Инновации в упаковке для компактных модулей ADC на борту (cob)

Эволюция упаковки на борту в высокопроизводительных модулях ADC

Аналоговые-цифровые преобразователи (ADC) являются критическим мостом между аналоговым миром и цифровой обработкой в бесчисленных электронных системах. От медицинских изображений и телекоммуникаций 5G до автономных транспортных средств и промышленной автоматизации спрос на более высокое разрешение, более быстрые показатели выборки и более низкое энергопотребление продолжает усиливаться. В то время как достижения архитектуры ADC, такие как последовательные приближения регистра (SAR) и топологии дельта-сигма, получают много внимания, технология упаковки, в которой хранятся эти кремниевые матрицы, стала одинаково ключевой. Упаковка чипа на борту (COB), когда-то нишевая техника для простых схем, стала краеугольным камнем для создания компактных высокопроизводительных модулей ADC. Недавние инновации в процессах COB, материалах и межсоединениях позволяют создавать модули ADC, которые были невообразимы десять лет назад, обеспечивая беспрецедентную целостность сигнала, тепловые характеристики и миниатюризацию.

Понимание основ упаковки Chip-on-Board (COB)

Упаковка COB принципиально отличается от традиционных методов дискретной упаковки, таких как четырехплоскостная не-свинцовая (QFN), шаровая решетка (BGA) или пластиковые двойные рядные упаковки. В обычной упаковке полупроводниковый штамп сначала инкапсулируется в отдельную упаковку, в комплекте со свинцовыми рамами или паяльными шариками, которые затем устанавливаются на печатную плату (PCB). COB устраняет промежуточную упаковку, устанавливая голый штамп непосредственно на подложку - обычно стандартную или пользовательскую ПХБ - с использованием проводящих клеев или эвтектического штампа. Электрические соединения производятся через тонкие золотые или алюминиевые провода связи (проводное склеивание) или через шипы сгиба, которые соединяют штамп лицом вниз к подложке (flip-chip COB).

Прямое крепление обеспечивает несколько фундаментальных преимуществ. Устранение корпуса упаковки снижает индуктивность и емкость паразитов, удаляя дополнительные длины проводов связи и формованные диэлектрики соединения. Это особенно полезно для высокоскоростных сигналов ADC, где даже пикосекунды задержки или нановольты шума могут ухудшать производительность. Термическое управление также улучшается, потому что задняя часть матрицы (или передняя часть, в флип-чипе) может непосредственно подвергаться воздействию теплоотвода или теплопроводности через структуру, а не проводить тепло через пластиковую упаковку. Кроме того, общий след резко сокращается - модуль COB ADC может занимать менее одной трети площади традиционно упакованного эквивалента, позволяя многоканальные массивы в плотных форм-факторах.

Однако упаковка COB также создает проблемы: голый штамп уязвим для механического напряжения, влаги и загрязнения. Требуется инкапсуляция с эпоксидными или плотинно-заполнительными соединениями, а для предотвращения растрескивания или расслоения необходим тщательный коэффициент теплового расширения (CTE), соответствующий кремниевому штампу, субстрату и инкапсулятору. Эти проблемы привели к инновациям, которые касаются надежности при сохранении преимуществ производительности.

Последние инновации в COB-упаковке для модулей ADC

За последние пять лет произошел всплеск инноваций, специально разработанных для модулей ADC, упакованных в COB. Эти достижения направлены на ключевые узкие места плотности, управления температурой, целостности сигнала и технологичности. Ниже приведены наиболее важные разработки.

Усовершенствованный стекинг и 3D-интеграция

Современные АЦП высокого разрешения часто требуют как аналоговых фронтальных, так и цифровых этапов обработки сигналов. Традиционно они были изготовлены на отдельных кристаллах и упакованы бок о бок. Последние инновации COB теперь позволяют вертикальное укладывание нескольких кристаллов ADC, таких как ядро SAR с тонким разрешением, сложенное на модуляторе дельта-сигма, с использованием сквозных кремниевых свай (TSV) или медных микрокачков. Этот метод 3D-интеграции упаковывает больше функциональности в один и тот же след, уменьшая при этом расстояния между соединениями между аналоговым и цифровым секциями, тем самым уменьшая паразитные эффекты, которые могут повредить аналоговый сигнал. Например, 16-битный модуль 1 GSPS ADC может включать аналоговое ядро, цифровой фильтр и источник опорного напряжения в одном компактном стеке COB, достигая соотношения сигнал-шум, которое конкурирует с более крупными гибридными модулями.

Улучшенные тепловые интерфейсы и субстратные материалы

Теплодиссипация является критической проблемой в плотно упакованных COB-сборках. ADC-смертники могут рассеивать несколько ватт, и с несколькими стекированными матрицами плотность теплового потока существенно увеличивается. Инновации в материалах теплового интерфейса (TIM) включают эпоксидные эпоксиды с высокой теплопроводностью, заполненные нитридом бора или алмазными наночастицами, а также спекаемые серебряные пасты, которые образуют металлическую связь между матрицей и подложкой. Кроме того, развиваются подложки ПХБ: традиционные FR-4 заменяются изолированными металлическими подложками (IMS) или керамически заполненными ламинатами (например, Rogers 4350B), которые обеспечивают теплопроводность 2-4 Вт / м · К против 0,3 Вт / м · К для FR-4. Некоторые COB-модули теперь встраивают медные вставки монет непосредственно под матрицу, чтобы обеспечить путь с низкой термической устойчивостью к задней части платы или теплоотводу.

Микро-накачки межсоединений и гибридные связи

Для сгибательных COB-сборок тенденция к меньшим и более надежным шишкам. Микробампы медных столбов диаметром до 20 мкм и шагами 40 мкм теперь распространены, обеспечивая более низкое сопротивление и индуктивность, чем традиционные шишки припоя. Последний прорыв - это гибридная связь - прямая связь медь-медь, образующаяся при низких температурах без припоя, - которая достигает еще более тонкого шага и устраняет риск образования вакуума припоя или электромиграции. Для проводных COB инновации включают обратное связывание и ленточное связывание с использованием золотых или медных лент, в два-три раза превышающих ширину стандартных проводов связи, снижение индуктивности петли и улучшение обработки тока для энергоемких модулей ADC.

Интегрированные пассивные компоненты и система в пакете (SiP)

Для дальнейшей миниатюризации модулей ADC пассивные компоненты, такие как депарационные конденсаторы, шунтирующие резисторы и фильтрующие индукторы, теперь встраиваются непосредственно в подложку COB. Вместо установки дискретных 0402 или 0201 поверхностно-монтажных компонентов производители включают тонкопленочные резисторы или многослойные керамические конденсаторы (MLCC) в слои ламинирования PCB. Эта интеграция уменьшает общий размер модуля, сокращает путь между кристаллом и его компонентами смещения (повышая целостность мощности) и улучшает высокочастотную депарафинг. Некоторые продвинутые модули COB интегрируют всю функцию нескольких дискретных компонентов в один слой подложки с использованием встроенной пассивной технологии (EPT), достигая 50% сокращения площади модуля по сравнению с дискретными конструкциями.

Передовые методы засыпки и инкапсуляции

Защита хрупких штампов и проводных связей от несоответствия влаги, удара и КТЭ имеет важное значение. Новые материалы для засыпки с низким упругим модулем и высокой адгезией к материалам для засыпки и подложки были разработаны специально для COB ADC. Непроточные засыпки и капиллярные засыпки разработаны для минимизации пустот и обеспечения равномерного покрытия вокруг микрошариков. Для устройств с проволочной связью эпоксидные связки с добавлением наполнителя кремнезема не только обеспечивают механическую защиту, но и улучшают распространение тепла. Последние инкапсуланты могут применяться в виде пленки (пленка-ассистированная формовка), что позволяет точно формировать вокруг стопки кристаллов, что позволяет более тонкие профили для приложений с ограничением по высоте, таких как смартфоны и носимые медицинские датчики.

Упаковка чипов уровня Wafer-Level (WLCSP) для модулей ADC

Расширяя концепции COB до уровня пластин, упаковка на уровне пластин чип-масштабирования (WLCSP) создает полную упаковку для каждого смерча, пока еще на пластине. Слои перераспределения (RDL) добавляются непосредственно на пассивацию смерчей, и припайные шары прикрепляются, позволяя сдавать смерч непосредственно на поверхность на печатной плате без промежуточной подложки. Для ADCs WLCSP еще больше уменьшает паразитические вещества упаковки, обеспечивает наименьший возможный след (по существу, сам размер смерча) и поддерживает производство большого объема по низкой цене. Недавние инновации включают низкодиэлектрические постоянные материалы RDL, которые минимизируют потерю сигнала на высоких частотах, что делает WLCSP подходящим для многогазампленых ADC.

Преимущества этих инноваций для производительности ADC и системного дизайна

Совокупный эффект этих инноваций COB приводит к ощутимым преимуществам для конечных пользователей и системных дизайнеров.

Миниатюризация, которая позволяет создавать новые системные архитектуры

Уменьшенный размер модуля позволяет системным проектировщикам включать больше каналов ADC в пределах одной области платы. В фазированных радиолокационных станциях или массивных базовых станциях MIMO 5G, например, требуются сотни каналов ADC. Модули COB размером всего 5 мм × 5 мм могут быть размещены на плотной сетке, что позволяет формировать луч и обрабатывать сигнал на краю антенны. Аналогичным образом, портативные ультразвуковые системы получают выгоду от 128-канальных массивов ADC, которые помещаются на одну ручку датчика изображения, уменьшая количество кабелей и улучшая качество изображения.

Улучшенная целостность сигнала для более высокого разрешения и скорости

Более низкие паразиты из коротких проводов связи или мелкого смыкания означают более чистые пути сигнала. 14-битный ADC, работающий на 2 GSPS, может поддерживать свое эффективное количество битов (ENOB) выше 12 бит при упаковке в COB, тогда как обычный пакет BGA может потерять два бита из-за деградации сигнала от емкости трассировки пакета. Улучшенное управление температурой также снижает дрейф температуры, поддерживая постоянную производительность в рабочем диапазоне. Для приложений точного измерения, таких как цифровые осциллографы или автоматизированное испытательное оборудование (ATE), шумовой пол может быть поднят ниже −100 дБФС.

Повышение надежности в суровых условиях

Модули COB с передовыми субстратами с недостаточным наполнением и CTE демонстрируют отличную надежность при тепловом цикле, вибрации и влажности. В автомобильных и аэрокосмических приложениях способность выдерживать температурные колебания от -40 ° C до +125 ° C без растрескивания кристаллов или усталости соединительного провода имеет решающее значение. Последние инкапсуланты также обеспечивают устойчивость к агрессивным химическим веществам и солевому распылению, расширяя использование COB ADC в бурении нефти и газа, скважинном приборостроении и военной электронике.

Эффективность производства и снижение затрат

В то время как упаковка COB исторически требовала большей ручной обработки и тщательного управления процессом, достижения в области автоматизации (такие как выбор и место для голых штампов и автоматическое связывание проводов со скоростью, превышающей 20 связей в секунду) снизили затраты на рабочую силу. Устранение производства дискретной упаковки и возможность интеграции пассивных веществ непосредственно в подложку снижают общий объем материалов. Для объемов производства более 10 000 единиц в год сборка COB может быть на 30% дешевле, чем обычная упаковка, при рассмотрении общей экономии затрат на уровне системы от сокращения пространства на плате и упрощенной маршрутизации.

Ключевые области применения инноваций COB ADC

Телекоммуникации и радио, определяемые программным обеспечением

5G и выше требуют АЦП с полосой пропускания более 1 ГГц и динамическим диапазоном, достаточным для оцифровки нескольких носителей одновременно. Модули COB со встроенными пассивными и высокотеплопроводящими подложками теперь стандартны в удалённых радиоголовках (RRH) и малых ячейках. Возможность интеграции АЦП с цифровыми преискативными (DPD) петлями обратной связи в одном пакете снижает задержку и упрощает конструкцию платы.

Медицинская визуализация и диагностическое оборудование

Портативные ультразвуковые, цифровые рентгеновские и МРТ-приемники требуют малошумных АЦП с высоким разрешением в малых форм-факторах. Инновации COB позволили 16-битным 250 АЦП MSPS, которые вписываются в область 1 см2, что позволяет оцифровывать многоэлементные преобразователи непосредственно на датчике. Это уменьшает деградацию аналогового кабельного сигнала и позволяет более точно реконструировать изображение.

Автомобили с улучшенными системами помощи водителю (ADAS)

Системы ADAS на основе LIDAR, радара и камеры требуют ADC с высоким динамическим диапазоном и широким диапазоном рабочих температур. Модули COB с надежными недозаполненными и CTE-инженерными подложками проходят тесты надежности AEC-Q100. Компактный след позволяет интегрироваться в камеры бокового обзора и установленные на крыше блоки LIDAR без ущерба для производительности.

Сети промышленных датчиков и IoT

Автоматизация завода, вибрационный мониторинг и датчики сбора энергии получают выгоду от сверхнизкоэнергетических COB ADC. Последние инновации в упаковке на уровне пластин позволили ADC с энергопотреблением ниже 1 мВт при отборе проб по 10 кСПС, подходящих для беспроводных датчиков с батарейным питанием. Небольшой размер позволяет встраиваться в корпус датчика, уменьшая кабели и упрощая установку.

Проблемы и ограничения современных технологий COB

Несмотря на множество преимуществ, упаковка COB для модулей ADC не лишена препятствий. Тепловое управление остается основной проблемой при укладке нескольких мощных матриц; даже с продвинутыми TIMs термостойкость эпоксидного слоя может стать узким местом. Дизайнеры должны тщательно моделировать тепловые пути и иногда включать в себя паровые камеры или жидкое охлаждение для самых требовательных приложений. Целостность сигнала на уровне межсоединений может быть нарушена, если длина провода связи превышает 1 мм или высота бугона слишком грубая. Расширенные инструменты моделирования (например, Ansys HFSS) в настоящее время используются для оптимизации компоновки COB, но это добавляет время итерации проектирования. Тестируемость Тестируемость является другой проблемой — тестирование на голый кости более сложно, чем тестирование упакованных IC,