Дизайн-соображения для многочиповых модулей (мкмс) Интегрированные системы на Pcbs

Введение в многочиповый модуль и дизайн системы на PCB

Неустанное стремление к более высокой производительности, меньшим форм-факторам и более низкому энергопотреблению сделало многочиповые модули (MCM) и плотно интегрированные системы на печатных платах (PCB) краеугольным камнем современной электроники. В отличие от традиционных одночиповых пакетов, MCM объединяют несколько голых матриц - процессоры, память, аналог, RF или датчики - в одну упаковку или на общую подложку, резко сокращая длину соединений и обеспечивая производительность на системном уровне, которая была бы невозможна с дискретными компонентами. Проектирование таких систем, однако, требует дисциплинированного подхода, который уравновешивает электрические, тепловые, механические и производственные ограничения от первого схематического символа до конечного производственного цикла.

Инженеры должны ориентироваться в лабиринте компромиссов: как размещать мощные гибкие точки без создания горячих точек, как маршрутизировать высокоскоростные сигналы без ухудшения целостности сигнала и как обеспечить, чтобы собранный модуль мог быть надежно протестирован и собран в масштабе. В этой статье рассматриваются критические соображения проектирования для MCM и интегрированных систем на ПХД, обеспечивая действенное руководство для команд, разрабатывающих все, от аэрокосмических радиолокационных модулей до устройств потребительского класса системы в упаковке (SiP). Мы рассмотрим размещение компонентов, управление тепловыми потоками, электрические характеристики, технологи производства и новые технологии упаковки, опираясь на примеры и лучшие практики от лидеров отрасли.

Ключевые соображения дизайна для MCM и интеграции ПХБ

Успешная конструкция MCM или интегрированной системы зависит от четырех взаимосвязанных столбов: размещение компонентов и межсоединений, управление тепловыми потоками, электрические характеристики и целостность сигнала и технологичность с тестированием. Каждый столб влияет на другие; игнорирование одного почти всегда приводит к дорогостоящим перепроектированию или полевым сбоям.

Размещение компонентов и межсоединения

Стратегическое размещение голых кристаллов и пассивных компонентов является основой любой компоновки MCM. Основная цель состоит в том, чтобы минимизировать физическое расстояние между критическими функциональными блоками, такими как между процессором и его ближайшей кэш-памятью, чтобы уменьшить задержки распространения и паразитные эффекты. Подход размещения на основе сетки, где компоненты выровнены на регулярном шаге, упрощает маршрутизацию и делает планирование этажа более предсказуемым. Однако высокоскоростные сигналы часто требуют выделенных каналов маршрутизации, поэтому дизайнеры должны зарезервировать эти пути, прежде чем размещать менее чувствительные компоненты.

Выбор технологии межсоединения глубоко влияет как на электрические характеристики, так и на выход сборки. Традиционное сцепление проводов остается экономически эффективным для устройств с низким I / O и может обрабатывать умеренные скорости, но оно вводит индуктивность проводов и требует прокладок связи по периметру кристалла. Для приложений с высоким счетом спинов или высокой частотой предпочтительны flip-chip (подключение с контролируемым коллапсом или C4). Flip-chip использует припои по поверхности кристалла, обеспечивая более низкую индуктивность, лучшую теплопроводность и более высокую плотность межсоединения. В то время как flip-chip требует более сложной подложки (часто с несколькими слоями накопления), повышение производительности часто имеет важное значение для сегодняшних требований к скорости передачи данных. В современных MCMs 3D-складка с сквозными силиконовыми с помощью (TSV) принимает интеграцию еще дальше, стекирование памяти непосредственно на процессорах для достижения полосы пропускания терабайта в секунду.

При размещении компонентов учитывайте маршрутизацию силовых и наземных плоскостей. Твердая сеть распределения мощности (PDN) начинается с выделения выделенных слоев в подложке или интерпозиторе для VDD и GND, а затем размещения разъединяющих конденсаторов как можно ближе к силовым штифтам каждого кристалла. Для конструкций со смешанными сигналами - например, радиочастотный приемопередатчик рядом с цифровой базовой полосой - физическое разделение и заземленные защитные кольца помогают предотвратить цифровой шум от повреждения чувствительных аналоговых сигналов. Всегда имитируйте импеданс PDN в интересующем частотном диапазоне, чтобы обеспечить его сохранение ниже целевого уровня (обычно несколько миллиомов на уровне кристалла).

Термический менеджмент

Плотность тепла в MCM может превышать 100 Вт/см2, особенно когда высокопроизводительные процессоры, усилители мощности или FPGA упакованы. Без эффективного управления температурой переходные температуры быстро приближаются к пределам надежности, ускоряя электромиграцию и сокращая среднее время между отказами (MTBF). Первой линией защиты является физическая компоновка: место высокой температуры отмирает от чувствительных к температуре компонентов (например, осцилляторов, датчиков) и избегает кластеризации их в одном углу подложки.

Термальные сквозняки являются основным продуктом МСМ на основе ПХБ. Путем сверления массивов сквозняков под силовыми штампами и соединения их с внутренними медными плоскостями тепло может быть проведено вертикально к радиатору или тепловому распредвалу на противоположной стороне платы. Плотность, диаметр и толщина покрытия должны быть оптимизированы; слишком мало сквозняков создают тепловое узкое место, в то время как слишком много может ослабить доску механически или усложнить маршрутизацию. Для упаковок с металлической крышкой (часто используется в МСМ) материал теплового интерфейса (TIM) между штампом и крышкой дополнительно снижает сопротивление.

Передовые тепловые решения включают в себя встроенные тепловые трубы, микроканальное охлаждение и использование субстратов с высокой теплопроводностью, таких как нитрид алюминия (AlN) или карбид кремния (SiC). Тепловое моделирование на этапе проектирования не подлежит обсуждению. Инструменты, такие как вычислительные растворители динамики жидкости (CFD), позволяют инженерам моделировать воздушный поток, прогнозировать температуры горячей точки и оценивать влияние различных геометрий теплоотвода перед созданием оборудования. Всегда соотносить результаты моделирования с физическими измерениями (например, с использованием термотестовых чипов со встроенными диодами) для проверки тепловой модели.

Для обзора стратегий управления температурой в электронике веб-сайт Electronics Cooling предоставляет тематические исследования и лучшие практики. Кроме того, стандарт IPC IPC-2221 предлагает общие руководящие принципы проектирования для теплового рельефа и путем калибровки в ПХД.

Электрическая эффективность и целостность сигнала

Целостность сигнала (SI) и целостность мощности (PI) являются, пожалуй, наиболее требовательными аспектами конструкции MCM. С скоростями кромки в десятках пикосекунд и частотами, превышающими 100 ГГц в некоторых модулях, каждый миллиметр трассы, каждый сквозной и каждый провод связи действует как линия передачи. Золотое правило заключается в разработке для контролируемого импеданса от подушки для кристаллов до приемника. Для дифференциальных пар это обычно означает 90-100 Ом; для одноконечных линий 50 Ом является наиболее распространенной целью.

Конструкция стекания слоя является единственным наиболее эффективным действием для сохранения качества сигнала.] Размещайте высокоскоростные слои сигнала, прилегающие к твердым плоскостям отсчета (GND или VDD), чтобы обеспечить четкий обратный путь и минимизировать перекрестные помехи. Используйте микрополосу для внешних слоев и полосу для внутренних слоев — полоса предлагает превосходную изоляцию и менее восприимчива к внешнему EMI, но она увеличивает задержку следов. Для очень высоких частот (выше 10 ГГц), рассмотрите возможность использования диэлектриков с низкими потерями, таких как серии Rogers 3000 или 4000 или композиты политетрафторэтилена (PTFE), которые имеют более низкие коэффициенты рассеивания, чем стандартный FR-4.

Конденсаторы разъединения необходимы для поддержания чистой ПДН. Поместите массив конденсаторов с различными значениями (например, 100 нФ, 10 нФ, 1 нФ) рядом с силовыми установками каждого кристалла для покрытия широкого диапазона частот. Паразитическая индуктивность пакета конденсатора и его монтажных площадок имеет значение: используйте меньшие размеры корпуса (0201 или 0402) и минимизируйте область петли между конденсатором, через и плоскость питания. Для сверхвысокочастотной разъединения встроенные слои емкости (тонкие ламинаты с высокой диэлектрической постоянной) могут быть интегрированы непосредственно в стек ПХБ, обеспечивая распределенную емкость с чрезвычайно низкой индуктивностью.

Методы щита и изоляции имеют решающее значение при смешивании аналоговых и цифровых доменов. Общая стратегия заключается в том, чтобы окружать чувствительные аналоговые блоки заземленным защитным кольцом и избегать маршрутизации цифровых следов по аналоговой плоскости земли. Для радиочастотных секций металлический щит (клетка Фарадея), размещенный над модулем, часто требуется для соблюдения пределов выбросов. Всегда имитировать критические сети с использованием электромагнитных (ЭМ) растворителей для проверки импеданса, потери вставки и потери возврата; многие литейные заводы предлагают конструкторские комплекты с 3D полевыми растворителями, адаптированными к их процессу подложки.

Производительность и испытания

Проектирование для технологичности (DFM) и проектирование для тестирования (DFT) - это то, что отделяет прототипируемый MCM от продукта большого объема. Сложность MCM - несколько штампов, тонкое соединение и гетерогенные материалы - означает, что даже небольшой дефект сборки может вызвать полный отказ модуля. Чтобы смягчить это, следуйте установленным рекомендациям DFM от вашего партнера по сборке: поддерживать минимальное расстояние между блоками связи, избегать резких углов в маршрутизации и использовать стандартные размеры, когда это возможно.

Тестовый доступ особенно сложен в MCM, потому что многие внутренние узлы не доступны непосредственно после инкапсуляции. Включите тестовые точки на подложке для критических узлов питания и сигналов. Для функционального теста рассмотрите граничные сканы (IEEE 1149.1) или встроенные схемы самотестирования (BIST) на каждом кристалле. В некоторых схемах известные хорошие кристаллы (KGD) предварительно тестируются перед сборкой, но даже KGD могут быть повреждены во время процесса склеивания. Для приложений с высокой надежностью (аэрокосмические, медицинские), дизайнеры иногда включают избыточные межсоединения или проектируют MCM, чтобы переносить один отказ кристалла.

Допуски сборки должны быть тщательно указаны. Проволочное склеивание требует определенного шага и клиренса панели связи для инструмента склеивания; Flip-chip требует точного диаметра припоя и планарности подложки. Паяльная спайка или усовершенствованные печи для перелива используются для присоединения компонентов с тонкой подводкой. Обсудите выходы процесса с вашим производственным партнером в начале цикла проектирования - стоимость незначительного изменения компоновки на этапе проектирования намного ниже, чем изменение собранного модуля.

Ассоциация технологий поверхностной горной цепи (SMTA) регулярно публикует технические документы по проблемам и решениям сборки MCM. Кроме того, твердотельная технологическая ассоциация JEDEC обеспечивает стандарты для контуров пакетов и тестирования надежности, которые непосредственно применимы к MCM.

Передовые технологии упаковки: интеграция 2.5D и 3D

Традиционный MCM, устанавливающий несколько проводных или перевернутых кристаллов на ламинированной подложке, развивается в сложные 2,5D и 3D архитектуры. В 2,5D интеграции кристаллы устанавливаются бок о бок на кремниевом интерпостере, который содержит слои тонкой маршрутизации и сквозные силиконовые сквозные соединения (TSV) для подключения к упаковочной подложке. Этот подход достигает гораздо более высокой плотности межсоединения, чем органические ламинаты, и в настоящее время является стандартом для объединения памяти с высокой пропускной способностью (HBM) с графическими процессорами или ASIC.

3D-интеграция представляет собой следующий скачок: кристаллы укладываются вертикально, а TSV переносят сигналы через каждый уровень. Преимущества заключаются в резком сокращении площади и длины соединений, но проблемы одинаково значительны. Управление теплом становится трехмерным - тепло должно извлекаться через несколько слоев, часто требуя интегрированных микроканалов или чередующихся теплораспределителей. Процессы связывания и истончения на уровне Wafer сложны, а неэффективность укладки умножает стоимость каждого модуля.

Несмотря на эти препятствия, 3D-интеграция уже используется в таких продуктах большого объема, как стеки памяти смартфонов и датчики изображения. Дизайнеры, переходящие на 3D, должны имитировать механическое напряжение из-за несоответствия коэффициента теплового расширения (CTE), планировать зоны выдержки TSV и разрабатывать новые стратегии тестирования для внутренних слоев. Ресурсы моделирования 3D-IC от Electrosoft предлагают хорошую отправную точку для понимания требований к электрической и тепловой ко-симуляции.

Моделирование и проверка: многофизический подход

Современный дизайн MCM не может полагаться только на правило большого пальца; моделирование в нескольких физических областях имеет важное значение. Для электрических характеристик используйте 3D полноволновые ЭМ-решатели (например, Ansys HFSS, CST Studio) для моделирования линий передачи, сквозных и шаровых сеток-маяков (BGA) переходов. Извлеките S-параметры и используйте их в симуляторах домена времени для создания диаграмм глаз с желаемой скоростью передачи.

Тепловое моделирование должно сочетаться с электрическим и механическим анализом. Карты мощности от электрического моделирования загружаются в инструмент CFD (например, Flotherm, Icepak) для вычисления устойчивых и переходных температур. Для надежности анализ конечных элементов (FEA) термомеханического напряжения помогает предсказать усталость припоя и дрейфование при тепловом цикле. Многие проектные команды теперь используют интегрированные платформы, которые одновременно имитируют электрическое, тепловое и механическое поведение, резко сокращая количество итераций физического прототипирования.

Проверка выходит за рамки моделирования: всегда стройте функциональные тестовые транспортные средства (телевизоры) с репрезентативными размерами матрицы и нагрузками мощности. Измеряйте целостность сигнала с помощью рефлектометрии во временной области (TDR) и тепловые характеристики с инфракрасными камерами или термопарами. Инвестиции в раннее прототипирование часто окупаются многократно, улавливая ошибки макета, которые моделирование - независимо от того, насколько подробно - может пропустить.

Заключение

Проектирование многочиповых модулей и интегрированных систем на ПХД - это дисциплина, которая требует равного творческого подхода и строгости. Решая вопросы размещения компонентов, управления тепловыми потоками, электрических характеристик и технологичности с самого начала, инженеры могут поставлять модули, которые отвечают агрессивным целям производительности, оставаясь при этом экономически эффективными для производства. Тенденция к 2,5D и 3D-интеграции будет только усиливаться, делая моделирование и мультифизический анализ еще более критичными. Оставаться в курсе отраслевых стандартов, использовать передовые материалы и тесно сотрудничать с производственными партнерами - это ключи к успеху в этой сложной, но полезной области.

Независимо от того, разрабатываете ли вы SiP для носимого устройства или MCM для защитного радара, принципы, изложенные здесь, будут направлять ваше решение. Начните с четкой планировки пола, имитируйте тепловое и электрическое поведение перед макетом и всегда проектируйте с учетом конечного теста. При этом вы будете производить надежные высокопроизводительные системы, которые соответствуют требованиям сегодняшних приложений и завтрашним инновациям.