Il ruolo di Evolving di Imballaggio in ADC ad alta efficienza

Con l'aumento della produttività e la riduzione del tempo, l'aumento del livello di efficienza del calore e la riduzione del rumore, il fattore di riduzione dell'estrazione è stato un fattore di limitazione.

L'imballaggio moderno non è sufficiente a proteggere il die di silicio. Fornisce il percorso primario per il calore per passare dall'incrocio all'ambiente ambientale. Le innovazioni nei materiali, nei metodi di interconnessione e nello stacking hanno ridotto la resistenza termica da un ordine di grandezza in alcuni casi, permettendo agli ADC di operare a velocità più elevate e in condizioni più dure.

Fondamenti della dissipazione termica ADC

Fonti di generazione di calore

Un ADC dissipa la potenza principalmente attraverso il suo nucleo analogico, circuiti di riferimento e logica di elaborazione digitale. In ADC ad alta velocità, conduttura o flash, carica e scarico di condensatori interni decine di milioni di volte al secondo genera calore significativo. L'autoriscaldamento aumenta la temperatura di giunzione sopra l'ambiente, e questa temperatura aumenta è una funzione diretta della resistenza termica dall'incrocio all'aria circostante.

Impatto sulle prestazioni elettriche

La temperatura è in grado di compensare i parametri chiave ADC. La tensione di disinserire e guadagnare errori derivano dalla temperatura, degradando l'accuratezza assoluta. Il rapporto segnale-rumore (SNR) soffre perché il rumore termico aumenta, e le prestazioni dinamiche, come la gamma dinamica priva di spurio (SFDR) - può degradare a causa di prestazioni dismisura indotte termicamente in rapporti di condensatore e trasconduttanza.

Meccanismi di affidabilità

La temperatura di giunzione elevata accelera diversi meccanismi di guasto. L'elettromigrazione in alluminio o rame interconnesse procede in modo esponenziale con la temperatura, riducendo la durata di funzionamento. La stanchezza di giunzione più alta sotto il ciclo termico diventa più grave quando l'espansione termica die-to-package è grande.

Tecniche di confezionamento avanzate per una migliore gestione termica

Imballaggio del capovolto

In flip-chip packaging, il lato attivo della die è rivolto verso il basso e attaccato direttamente al substrato utilizzando i paraurti o i pilastri di rame. Questa configurazione elimina la necessità di fili di legame, che essi stessi aggiungono resistenza termica e ostacolano il percorso di calore dal retro della die.

Integrazione 3D e Stacking Die

L'integrazione con 3D (in inglese) è in grado di collegare più in verticale con un sistema di incollaggio a temperatura ibrida (TSV) o tramite un sistema di termoregolazione (in inglese) che consente di effettuare un'operazione di tipo analogico, die di elaborazione digitale e di ridurre l'affidabilità, riducendo significativamente l'impronta.

Materiali di interfaccia termica (TIMs)

Anche il pacchetto migliore non può funzionare correttamente se il percorso termico tra il pacchetto e il dissipatore di calore è inefficiente. TIM riempiono le lacune microscopiche e le tasche di aria tra le superfici. I TIM tradizionali includono grassi termici, materiali di cambio di fase e cuscinetti elastomerici, con conducibilità intorno 1-5 W/mK.

Spargole di calore incorporate

Molti pacchetti ADC avanzati integrano un diffusore interno di calore, uno strato metallico ad alta conducibilità (spesso rame o alluminio) incorporato all'interno del composto o substrato dello stampo. Questi diffusori distribuiscono calore lateralmente attraverso il pacchetto prima di trasferirlo al dissipatore esterno.

Pacchetto di supporto per wafer-level (FOWLP)

FOWLP ridistribuisce i pad I/O su una superficie più ampia utilizzando un composto epossidico stampato e strati metallici ri-depositati. Il dado è incorporato nel composto di stampaggio, e uno strato di ridistribuzione (RDL) lo collega a sfere più grandi saldanti. Questa tecnica riduce le dimensioni del pacchetto e parassita migliorando le prestazioni termiche perché il profilo di calore più basso del die può essere esposto per il profilo di tipo tradizionale.

Vias (TSV) attraverso il Silicio

Per gli ADC ad alta velocità, il dado viene spesso montato su un interposer di silicio che contiene TSV a punta sottile. Questi TSV forniscono connessioni a bassa induttanza, che riducono la perdita del segnale, ma possono anche servire come condotti termici quando riempiti di rame.

Impatto sulla dissipazione termica e sulle prestazioni del sistema

L'effetto cumulativo di queste tecniche di confezionamento è una sostanziale riduzione della resistenza termica. Per un tipico ADC ad alta velocità che dissipa 3 W, un normale quad-bonded senza piombo (QFIM) potrebbe mostrare una resistenza termica di giunzione-ambiente (R]θJA]]) di 30°C/W, con conseguente aumento di temperatura di 90°C sopra l'ambiente.

La temperatura di giunzione inferiore migliora direttamente le prestazioni ADC. Il pavimento del rumore riduce, e la gamma dinamica senza spuri (SFDR) aumenta perché le non-linearità dipendenti dalla temperatura sono soppresse. Per le infrastrutture di comunicazione come le stazioni di base e i sistemi radar, questo si traduce in una migliore sensibilità e una gamma dinamica più ampia.

Impatto sulla affidabilità a lungo termine

Fatigue congiunto per ciclismo termico e sambuco

In legami cablati, grandi errori CTE tra silicio (≈2.6 ppm/°C) e il piombo di rame (≈17 ppm/°C) inducono la cesura di taglio nelle articolazioni di legame, portando a fessure di tipo stanchezza. I pacchetti Flip-chip con sottopiede distribuiscono la tensione attraverso l'intero allineamento di interconnessione, riducendo lo stress per urto.

Sensibilità e resistenza alla corrosione

I composti di stampo con carico elevato (come silice) riducono l'assorbimento dell'umidità e forniscono una barriera più robusta. I sistemi avanzati in-package (SiP) per ADC includono getter integrati o desiccanti. Inoltre, le prestazioni termiche influiscono direttamente sulla sensibilità all'umidità: un dissipatore di calore refrigerante riduce il rischio di condensazione all'interno dei pacchetti di rischio di condensazione.

Migrazione e migrazione di stress

L'elettromigrazione negli strati metallici e i paraurti saldati è accelerata da elevata densità e temperatura di corrente. Permettendo la die di eseguire il raffreddamento, l'imballaggio avanzato riduce il tasso di elettromigrazione esponenzialmente. Ad esempio, una caduta di 20°C nella temperatura di giunzione riduce il flusso atomico di elettromigrazione di circa la metà, estendendo il tempo mediano al fallimento da 10.000 ore a oltre 50.000 ore in condizioni di pressione tipiche.

Studi sui casi attraverso i domini delle applicazioni

Comunicazioni ad alta velocità e Radar

In 5G stazioni di base e sistemi radar phased-array, ADCs deve campionare larghe larghezza di banda (centri di MHz) con un'elevata gamma dinamica. Il flusso di calore in tali disegni può superare 2 W/cm2. Aziende come Analog Dispositivi implementano l'imballaggio flip-chip con un dissipatore di calore in rame e un coperchio termico che contatta il PCB tramite un pad termico.

Automobili ADAS e Radar

I sensori ADC-DYC sono utilizzati per il monitoraggio di breve raggio e LiDAR devono sopravvivere sotto il cofano in cui le temperature possono raggiungere i 105°C e sono soggetti a cicli termici estremi. Texas Instruments utilizza imballaggi a chip su scala wafer (WLCSP) con via passanti per i suoi dispositivi radar ADC. Questo pacchetto presenta una resistenza termica molto bassa (± 5°C/W) e un'eccellente resistenza al ciclismo termico.

Dispositivi medicali implantable e indossabili

In dispositivi impiantabili come pacemaker e monitor di glucosio continuo, l'ADC deve essere estremamente basso potere ma anche mantenere l'accuratezza sulla durata del dispositivo 5-10 anni. Qui, il packaging avanzato si concentra sulla miniaturizzazione e sulla tenuta ermetica.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

Raffreddamento microfluidico

Per i più elevati sistemi di alimentazione ADC (>10 W), anche i lavandini tradizionali possono rivelarsi insufficienti. I canali microfluidici incorporati all'interno del pacchetto - sia in un interposer di silicio dedicato o direttamente nel substrato - possono raggiungere i tassi di rimozione del calore superiori a 100 W/cm2. Questi canali utilizzano i raffreddatori dielettrici o l'acqua che scorre attraverso i condotti di micron-scale.

Substrati compositi e diamantati avanzati

La conducibilità termica di diamante (2000 W/mK) è cinque volte quella del rame. Gli spargitori di calore di diamanti sintetici possono essere coltivati come film sottili o substrati. Sono già utilizzati in alcuni moduli RF ad alta potenza, e la loro applicazione al confezionamento ADC è in fase di esplorazione. Il costo rimane alto, ma come le tecniche di produzione maturano, substrati di diamanti potrebbe diventare un'opzione standard per la gestione termica.

Integrazione eterogenea con raffreddamento passivo incorporato

La tendenza all'integrazione eterogenea porterà funzioni analogiche, digitali, di memoria e di gestione della potenza in un unico pacchetto. Ogni componente ha caratteristiche termiche diverse e il bilancio termico complessivo deve essere gestito con attenzione. Le strutture di raffreddamento come le camere di vapore o i tubi di calore possono essere incorporati direttamente nel substrato di pacchetto.

Progettazione di pacchetti ottimizzati per l'AI

Gli algoritmi di apprendimento automatico stanno cominciando ad essere utilizzati per ottimizzare il posizionamento delle vie termiche, la geometria degli spargitori di calore e la selezione dei materiali TIM sulla mappa di potenza prevista dell'ADC. Ad esempio, una rete neurale addestrata sui risultati di simulazione degli elementi finiti può raccomandare un layout di pacchetto che minimizza la temperatura di picco e lo stress termico.

Conclusioni

Le tecniche di confezionamento avanzate hanno trasformato il paesaggio di gestione termica per i Convertitori Analog-to-Digital, consentendo livelli di prestazioni e affidabilità che non erano in grado di realizzare un decennio fa. Flip-chip, integrazione 3D, TIM avanzati, dissipatori di calore incorporati, e l'imballaggio a livello wafer-out-contribuiscono a una minore resistenza termica, una distribuzione del calore più uniforme e una minore stress meccanico.