3D Ambalaj Teknolojilerine Giriş

Daha küçük, daha hızlı ve daha enerji verimli elektronik sistemlere doğru iten, analog-dijital dönüştürücüler (ADCs) kablosuz iletişim, tıbbi görüntüleme, endüstriyel otomasyon ve bağımsız sistemler her zamankinden daha yüksek çözünürlük ve daha geniş bant genişliği talep ediyor, geleneksel planlayıcılar üç boyutlu (3D) ambalaj teknikleri, ADC'lerin nasıl tasarlandığı ve dağıtıldığı yeniden şekillendiriliyor.Bir sonraki elektriksel ölçüm sistemleri için, dinamik bir azalma sağlar.

ADC Miniaturization için Vaka

ADC miniaturizasyon, Moore'un Kanun ölçeklendirmesi ile birliktelemenin yakınlaştırılması ile gerçekleştirilir. Portreatif tıbbi cihazlar, Nesnelerin İnterneti (IoT) sensörler, havacılık aletleri ve 5G altyapısı, her zaman en az yönetim alanı işgal eden paketlerde yüksek performans veri dönüştürme gerektirir.Toktors yasasının geleneksel yaklaşımı, kuvvet tüketimi ve alanı azaltırken lineerliği artırmak zorundadır.

Sistem-in-package (SiP) ve heterojen entegrasyon, bu hedeflere ulaşmak için pratik yollar olarak ortaya çıktı ve 3D ambalaj, yüzlerce veya binlerce ADC kanalının uygun olduğu en agresif form faktörü azaltımı sağlar.

3D Ambalaj Teknolojileri: Teknik Bir Genel Bakış

-Silicon Vias (TSVs)

- ⁇ vias, silikon substratı veya ölüler aracılığıyla tamamen geçen dikey elektrik bağlantılarıdır, minimum bağlantı uzunluğu ile birden fazla çipin doğrudan yığınını sağlar. TSVs uzun tel bağlarını ve ped-pad-pad-to-pad entegrasyonunu kısa dikey yollar ile azaltır, parasitik kapasitans ve indükleme emirleri ile azaltır. ADCs için, bu doğrudan sinyal bütünlüğüne, daha düşük gürültü darbesine ve yüksek çözünürlükte bir örnekleme oranlarına dönüşür. TSV tabanlı 3D entegrasyon zaten yüksek performanslı bellek yığınlarında kullanılır ve analog performansların kritik olduğu giderek daha fazla şekilde karıştırılır.

Interposer-Based Stacking

Silikon arakanları, yüksek kapasiteli kontraseptörler, güç yönetimi devreleri veya hatta bir sinyal kablosu içeren bir orta substrat sağlar.For ADC modülleri, bir interposer sadece metal tabakaları ve vias, aktif Interposers, tek bir kompakt montajdaki bileşenler ve dijital arayüzler gibi gömülü bileşenleri içerebilir.Bu, tüm yolları, genel sistemi geliştirmek için yollar.

Fan-Out Wafer-Level Ambalaj (FOWLP)

Fan-out wafer- level paketleme, paketin girişi / yeraltı suyu ile daha büyük bir alanda bir kalıplanmış epoxy bileşik kullanarak bir araya gelmeleri (RDLs) Ayrıca paket içindeki birden fazla pasif bileşene ihtiyaç duyarken, daha fazla ısı performansı azaltır.For ADCs için, FOWLP, yüksek pin ve ince perde bağlantılarını desteklerken ultra-thin paketlerine uygun şekilde sağlar.

Hibrit Taht ve Doğrudan Cu-Cu Interconnects

Hibrit bağ, aynı zamanda doğrudan bağlantı bağlantı olarak da bilinir (DBI), uzun süreli bağlantıların veya dijital kalibrasyon ve düzeltme mantığının bir kombinasyonunu kullanarak ölmenin kalıcı bağlar oluşturur.Bu teknik, yüksek frekanslı performansı geliştirir ve bağlantıdaki yüksek yoğunlukları azaltır.For ADCs, hibrit bağlar, doğrudan bağlantının yığılmasına izin verir.

Gömülü Köprü Teknolojisi

Gömülü köprü teknolojisi, yüksek yoğunlukla bitişik bir ölüyü bağlanmak için küçük silikon köprüyü ölüp, yüksek hıza kadar uzanan bir paket substratı içinde gömülüyor.Bu yaklaşım, yüksek hızda veri dönüştürme zincirleri ve tamamen monolithic bütünleme arasında orta bir zemin sağlıyor.ADC sistemleri için, gömülü köprüler dönüştürücüyü daha yavaş, coarser substrat katmanlarıyla devre dışı bırakmak için bağlanabilir.

ADC Performans Parametrelerine Etkisi

Signal Integrity ve Gürültü Azaltımı

ADC için 3D ambalajın en önemli avantajlarından biri, bu parasitics'i bir boyuta indiren ve takip eden ADC'lerin yüksek oranda analog sinyallerin ve kapasitesinin en yüksek frekanslarda, özellikle de 3D yığınlarında dikey bağlantıların bu parasiticsin bir sırasını büyük ölçüde azalttığı, analog sinyalin sadakatini korumak için kritik öneme sahip olduğu anlamına gelir.

Güç Verimliliği

ADC'lerde güç tüketimi doğrudan bağlantı kapasitesi ve bağlantı direnci ile ilgilidir.Her ikisine de azaltarak, 3D ambalajlar, dönüşüm sırasında şarj ve deşarj için gerekli olan enerjiyi azaltır.Fort-imasyon-instagram (SAR) ve boru hatları ADCs, yüksek çözünürlükte güç veren ve dijital mantık hakimliği, gürültünün altındaki tasarrufların altında tutulması gereken miktarın% 10 ila% 30'a kadar azaltılabilir.

Termal Yönetim

Aktif ölüleri dikey olarak ısı üretimi daha küçük bir hacimde yoğunlaştırır. Uygun termal tasarım olmadan, bu doğrudan ADC performans ve güvenilirlikleri yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte ısıtabilir.Ancak, 3D paketlemeler, yenilikçi termal konduits, bu termal mikrofluidic kanalları dahil etmek için gereklidir.

Band Wide and Sampling Rate

Otomatik olarak yapılan bağlantı uzunluğu ve daha düşük parasitik tepki 3D paketler doğrudan daha yüksek bant genişliğini ve daha hızlı örnekleme oranlarını destekler. ADC ön uçları aksi takdirde dikkatli bir şekilde uyumsuz ve sinyallendirme işlemi, dönüştürücünün analog giriş arayüze yakın olduğu zaman basitleştirilebilir.For time-intereard ADC dizileri için, birden çok dönüştürücü çekirdekler merdiven sinyalini merdivenli zamanlaması, senkronizasyon ve routing karmaşıklığı önemli ölçüde azaltılabilir.Bu, sabitleme ve hata düzeltme oranlarına yakın bir şekilde azaltılabilir.Bu, skew ve yanlış bir şekilde küçültülme sorunları için izin verir.

Uygulama Alanları 3D-Packaged ADCs'den faydalanıyor

5G ve Millimeter-Wave İletişim

Sonraki nesil kablosuz sistemler, ADC'nin 1 GHz'yi aştığını ve 10-14 bitleri kararlarını gerektirir. 5G baz istasyonlarında kullanılan fazlı antenler ve uydu terminalleri, maksimum kanal içi kanalları talep eder. 3D ambalajlama alanı ADC'nin entegrasyonunu sağlar, aşağılayıcı ve dijital kirişleme mantığını her kanalda azaltır.

Tıbbi Görüntüleme ve Tanılar

Ultrasound probes, optik koherence tomografi (OCT) sistemleri ve tüm portatif tanı cihazları fiziksel olarak kısıtlanmış form faktörlerinde gerektirir. 3D paketleme, gerekli kanal yoğunluğuna ulaşmak için çok kanallı ADC'nin entegrasyonunu sağlar.

Havacılık ve Savunma

Elektronik savaş, radar ve sinyalleri istihbarat sistemleri mevcut en yüksek performans ADC'leri talep ediyor. Bu uygulamalar genellikle UAVs, uydular veya taşınabilir zemin istasyonlarında konuşabilen 12-16 bit çözünürlük gerektirir.3D paket, savunma yüklenicilerinin aşırı sıcaklık ortamlardaki operasyonlarını bir araya getirmelerini sağlar.

Industrial IoT ve Otomasyon

Titreşim izleme, güç kalitesi analizi ve süreç kontrolü, algılama elemanına yakın dağıtılmış veri dönüştürme gerektirir. 3D-packaged ADCs, makinede veya sert ortamlarda dağıtılabilen kompakt sensör modülleri sağlar. ADC'nin tek bir paketteki entegrasyonu genel sistem karmaşıklığına ve güvenilirliği azaltır.

Üretim Challenges and Solutions

Geri ve Maliyetleri

3D ambalaj, yüksek değer uygulamaları için uygun olan seviyeler için ek işlem adımlarını sunar, ancak, TSV formasyon, hizalama, yapıştırma ve yükleme altında.Her adım maliyet ve potansiyel verim kaybı ekler.ADCs için, analog performans tam olarak uygun eşleştirme ve düşük kusurlar için, üretim zorlukları, yüksek kaliteli ürünler için maliyetin düşük olduğu durumlarda, yüksek kaliteli tasarruflar için genellikle uygun fiyatlı sistem seviyesindeki tasarruflar için daha akuttir.

Test ve Bilinen-İyi-Die Gereksinimler

Bireysel olarak çöpe çıkmadan önce bireysel ölmeyi izlemek, kabul edilebilir son verilere ulaşmak için kritiktir. ADCs için, bu, yüksek hızlı karma test ekipmanının karar verme, lineerlik, gürültü ve dinamik performans için yüksek performanslı bir test cihazı gerektirir.Her katmanını 3D paketler komplikasyonu olmadan doğrulamak için gereklidir, endüstri standartlaşmış cihazlar için standartlaştırılmış test arayüzleri ve özellikle de karma cihazlar için protokoller için standarttır.

Güvenilirlik ve Termal Bisiklet

Mekanik stresler, betonlu havalemanları ile farklı ısı genişletme katları ile getirilen malzemelerle ortaya çıkabilir (CTE) bu sorunları tekrar eden ısınabilir veya düşük sıcaklık bağlantılarında ve stres-relief yapılarında son gelişmeler, geleneksel paketlemelerle karşılaştırılabilir 3D paketlerin güvenilirliğini arttırmıştır.

Termal Yönetim Çözümleri Çözümleri

Daha önce tartışılan gibi, termal yönetim hem bir meydan okuma hem de 3D-packaged ADCs'de bir fırsat. Pratik çözümler, yüksek güç uygulamaları için ara sıra, yüksek güç uygulamaları için mikro kanal sıvı soğutma entegrasyonu, yüksek güç uygulamaları için de kullanılabilir ve 3D yığınağın uygulanması için tasarlanmıştır.

Future Yol ve Araştırma Frontiers

Gelişmiş Malzemelerin Heterojen Entegrasyonu

Future 3D-packaged ADCs muhtemelen farklı yarı iletken teknolojiler için optimize edilmiş olan ölüleri farklı işlevlerin için entegre edecek. Örneğin, analog ön uç, uygun olmayan süreçten dolayı yüksek yoğunlukta bulunan SiGe veya GaAs süreci ile gelişmiş lineerlik ve bant genişliği için, dijital mantık daha düşük enerji ve yüksek yoğunluk için gelişmiş CMOS düğümleri kullanır. 3D paketleme, bu heterojen entegrasyon pratik hale getirir.

Güzel-Pitch Interconnect Scaling

3D paketlerdeki dikey bağlantı noktası, grafik veya karbon nanotüplü yüzeylerdeki alt-mikron boyutların daha yüksek yoğunluk ve daha düşük parasitoz, daha ileri bağlantılar, ADC performansını geliştirmek için gerekli olabilir.

Monolithic 3D Entegrasyon

Daha ileri bakmak, her biri için birden çok aktif cihazın katmanlarını inşa eden monolithic 3D entegrasyon süreçleri, ayrı bir ölü bağının ihtiyacını ortadan kaldırabilecektir. ADCs için, bu, analog ve dijital bölümlere her biri için optimize edilmiş işlem koşullarını sağlama konusunda söz verir. dikey bağlantılar, yoğunluk ve performansta nihai olarak oluşturulacaktır.

3D-Packaged ADCs için AI-Driven Design Otomasyon

3D-stacked ADCs'leri tasarlamak, çoklu katmanları, termal kısıtlamalar ve sinyal bütünlüğü göz önüne alındığında, makine öğrenimi ve AI tabanlı tasarım araçlarının benimsenmesini sağlar.Bu araçlar TSV'lerin yerleştirilmesini optimize edebilir, güç ve zemin uçaklarının tahsis edilmesi, kritik analog sinyallerin devrini ve termal yönetim stratejisini daha küçük hale getirir.

Standartlaştırma ve Ekosistem Geliştirme

ADC için 3D ambalajın benimsenmesi endüstri girişimleri tarafından arayüzler, test protokolleri ve tasarım kuralları ile destekleniyor. 3DIC Alliance, Heterogeneous Integration Roadmap ve IEEE'nin parçalanması ve multi-vendor tedarik zincirlerinin artırılması için destekleniyor.ADC tasarımcıları için, bu, daha geniş bir interposers, bağ hizmetleri ve test çözümlerine erişim anlamına geliyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Gelişen 3D ambalaj teknolojileri temel olarak ADC'lerin tasarlandığı, üretildiği ve dağıtıldığı şekilde tasarlanmıştır.Dörtücüler, interposers ve pasifler, bu teknikler sinyal bütünlüğünde önemli azalmalar sunar, güç verimliliği ve termal yönetim.En etkili gelişmeler arasında, önceden belirlenmiş, tabanlı çöp toplama, fan-out wafer- level paketleme ve karma bağlar, her biri farklı ADC mimarisi ve uygulama gereksinimleri için eşsiz avantajları sunar.

Modern sistemlere kritik performans parametrelerini genişletin: daha yüksek bant genişliği, daha düşük gürültü, güç tüketimi ve daha işlevsel yoğunluk. 5G iletişim, tıbbi görüntüleme, havacılık savunma ve endüstriyel IoT, geleneksel paketleme ile imkansız olacak performans seviyelerini elde etmek için zaten 3D-packaged ADCs kullanıyor.

İleriye bakıldığında, bağlantı noktasının sürekli ölçeklendirilmesi, heterojen malzemelerin entegrasyonu ve analog tasarım ve gelişmiş paketleme bağlantılarında çalışan mühendisler için, fırsatların daha da önemli olduğunu ifade eden ADC miniaturization, yüksek performanslı veri dönüştürme araçları ve endüstri standardizasyonunu 3D paketleme teknolojilerine genişletecek, onları daha geniş bir ürün ve uygulamalar için uygulanabilir bir avantaj sağlayacaktır.

Elektronik sistemler için 3D entegrasyonun teknik temelleri hakkında daha fazla okuma için, ESRAT:0)IEEE International Roadmap for devices ve sistemler için), ambalaj yol haritaları ve teknoloji hedefleri hakkında ayrıntılı bilgi sağlar. TSV tabanlı ADC uygulamaları hakkında ayrıntılı bilgi edinilebilir[DIC AllianceDIC Alliance).