Multi-chip Modülleri (mcms) ve Tümleşik Sistemler için Tasarım

MultiChip Modül ve Sistem-PCB Design'a Giriş

Daha yüksek performans için sürekli zorlama, daha küçük form faktörleri ve daha düşük güç tüketimi çok-çip modüller (MCMs) ve basılı devre kurulları (PCBs) modern elektroniklerin temel taşı olan sistem düzeyindeki performansları azaltır. Geleneksel tek-çizgi paketler, MCMs, elektrik, analog, RF veya sensörler - bir paket veya ortak bir pakete, dramatik olarak son üretim için bağlantı kurmalı performansları azaltın.

Mühendisler ticaretten bir maze yollamak zorunda kalacaklar: yüksek güç, sıcak noktalar yaratmadan nasıl ölürler, havacılık radar modüllerinden tüketiciye kadar her şeyi tüketiciye yükseltme sistemiyle paketleme (SiP) cihazlara kadar geliştirmek için hızlı bir şekilde test edilebilir ve bir ölçekle bir araya getirilir. Bu makale, MCM'ler ve entegre sistemler için kritik tasarım göz önüne alındığında, her şeyi havacılık radar modüllerinden pazarlamacılara kadar yönlendirmek için en iyi şekilde rehberlik eder.

MCM ve PCB Entegrasyonu için Anahtar Tasarım

Başarılı bir MCM veya bütünleşik sistem tasarımı dört birbirine bağlı sütunlara sahiptir: bileşen yerleştirme ve bağlantı, termal yönetim, elektrik performansı ve sinyal bütünlüğü ve test ile üretilebilirlik.Her bir yığın diğerini etkiler; neredeyse her zaman pahalı yeniden tasarım veya alan başarısızlıklarına yol açar.

Kompiyon ve Interconnects

Açık ölülerin stratejik yerleşimi ve pasif bileşenler herhangi bir MCM düzeninin temelidir. birincil hedef, kritik işlevsel bloklar arasındaki fiziksel mesafeyi en yakın bellek - daha sık kullanılan yönlendirme kanalları gerektirir - bu yolları daha az hassas bileşenler koymadan önce rezerve etmelidir.

Interconnect teknolojisi seçimi, hem elektrik performansı hem de montaj verimini derinden etkiler. Geleneksel tel bağı düşük I / O cihazlar için maliyetle etkisiz kalır ve orta hızları halledebilir, ancak telleri üst düzeye çıkarır ve yüksek frekanslı uygulamalar için, dönüştürücü-çalışlı bir çip (kontrollü) daha gelişmiş depolama katmanları ile daha sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan yüksek çözünürlükte sağlar.

Mekanikleri yerleştirdiğinizde, güç ve zemin uçaklarını takip etmeyi düşünün. Katı bir güç dağıtım ağı (PDN) her bir dijital bazanda veya VD ve GND için tahsis edilen gizli analog sinyallerin dijital gürültüyü önlemeye yardımcı olur.Her zaman PDN'in gücünü kullanarak uyarılandırır.

Termal Yönetim

MCM'lerde ısı yoğunluğu 100 W/cm2'yi geçebilir, özellikle yüksek performanslı işlemciler, güç yükselteçleri veya FPGA'lar ortaktır. Etkili termal yönetim olmadan, bağlantı sıcaklıkları hızla yaklaşıp, hızlanan elektromigrasyonu hızlandırabilir ve savunma arasındaki zamanı azaltır (MTBF).

Isık vias, PCB tabanlı MCM'lerin bir elyaftır. Güç altındaki viaslerin parçalarıyla ısıtılır ve onları iç bakır uçaklara bağlarken, ısı, tahtadaki bir ısıt veya ısı yayıcı ile birlikte (MCMs'de kullanılan) bir arayüz ısı yoğunluğuna sahiptir; çok az sayıda kişi daha fazla ısı direnci azaltır.

Gelişmiş termal çözümler, gömülü ısı boruları, mikro kanal soğutma ve yüksek enerjili yüksek iletkenlik substratlarının alüminyum nitrit (AlN) veya silikon elyaf (SiC) 03:0) Tasarım aşamasındaki kombinasyon, fiziksel ölçümlerle (örneğin, diyotlar ile) test edilen ölçümleme sonuçları ile ilişkili olarak ilişkili olarak tanımlanır.

Elektronikte termal yönetim stratejilerine genel bakış için, Elektronik:0)Electronics Soğutma web sitesi) vaka çalışmaları ve en iyi uygulamaları sağlar. Ek olarak, IPC'nin standartULLT:2).I-PC2221), PCB'lerde genel tasarım kılavuzları sunar.

Elektrik Performansı ve Signal Integrity

Signal bütünlüğü (SI) ve güç bütünlüğü (PI) belki de MCM tasarımının en zorlu yönleridir.Diferansiyel çiftlerin on ikisinde kenar oranları ile bu genellikle 90-100 {{ anlamına gelir; tek yönlü hatların her milimetresi, 50 ULLAH en yaygın hedeftir.

[[D:0)Layer çöp tasarımı, sinyal kalitesini korumak için en etkili eylemdir.[CD 1:0] Yüksek hızlı sinyal katmanlarının sağlam referans uçaklarına (GND veya VDD) sahip olduğu yüksek frekanslı (GND veya VDD) geçiş yolu ve en azametleri kullanarak, yüksek çözünürlükte 3000 veya 4000 serisi için mikrostriptli devreleri kullanın.

Konseratörler temiz bir PDN'i korumak için gereklidir.Farklı değerlere sahip bir dizi kapasitör yerleştirin (örneğin, 100 nF, 10 nF, 1 nF) her bir ölü güç range. Aşırı yüksek frekanslı eğimli tabakaları kapsayacak şekilde, yüksek çözünürlükte (üstelikli yüksek çözünürlükte) ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (örneğin, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte sabitlenebilir.

Dağcılık ve izolasyon teknikleri analog ve dijital alanları karıştırırken kritiktir. Ortak bir strateji, elektromanyetik (EM) kullanan hassas analog blokların zemin düzlemde tutulması ve geri dönüş kaybından kaçınması gerekir; birçok kişi 3D alan çözücüleri için tasarlanmış 3D alan çözücüleri sunar.

Manufacturability and Test

Manufacturability (DFM) için tasarım ve test için tasarım (DFT) yüksek hacimli bir MCM'yi yüksek hacimli bir üründen uzaklaştırmak için, MCM'lerin karmaşıklığı - çok fazla bitmek, iyileştirici malzemeler - küçük bir montaj hatasının bile tam modülün başarısızlığına neden olabilir.

[FONT:0)Test erişimi özellikle MCM'lerde zorlanır, çünkü birçok iç düğümler doğrudan erişilebilir değildir.[D: 1) Bazı durumlarda iyi bir ölüyü (KGD) montajdan önce test puanları içerir, ancak işlem sırasında sınır tarama (IEEE 1149.1) veya yüksek riskli uygulamalar için (örneğin, tıbbi tasarımcılar) bazen küçük bir devreler oluşturabilir veya MCM'nin tek bir montaj için test noktalarına dahil edilir.

Assembly toleransları dikkatlice belirtilmelidir. Wire Connection, iyi niyetli bir şekilde bileşenleri eklemek için kullanılabilir; tasarım döngüsünde erken yükleme işleminizi sağlar; tasarım aşamasında küçük bir değişiklik maliyeti bir araya getirilir. Sıcak-bar satering veya gelişmiş geri dönüş fırınları, iyileştirici ile yapıştırılır.

[FONT=0]Surface Mount Technology Association (SMTA)) düzenli olarak MCM montaj sorunları ve çözümleri üzerinde teknik makaleler yayınlar. Ek olarak, JEDEC Katı-devlet teknolojisi birliği) MCM'lere doğrudan uygulanabilir olan paketler ve güvenilirlik testleri için standartlar sunar.

Gelişmiş Ambalaj Teknolojileri: 2.5D ve 3D Entegrasyon

Geleneksel MCM - birkaç telli koymak veya bir laminat substratı üzerinde ölmek - bu yaklaşım organik laminatlardan çok daha yüksek bağlantı yoğunluk elde etmek için bir yana monte edilir ve yüksek GPU veya ASIC'ler ile birlikte.

3D entegrasyonu bir sonraki adıma işaret ediyor: ölmek dikey olarak, her bir katmanın üzerinden sinyalleri taşıyan TSV'ler ile.Bu avantajlar ayak izi ve bağlantı uzunluğunda dramatik azalmalar, ancak zorluklar her modülün maliyetini aynı derecede önemli hale getiriyor.

Bu engellere rağmen, 3D entegrasyonu zaten yüksek hacimli ürünlerde akıllı bellek yığınları ve görüntü sensörleri gibi kullanılıyor. 3D ile hareket eden tasarımcılar, elektrik ve termal kompülasyon gereksinimleri anlamak için mekanik bir stres getirmelidir.

Simülasyon ve Doğrulama: Çok-Physics Yaklaşım

Modern MCM tasarımı tek başına kurala güvenemez; birden fazla fizik domaini arasındaki simülasyon önemlidir. Elektrik performansı için 3D full-wave EM çözücüleri kullanın (örneğin, Ansys HFSS, CST Studio) modelleme hatları, vias ve ballgrid-array (BGA) geçişleri için.

Termal simülasyon elektrik ve mekanik analiz ile çift olmalıdır. Elektrik simülasyonundan gelen Power haritaları bir CFD aracına yüklenir (örneğin, Flotherm, Buzpak) Sürekli enerji ve geçici sıcaklıklar hesaplamak için.Ing. Power map of termo-mechanical stress helps expected-er-joint yorgunluk ve die design team now use bütünleşik platformları that cosimulate electric, termal ve mekanik davranış aynı anda, dramatik olarak, fiziksel prototyping sayısını azaltır.

Doğrulama simülasyonun ötesine geçer: her zaman temsilci ölü boyutlarda ve güç yükleri ile fonksiyonel test araçları (TV) inşa eder. Zaman domain reflektif (TDR) ve kızılötesi kameralarla veya termo çiftlerle termal performans. erken prototiplemedeki yatırım genellikle, simülasyonu yakalamak için birçok kez geri öder - ne kadar ayrıntılı - özleyemez.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

PCB'lerde çok fazla çip ve entegre sistemler tasarlamak, eşit parçalar yaratıcılığı ve rigor'u talep eden bir disiplindir.Demokülasyon, termal yönetim, elektrik performansı ve manufacturability from outset, mühendisler, bu zorlu amaca ödüllendirici alanda başarıya ulaşmada daha da başarılı olan modülleri teslim edebilir.

Bir giyilebilir cihaz veya savunma radarı için bir SiP geliştiriyorsanız, burada belirtilen ilkeler karar almanızı yönlendirecektir. Açık bir zemin planla başlayın, ayar yapmadan önce termal ve elektrik davranışını taklit edin ve her zaman aklınızdaki son test ile tasarlayabilirsiniz.