali ADC ad alta velocità dove anche i picosecondi di ritardo o nanovolti di rumore possono degradare le prestazioni convenzionali.

L'incapsulamento con composti epossidici o dam-e-fill è necessario per evitare la crepatura o il delaminazione, e per evitare che le prestazioni di cracking o del delaminazione siano in grado di provocare innovazioni che si rivolgono a questo tipo di affidabilità.

Recenti innovazioni nel settore del COB Packaging per i moduli ADC

Gli ultimi cinque anni hanno assistito ad un aumento delle innovazioni specificamente adattate ai moduli ADC confezionati con COB, che mirano a individuare i principali colli di bottiglia di densità, gestione termica, integrità del segnale e manufacturability.

Stacking avanzato e integrazione 3D

I moderni ADC ad alta risoluzione richiedono spesso sia gli stadi analogici di elaborazione del segnale anteriore che quelli digitali. Tradizionalmente, questi sono stati fabbricati su stampi separati e confezionati lato-by-side. Le recenti innovazioni di COB ora permettono lo stacking verticale di più di ADC dies, come un nucleo SAR a risoluzione fine sovrapposto su un modulatore di tensione delta-sigma, utilizzando tramite-silicon vias (TSV) o 3 microbuto.

Interfacce termiche migliorate e materiali substrato

La dissipazione del calore è una preoccupazione critica nei gruppi di COB densamente imballati. Le die ADC possono dissipare diversi watt, e con più die impilate, la densità del flusso termico aumenta sostanzialmente.

Micro-Bump Interconnessioni e Obbligazione ibrida

Per i gruppi di coperture a nastro, la tendenza è verso urti più piccoli e più affidabili. I microbump a colonna di rame con diametri fino a 20 μm e le piazzole di 40 μm sono ora comuni, fornendo una resistenza e induttanza più bassa rispetto ai tradizionali paraurti di saldatura. L'ultima svolta è la legatura ibrida: un legame diretto tra rame e rame formato a basse temperature senza saldatore, che raggiunge la larghezza di filo più fine e elimina il processo di saldatura.

Componenti passivi integrati e System-in-Package (SiP)

Per miniaturizzare ulteriormente i moduli ADC, componenti passivi come condensatori di decoupling, resistenze di bypass e induttori di filtro sono ora incorporati direttamente nel substrato COB. Invece di montare componenti discreti 0402 o 0201 di superficie, i produttori incorporano resistenze di film sottile o condensatori di ceramica multistrato (MLCCsrete) all'interno dei livelli di laminazione PCB.

Tecniche di riempimento e di incapsulamento avanzate

La protezione dei fragili legami die e fili da umidità, shock e malta CTE è essenziale. Nuovi materiali di sottopiede con basso modulo elastico e ad alta adesione ai materiali di pressofusione e substrato sono stati sviluppati specificamente per i film di COB ADC.

Pacchetto a chip-Scale Wafer-Level (WLCSP) per moduli ADC

L'intensificazione di sistemi di controllo di tipo ALCSP (WLCSP) crea un pacchetto completo per ogni die, mentre ancora sul wafer. I livelli di ridistribuzione (RDL) vengono aggiunti direttamente sulla passività e le sfere di saldatura sono attaccate, permettendo al dielettrico di essere montate direttamente sul PCB senza un substrato intermedio.

Vantaggi di queste innovazioni per la performance e il design di sistema ADC

L'effetto cumulativo di queste innovazioni COB si traduce in vantaggi tangibili per gli utenti finali e i progettisti di sistema.

Miniaturizzazione che consente nuove architetture di sistema

La dimensione del modulo ridotta consente ai progettisti di sistema di incorporare più canali ADC all'interno della stessa area di bordo. In radar phased-array o in enormi stazioni di base MIMO 5G, ad esempio, sono necessarie centinaia di canali ADC. I moduli COB di misura solo 5 mm × 5 mm possono essere posizionati su una griglia densa, consentendo la trasformazione e l'elaborazione del segnale al bordo dell'antenna.

Integrità del segnale potenziato per una risoluzione e una velocità più elevate

Un ADC a 14 bit che opera a 2 GSPS può mantenere il suo numero effettivo di bit (ENOB) sopra i 12 bit quando confezionato in COB, mentre un pacchetto BGA convenzionale potrebbe perdere due bit a causa della degradazione del segnale dalla capacità di traccia del pacchetto. La gestione termica migliorata riduce anche la deriva della temperatura, mantenendo prestazioni costanti in tutta la gamma di funzionamento.

Migliorata affidabilità negli ambienti di Harsh

I moduli COB con sottofondo avanzato e substrati CTE-malati presentano un'eccellente affidabilità sotto il ciclismo termico, le vibrazioni e l'umidità. Nelle applicazioni automobilistiche e aerospaziali, la capacità di resistere a oscillazioni di temperatura da −40°C a +125°C senza die cracking o legare la fatica è fondamentale.

Efficienza e riduzione dei costi

Mentre il confezionamento COB richiedeva storicamente una maggiore gestione manuale e un attento controllo del processo, gli avanzamenti di automazione (come il pick-and-place per i dies a nudo e il legame automatico del filo a velocità superiori a 20 obbligazioni al secondo) hanno ridotto i costi del lavoro. L'eliminazione della fabbricazione del pacchetto discreto e la capacità di integrare passivi direttamente nel substrato abbassano la fattura totale dei materiali.

Aree di applicazione chiave Guidare COB ADC Innovazione

Telecomunicazioni e Radio Software-Defined

5G e oltre richiedono ADC con larghezza di banda superiore a 1 GHz e gamma dinamica sufficiente a digitalizzare simultaneamente più vettori. I moduli COB con passivi incorporati e substrati ad alta conducibilità termica sono ora standard nelle teste radio remote (RRH) e nelle piccole celle. La capacità di integrare l'ADC con loop di feedback di predistorsione digitale (DPD) in un unico pacchetto riduce la latenza e semplifica la progettazione del bordo.

Imaging medico e apparecchiature diagnostiche

I ricevitori portatili ultrasuoni, digitali a raggi X e MRI richiedono acustici a bassa rumorosità, ad alta risoluzione in piccoli fattori di forma. Le innovazioni COB hanno permesso di digitalizzare direttamente al sensore i sistemi ADC a 16 bit, 250 MSPS che si adattano a un'area di 1 cm2, consentendo la digitalizzazione di array multi-element trasduttore, riducendo così la degradazione del segnale cavo analogico e consentendo una ricostruzione dell'immagine più precisa.

Sistemi di driver avanzati per automobili (ADAS)

I sistemi ADAS basati su telecamere LIDAR, radar e telecamere richiedono ADC con un'elevata gamma dinamica e un'ampia gamma di temperature operative. I moduli COB con robusti sottopiedi e substrati CTE-engineered superano i test di affidabilità AEC‐Q100. L'impronta compatta consente l'integrazione in telecamere a vista laterale e unità LIDAR montate sul tetto senza compromettere le prestazioni.

Reti di sensori industriali e IoT

Le recenti innovazioni nell'imballaggio a livello wafer hanno consentito agli ADC di utilizzare il consumo energetico inferiore a 1 mW, mentre il campionamento a 10 kSPS, adatto per i sensori wireless a batteria. La piccola dimensione consente l'inserimento in un alloggiamento del sensore, la riduzione del cablaggio e la semplificazione dell'installazione.

Sfide e limitazioni della tecnologia attuale della COB

Nonostante i molti vantaggi, l'imballaggio di COB per i moduli ADC non è senza ostacoli. La gestione termica rimane la sfida principale quando si impilano più alti ditalli di potenza; anche con i TIM avanzati, la resistenza termica dello strato epossidico può diventare un collo di bottiglia.

Prospettive future: Il prossimo decennio dei moduli COB ADC

La traiettoria dell'innovazione COB non mostra segni di rallentamento, i ricercatori stanno esplorando diverse direzioni promettenti che miglioreranno ulteriormente le prestazioni del modulo ADC.

Substrati COB flessibili

I substrati sottili, flessibili in poliimide o in cristallo liquido (LCP) consentiranno di integrare i moduli COB ADC in dispositivi indossabili, tessuti intelligenti e array di sensori curvi. I primi prototipi hanno dimostrato che i moduli possono essere piegati ad un raggio di 5 mm senza degradazione delle prestazioni, applicazioni di apertura in bende mediche e display flessibili.

Integrazione eterogenea con Digital e RF

I moduli futuri COB ADC probabilmente incorporano non solo le fasi di conversione analogico e digitale, ma anche i processori di segnale digitali dedicati (DSP), la memoria e anche i componenti di front-end RF, tutti sullo stesso substrato. Questo approccio system-in-package (SiP), utilizzando interconnessioni di fine-pitch tra dies eterogenei, consentirà soluzioni complete di software-defined radio (SDR) in un unico pacchetto più piccolo di un francobollo di postazione.

Progettazione e controllo di processo assistiti dall'IA

Gli algoritmi di apprendimento automatico sono in fase di sviluppo per ottimizzare il posizionamento dei fili di legame, il flusso dei materiali di riempimento e il layout termico tramite il quale si riduce il tempo necessario per qualificare un nuovo disegno di COB e migliorare la resa durante la produzione.

Nuovi materiali substrato: Interposers di vetro e silicio

I substrati in vetro offrono un'eccellente stabilità dimensionale e una bassa perdita dielettrica, rendendoli ideali per gli ADC ad alta frequenza. Gli interposer con TSVs di Silicon forniscono la massima densità di interconnessione, supportando i campi da urto sotto i 10 μm. Combinando questi con l'attacco COB, spingeranno i tassi di campionamento ADC verso 100 GSPS con risoluzione a 8 bit per le applicazioni di comunicazione emergenti di terahertz.

Conclusioni

L'imballaggio a chip-on-board si è evoluto da una semplice tecnica di attacco a die in una tecnologia avanzata per i moduli ADC compatti e ad alte prestazioni. Le ultime innovazioni, tra cui lo stacking, le interfacce termiche potenziate, i interconnessi a micro-bump, i passivi incorporati e l'incapsulamento avanzato, rispondono ai requisiti critici dei moderni sistemi elettronici: dimensioni più piccole, velocità maggiore, affidabilità e costi più bassi.

Per ulteriori informazioni sulle tendenze di imballaggio COB, fare riferimento a ]Analog Devices' panoramica tecnica di COB in convertitori ad alta velocità[], Nota di applicazione di Texas Instruments sulla gestione termica in assemblaggi COB[], e Articolo di progettazione elettronica sui metodi di confezionamento avanzati.