De evolutie van de verpakking van Chip-on-Board in hoog presterende ADC-modules

Analoge-naar-digitale converters (ADC's) zijn de kritieke brug tussen de analoge wereld en digitale verwerking in talloze elektronische systemen. Van medische beeldvorming en 5G telecommunicatie tot autonome voertuigen en industriële automatisering, de vraag naar hogere resolutie, snellere bemonsteringssnelheden en lager energieverbruik blijft toenemen. Terwijl ADC architectuur vooruitgang . Terwijl de opeenvolgende aanpassing register (SAR) en delta-sigma topologieën . veel aandacht krijgen , de verpakkingstechnologie die huizen van deze silicium sjablonen is geworden even cruciaal . Chip-on-board (COB) verpakking , eens een niche techniek voor eenvoudige circuits , is ontstaan als een hoeksteen voor het bouwen van compacte , high-performance ADC modules . Recente innovaties in COB processen , materialen en interconnects zijn het mogelijk ADC modules die waren onvoorstelbaar een decennium geleden , het leveren van ongekende signaal integriteit , thermische prestaties en miniaturisatie .

Begrijpen van de basisbeginselen van de verpakking van Chip-on-Board (COB)

COB-verpakking verschilt fundamenteel van traditionele discrete verpakkingsmethoden zoals quad-flat no-lead (QFN), kogelrooster array (BGA), of plastic dual in-line pakketten. In conventionele verpakkingen wordt de halfgeleidermatrijs eerst ingekapseld in een individuele verpakking, compleet met loodframes of soldeerballen, die vervolgens wordt gemonteerd op een gedrukte printplaat (PCB). COB elimineert het tussenpakket door de kale matrijs direct op het substraat te monteren. Meestal een standaard of aangepaste printplaat met behulp van geleidende lijmen of eutectische die bevestiging. Elektrische verbindingen worden gemaakt via fijn goud of aluminium draden (draadbinding) of door flip-chip bumps die de die face-down met het substraat (flip-chip COB) verbinden.

De directe bevestiging biedt verschillende fundamentele voordelen. De eliminatie van het pakketlichaam vermindert parasitaire inductantie en capaciteit door het verwijderen van extra verbindingsdraad lengtes en gegoten samenstelling diëlektrische. Dit is bijzonder gunstig voor hoge snelheid ADC signalen waar zelfs picoseconden van vertraging of nanovolt van lawaai kan degraderen prestaties. Thermische beheer verbetert ook omdat de matrijs achterkant (of voorzijde, in flip-chip) kan direct worden blootgesteld aan een warmtesink of thermisch geleidend via structuur, in plaats van te voeren warmte door middel van een plastic pakket. Bovendien, de algehele voetafdruk krimpt dramatisch een COB ADC module kan minder dan een derde het gebied van een conventioneel verpakte equivalent bezetten, waardoor multi-channel arrays in strakke vorm factoren.

COB-verpakking brengt echter ook uitdagingen met zich mee: de kale matrijs is kwetsbaar voor mechanische stress, vocht en verontreiniging. Om kraken of ontsmeren te voorkomen is endoppen met lob-top epoxy of dam-and-fill verbindingen nodig, en een zorgvuldige thermische expansiecoëfficiënt (CTE) die overeenkomt met de siliciummatrijs, substraat en encapsulant. Deze uitdagingen hebben innovaties gestimuleerd die de betrouwbaarheid aanpakken en tegelijkertijd de prestatievoordelen behouden.

Recente innovaties in COB-verpakking voor ADC-modules

De afgelopen vijf jaar zijn er een aantal innovaties geweest die specifiek op COB-verpakte ADC-modules zijn afgestemd. Deze vooruitgang richt zich op de belangrijkste knelpunten van dichtheid, thermisch beheer, signaalintegriteit en fabricagebaarheid. Hieronder volgen de belangrijkste ontwikkelingen.

Geavanceerde Sterf Stapelen en 3D-integratie

Moderne ADC's met hoge resolutie vereisen vaak zowel analoge front-end als digitale signaalverwerkingsstadia. Traditioneel werden deze vervaardigd op afzonderlijke matrijzen en verpakte zij-bij-zij. Recente COB-innovaties maken nu verticale stapeling van meerdere ADC-desserts mogelijk, zoals een SAR-kern met fijne resolutie die op een delta-sigma-omwillering gestapeld is op een delta-sigma-omwillering via via silicon (TSV's) of kopermicrobumps. Deze 3D-integratiemethode bevat meer functionaliteit in dezelfde voetafdruk en vermindert de onderlinge afstanden tussen analoge en digitale secties, waardoor parasitaire effecten worden verminderd die het analoge signaal kunnen beschadigen. Bijvoorbeeld een 16-bits, 1 SAPS ADC-module kan de analoge kern, een digitaal filter en een referentiespanningsbron in een compacte COB-stapel opnemen, waardoor een signaal-tot-ruisverhouding wordt bereikt die de grotere hybride modules met elkaar vergelijkt.

Verbeterde thermische interfaces en materialen voor ondergronden

De warmtedissipatie is een cruciaal punt in dicht verpakte COB-assemblages. ADC-matrijzen kunnen verschillende watt verwijderen, en met meerdere matrijzen gestapeld, neemt de thermische fluxdichtheid aanzienlijk toe. Innovaties in thermische interfacematerialen (TIM's) omvatten hoogthermale-geleidingstijdvakken gevuld met boornitride of diamant nanodeeltjes, evenals gesinterde zilverpasta's die een metaalverbinding vormen tussen matrijs en substraat. Daarnaast ontwikkelen PCB-substraten zich: traditionele FR-4 wordt vervangen door geïsoleerde metaalsubstraten (IMS) of keramische laminaat (bv. Rogers 4350B) die thermische voordelen bieden van 2

Micro-Bump Interconnects en Hybride Bonding

Voor flip-chip COB assemblages, de trend is naar kleinere en betrouwbaarder hobbels. Koper pilaar microbumps met diameters tot 20 μm en pek van 40 μm zijn nu gebruikelijk, waardoor lagere weerstand en inductie dan traditionele soldeer hobbels. De nieuwste doorbraak is hybride binding een directe koper-koper-koper binding gevormd bij lage temperaturen zonder soldeer, die nog fijnere toonhoogte bereikt en elimineert het risico van soldeer uitval of elektromigratie. Voor draadgebonden COB, innovaties omvatten omgekeerde binding en lint binding met behulp van gouden of koperen linten twee tot drie keer de breedte van standaard binding draden, verminderen lus inductantie en verbeteren van de stroombehandeling voor power-hungry ADC modules.

Geïntegreerde passieve componenten en systeem-in-verpakking (SiP)

Om ADC-modules verder te miniaturiseren, worden passieve componenten zoals ontkoppelingscondensatoren, bypassweerstanden en filtersmeermiddelen nu direct in het COB-substraat ingebed. In plaats van discrete componenten van de centrifugaal- of centrifugaaloppervlak te monteren, nemen fabrikanten dunnefilmweerstanden of meerlaagse keramische condensatoren (MLCC's) in de PCB-laminatielagen op. Deze integratie vermindert de totale modulegrootte, verkort het pad tussen de matrijs en de biase componenten (verbetering van de vermogensintegriteit) en verbetert de hogefrequentieontkoppeling. Sommige geavanceerde COB-modules integreren de volledige functie van meerdere discrete componenten in één substraatlaag met behulp van ingebedde passieve technologie (EPT), waardoor een 50% reductie van het moduleoppervlak wordt bereikt in vergelijking met discrete ontwerpen.

Geavanceerde technieken voor ondervulling en encapsulatie

Het beschermen van de kwetsbare matrijs en draadbindingen tegen vocht, schok en CTE mismatch is essentieel. Nieuwe ondervulmaterialen met lage elastische modulus en hoge hechting aan zowel de matrijs als substraatmaterialen zijn speciaal ontwikkeld voor COB ADC's. Geen-flow ondervullingen en capillaire flow onderfills zijn geformuleerd om leegtes te minimaliseren en zorgen voor een uniforme dekking rond microbumps. Voor draadgebonden apparaten, glob-top epoxies met toegevoegde silica vuller niet alleen bieden mechanische bescherming, maar ook verbeteren warmtespreiding. De nieuwste encapsulanten kunnen worden toegepast in een filmvorm (film-ondersteunde vorm) die nauwkeurige vormgeving rond de stack van de die, waardoor dunner profielen voor hoogte-gestraineerde toepassingen zoals smartphones en draagbare medische sensoren mogelijk maakt.

Wafer-Level Chip-Scale Packaging (WLCSP) voor ADC-modules

Door COB-concepten uit te breiden tot het waferniveau, worden chips op waferniveau (WLCSP) op waferniveau (WLCSP) een compleet pakket voor elke matrijs gecreëerd. De herverdelingslagen (RDL) worden direct aan de passivatie van de matrijs toegevoegd en de soldeerballen worden bevestigd, zodat de matrijs direct op de print kan worden gemonteerd zonder een tussenliggende ondergrond. Voor ADC's vermindert WLCSP de pakketparasitici nog verder, maakt het mogelijk de kleinste mogelijke voetafdruk (in wezen de matrijsgrootte zelf) te maken en ondersteunt het produceren van hoogvolumes tegen lage kosten. Recente innovaties zijn onder meer laag-elektrische-constant RDL-materialen die signaalverlies bij hoge frequenties minimaliseren, waardoor WLCSP geschikt is voor multi-giga sample ADC's.

Voordelen van deze innovaties voor ADC-prestaties en systeemontwerp

Het cumulatieve effect van deze COB-innovaties vertaalt zich in tastbare voordelen voor eindgebruikers en systeemontwerpers.

Miniaturisatie die nieuwe systeemarchitectuur inschakelt

Door de verminderde grootte van de module kunnen systeemontwerpers meer ADC-kanalen binnen hetzelfde boardgebied opnemen. In gefaseerde radar of massieve MIMO 5G-basisstations zijn bijvoorbeeld honderden ADC-kanalen nodig. COB-modules met een afmetingen van slechts 5 mm × 5 mm kunnen op een dicht rooster worden geplaatst, waardoor beamforming en signaalverwerking aan de antennerand mogelijk is. Ook draagbare echografiesystemen profiteren van 128-kanaals ADC-arrays die op één enkel beeldsondehendel passen, waardoor het aantal kabels wordt verminderd en de beeldkwaliteit wordt verbeterd.

Verbeterde signaalintegriteit voor hogere resolutie en snelheid

Lagere parasitaire eigenschappen van korte verbindingsdraden of fijne stoten betekenen schonere signaalpaden. Een 14-bits ADC die werkt bij 2 SAPS kan zijn effectieve aantal bits (ENOB) boven 12 bits behouden wanneer ze in COB worden verpakt, terwijl een conventionele BGA-pakket twee bits kan verliezen als gevolg van signaalafbraak van de capaciteit van pakketsporen. Het verbeterde thermische beheer vermindert ook temperatuurdrift, waardoor de prestaties constant blijven over het hele werkingsgebied. Voor precisiemeettoepassingen, zoals digitale oscilloscopen of geautomatiseerde testapparatuur (ATE), kan de geluidsvloer onder −100 dBFS worden geduwd.

Verbeterde betrouwbaarheid in harde omgevingen

COB-modules met geavanceerde ondervul- en CTE-gelijkwaardige substraten zijn zeer betrouwbaar onder thermische wieler-, trillings- en vochtigheidseigenschappen. In auto- en ruimtevaarttoepassingen is het vermogen om −40°C tot +125°C temperatuurwisselingen te weerstaan zonder matrijzenkraak of vermoeidheid van de banddraad. De nieuwste encapsuitten bieden ook weerstand tegen agressieve chemicaliën en zoutspray, waardoor het gebruik van COB-ADC's in olie- en gasboring, downgat instrumentatie en militaire elektronica wordt uitgebreid.

Productie-efficiëntie en kostenreductie

Terwijl COB-verpakking historisch gezien meer handmatige behandeling en zorgvuldige procesbesturing vereist, hebben automatiseringsvooruitgangen (zoals pick-and-place voor kale matrijzen en geautomatiseerde draadbinding bij snelheden van meer dan 20 bindingen per seconde) de arbeidskosten verlaagd. De eliminatie van discrete pakketproductie en de mogelijkheid om passieven direct in het substraat te integreren, lager dan de totale factuur van materialen. Voor productievolumes boven 10.000 eenheden per jaar kan COB-assemblage tot 30% goedkoper zijn dan conventionele verpakkingen wanneer rekening wordt gehouden met de totale systeem-niveau kostenbesparingen van verminderde boardruimte en vereenvoudigde routing.

Belangrijke toepassingsgebieden die de innovatie van COB ADC stimuleren

Telecommunicatie en Software-Ontwikkelde Radio

5G en verder vereisen ADC's met bandbreedtes groter dan 1 GHz en een dynamisch bereik dat voldoende is om meerdere dragers tegelijkertijd te digitaliseren. COB-modules met ingebedde passieve en hoge thermische geleidbaarheidssubstraten zijn nu standaard in radiokoppen op afstand (RRH) en kleine cellen. De mogelijkheid om de ADC te integreren met digitale predistortie (DPD) feedbacklussen in één enkel pakket vermindert latentie en vereenvoudigt het ontwerp van de boards.

Medische beeldvorming en diagnoseapparatuur

Draagbare echografie, digitale röntgenstralen en MRI-ontvangers vragen om geluidsarme ADC's met hoge resolutie in kleine vormfactoren. COB-innovaties hebben 16-bits, 250 MSPS-ADC's mogelijk gemaakt die binnen een gebied van 1 cm2 passen, waardoor multi-elementtransducer arrays direct op de sensor kunnen worden gedigitaliseerd. Dit vermindert de afbraak van analoge kabelsignalen en maakt een nauwkeuriger beeldreconstructie mogelijk.

Automotive Advanced Driver-Asistance Systems (ADAS)

LIDAR, radar en camera-gebaseerde ADAS-systemen vereisen ADC's met een hoog dynamisch bereik en een breed bereik van bedrijfstemperatuur. COB-modules met robuuste ondervul- en CTE-geëngineerde substraten slagen voor AEC-Q100 betrouwbaarheidstests. De compacte voetafdruk maakt integratie in zij- en op dak gemonteerde LIDAR-eenheden mogelijk zonder dat de prestaties worden opofferd.

Industriële en IoT-sensornetwerken

Fabrieksautomatisering, trillingsbewaking en energie oogstsensoren profiteren van ultra-low-power COB ADC's. Recente innovaties in wafers-niveau verpakking hebben ADC's met een energieverbruik van minder dan 1 mW in staat gesteld tijdens het nemen van monsters op 10 kSPS, geschikt voor batterij-bediende draadloze sensoren. De kleine afmeting maakt inbedding binnen een sensorbehuizing mogelijk, waardoor bekabeling wordt verminderd en de installatie wordt vereenvoudigd.

Uitdagingen en beperkingen van de huidige COB-technologie

Ondanks de vele voordelen, COB verpakking voor ADC modules is niet zonder obstakels. [Thermische management[] blijft de belangrijkste uitdaging bij het stapelen van meerdere hoogvermogens dieven; zelfs met geavanceerde TIM's, de thermische weerstand van de epoxy laag kan een bottleneck worden. Ontwerpers moeten zorgvuldig thermische paden simuleren en soms bevatten dampkamers of vloeistofkoeling voor de meest veeleisende toepassingen. De signale integriteit op het niveau van de interconnect[] kan worden aangetast als de binding draad lengtes meer dan 1 mm of de bump toonhoogte is te grof. Geavanceerde simulatie instrumenten (bijv. Ansys HFSS) worden nu gebruikt om de COB layout te optimaliseren, maar dit voegt de ontwerp iteratietijd toe. []De testabiliteit[] is een andere kwestie.

Toekomstvooruitzichten: Het volgende decennium van COB ADC-modules

Het traject van COB-innovatie vertoont geen tekenen van vertraging. Onderzoekers onderzoeken een aantal veelbelovende richtingen die de prestaties van de ADC-module verder zullen verbeteren.

Flexibele COB-substrates

Met dunne, flexibele polyimide- of vloeibare kristallen polymeer-substraten (LCP) kunnen COB-ADC-modules worden geïntegreerd in draagbare apparaten, slimme textiel- en gebogen sensorarrays. Vroege prototypes hebben ADC's aangetoond die kunnen worden gebogen tot een straal van 5 mm zonder prestatiedegradatie, opening van toepassingen in medisch verband en flexibele displays.

Heterogene integratie met Digital en RF

Toekomstige COB ADC-modules zullen waarschijnlijk niet alleen analoge en digitale converterfasen bevatten, maar ook speciale digitale signaalprocessoren (DSP's), geheugen en zelfs RF front-end componenten. Deze systeem-in-package (SiP) benadering, met behulp van fijne-pitch interconnects tussen heterogene matrijzen, zal complete software-gedefinieerde radio (SDR) oplossingen mogelijk maken in een enkel pakket kleiner dan een postzegel.

AI-geassisteerde ontwerp en procesbesturing

Machine learning algoritmes worden ontwikkeld om de plaatsing van binding draden, de stroom van ondervulmaterialen, en de thermische via lay-out te optimaliseren. Dit zal de tijd die nodig is om een nieuw COB ontwerp te kwalificeren en de opbrengst tijdens de productie te verbeteren. Real-time proces monitoring met behulp van optische coherentie Tomografie (OCT) kan leegtes of verkeerde afstemming in de ondervullaag detecteren, waardoor live aanpassingen mogelijk zijn.

Nieuwe materialen: Glas en Silicium Interposers

Glassubstraten bieden uitstekende dimensionale stabiliteit en een laag diëlektrische verlies, waardoor ze ideaal zijn voor hogefrequentie-ADC's. Silicium-interposers met TSV's zorgen voor de ultieme interconnectdichtheid, ondersteunen hobbelplaatsen onder 10 μm. Door deze te combineren met COB-matrijsbevestiging zullen ADC-bemonsteringssnelheden naar 100 SAPS met een resolutie van 8 bits voor nieuwe terahertzcommunicatietoepassingen worden geduwd.

Conclusie

Chip-on-board verpakkingen zijn geëvolueerd van een eenvoudige die-attach techniek tot een geavanceerde ontsluitende technologie voor compacte, hoog presterende ADC modules. De nieuwste innovaties, waaronder die stapelen, verbeterde thermische interfaces, micro-bump interconnects, ingebedde passieves, en geavanceerde insignes .. beantwoorden aan de kritieke eisen van moderne elektronische systemen: kleinere grootte, hogere snelheid, betere betrouwbaarheid, en lagere kosten. Aangezien ADC's blijven dienen als de kritische sensor gateway in telecommunicatie, medische, automotive en industriële apparatuur, zal COB verpakking blijven in de voorhoede van integratie en prestaties. De voortdurende ontwikkelingen in flexibele substraten, heterogene integratie, en AI-gedreven ontwerp zal verder uitbreiden van de mogelijkheden van compacte ADC modules, waardoor ze onmisbaar in de volgende generatie van slimme, verbonden apparaten.

Voor nadere lezing over COB-verpakkingstrends, zie Het technisch overzicht van COB van analoge apparaten in snelle converters, De toepassingsnota van Texas Instruments over thermisch beheer in COB-assemblages, en Elektronisch ontwerp van artikel over geavanceerde verpakkingsmethoden voor gegevensconverters.