Základy návrhu elektrických pouzder (7) Teplotní management návrhu elektronických systémů

Transkript

1 Základy návrhu elektrických pouzder (7) Teplotní management návrhu elektronických systémů

2 Obsah Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr 2

3 Úvod Každý elektronický systém se vyznačuje určitou spotřebou energie. Průvodním jevem je přitom přeměna elektrické energie na energii tepelnou, což znamená, že veškeré elektronické systémy a zařízení jsou ovlivňovány teplem To způsobuje z hlediska vlastní funkce systému změnu pracovních podmínek, a s tím také změnu parametrů Projevem působení tepelné energie je ohřev zařízení a zvýšení jejich teploty. Teplo je generováno: - pasivními prvky (rezistory, kondenzátory atd.), kde vzniká jako vedlejší projev průchodu elektrického proudu (náboje) látkou, nebo jako důsledek polarizačních mechanismů, - aktivními prvky, kde jsou jeho zdrojem zejména polovodičové přechody 3

4 Co je to pouzdření Elektronické pouzdření (pouzdro) je definováno jako veškeré části elektronického systému s výjimkou integrovaných obvodů (čipů). Samotný elektronický systém může být např. PC, laptop, server, ale také zařízení spotřební elektroniky, automobilového průmyslu, spotřebiče, průmyslové přístroje, lékařská elektronika atd. Typický hardware náležející k elektronickému pouzdru zahrnuje substráty (PCB, keramické), veškeré nosiče čipů (chip carriers), konektory, kabely, výkonové zdroje a součástky, ventilátory a větráky, a také kryty, chassis, skříně atd. Pouzdření se netýká jen samotného pouzdra, ale i technologických procesů výroby elektronického systému (od součástek přes vlastní konstrukční řešení a využívání v návaznosti na legislativu).

5 Úrovně pouzdření 1. úroveň - Propojení kontaktních plošek čipu k vývodům pouzdra 1,5. úroveň -Připojení čipu na hybridní integrovaný obvod, multičipový modul, připojení DCA,COB,WLP 2. úroveň - Propojení pouzdra na nosný substrát (základní deska, rozšiřující karta) 3. úroveň - Propojení jednotlivých desek a rozšiřujících karet na systémovou desku 4. úroveň - Propojení mezi deskami ve skříňce zařízení 5. úroveň - Propojení mezi jednotlivými systémovými skříňkami

6 Obsah Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr

7 Tepelný management základ pouzdření Technicky řečeno teplota je míra průměrné molekulární kinetické energie v hmotě. Normálně proudí kinetická energie z místa s vyšší teplotou směrem do místa s nižší teplotou. Tento tepelný tok je nazýván přenos tepla (heat transfer). Proudový tok nebo alternativní elektromagnetické pole způsobuje ve všech elektronických součástkách výkonovou ztrátu, v jejímž důsledku dochází k nárůstu teploty. To ovlivňuje spolehlivost a životnost součástek, jež jsou přímo závislé na tepelném namáhání. Při určité teplotě dochází k nevratnému zničení každé elektronické součástky (typická hodnota maximální pracovní teploty je proto omezena a může být pro polovodičové přechody o C, kapacitory o C, magnetické materiály o C ) Tepelný management a teplotní analýza jsou dnes základní a nedílnou součástí elektronického návrhu.

8 Teplo a teplota Teplo je obecně druhem energie, která v elektronických systémech vzniká ztrátami z energie elektrické, jíž je zařízení napájeno, a proto je na něj nahlíženo jako na ztrátový výkon. Teplota komponent má vliv na celou řadu faktorů (např. na stárnutí a tedy na životnost a degradaci materiálů), které ovlivňují spolehlivost funkce součástek a s tím také celkovou spolehlivost elektronického systému. Změna teploty celého funkčního zařízení a zejména jednotlivých prvků sebou přináší řadu průvodních dějů, jejichž následky se mohou projevit jako: -změny parametrů obvodových prvků (velikost odporu rezistoru, zesílení tranzistoru, změna pracovního bodu zesilovače,...), - vznik termomechanického namáhání pevných spojů (např. vznik pnutí v pájených spojích mezi součástkami a substrátem), - zvýšení pravděpodobnosti vzniku chybné funkce nebo chybového signálu v polovodičovém prvku tepelnou generací nosičů a pod. 8

9 Trend ve výrobě elektronických systémů je stálé snižování rozměrů a zvyšování výkonu - stále vyšší úroveň integrace (více součástek). Obecně v elektronických obvodech platí: s nárůstem pracovního kmitočtu se zvyšuje i počet spínání polovodičových přechodů na čipu, a s tím dochází i k růstu ztrátového výkonu, který se rozptyluje do okolí. Ztrátový výkon lze obecně vyjádřit následujícím vztahem : P 2 CV 2 Úvod f kde P je ztrátový výkon (W) C je vstupní kapacita (F) V je spínané napětí (V) f je spínaný kmitočet (Hz) Jak je ze vztahu patrné, snížení vstupní kapacity a zmenšení rozdílu spínaného napětí přispívá k redukci ztrátového tepla generovaného polovodičovou součástkou. To je jeden z důvodů proč nové generace polovodičových součástek mají stále nižší vstupní kapacity, a rovněž spínané napětí odvozené z napájecího napětí se snižuje zdříve typické hodnoty 5V směrem k hodnotě blížící se 1V. 9

10 Šíření tepla Elektronické součástky jsou ochlazovány přirozeným odvodem tepla, které nastává v důsledku uplatnění principů přenosu tepelné energie. Základní způsoby sdílení tepla jsou: vedení, proudění, vyzařování. Odvod tepla může být dále podpořen prvky jako jsou pasivní chladiče, nebo je použita některá z metod nuceného chlazení za pomocí mechanických větráků či termoelektrického (Peltierova) chladiče. 10

11 Vedení tepla Mírou tepelné vodivosti látek je součinitel tepelné vodivosti λ. Udává číselné množství tepla, které projde za jednotku času krychlí o jednotkové hraně mezi dvěmi protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1 o K ( o C). Jednotkou je [λ] = J.m -1.s- 1.K -1 = W.m -1.K -1. Sdílení tepla vedením je popsáno Fourierovým zákonem, který vyjadřuje to, že plošná hustota tepelného toku je úměrná teplotnímu gradientu a součiniteli tepelné vodivosti a směřuje proti gradientu: q gradt Úpravou Fourierova zákona pro jednorozměrný případ a zanedbáním tepelné kapacity materiálu získáme vztah: A T d kde Ф je tepelný tok prošlý plochou A (W) λ je součinitel tepelné vodivosti (W.m -1.K -1 ) A je plocha kolmá k tepelnému toku (m 2 ) T je rozdíl teplot (K; o C) d je vzdálenost míst rozdílné teploty (m) 11

12 Teorie přenosu tepla Znázornění přenosu tepelné energie z elektronické součástky do okolí Ve skutečnosti se tyto mechanismy uplatňují společně a k ochlazování elektronických součástek dochází současně vedením (odvodem tepla pevnou částí například do substrátu), prouděním (tepelným tokem proudícího vzduchu v okolí pouzdra, substrátu bez nebo s použitím ventilátoru) a vyzařováním energie z povrchu pouzdra do okolí. 12

13 Náhradní tepelný obvod Náhradní tepelný odporový obvod představuje statický (dynamický) model přenosu tepla v součástkách a elektronických systémech. Může být velmi dobře využit například pro modelování chlazení elektronických součástek a pro určení možného maximálního výkonového zatížení. Tepelný obvod se soustředěnými parametry přiřazenými obvodovým prvkům získáme na základě fiktivního rozdělení objektu na konečné množství sekcí. Jednotlivé sekce jsou nahrazeny obvodovými prvky a cesty sdílení tepla mezi nimi vzájemným spojením prvků. Prvkům obvodu se přiřazují tepelné odpory, tepelné kapacity (dynamický model), zdroje teploty a zdroje tepelného toku. Výpočet těchto parametrů obvodových prvků přiřazeným sekcím probíhá na základě vlastností látky příslušné sekce a fyzikálního děje v ní uplatňovaného. Tepelné odpory je možné přiřadit i nedokonale tepelně vodivým cestám v objektu i mezi objekty a okolím. Větvemi tepelného obvodu teče tepelný tok, v uzlech obvodu je teplota a na uzlových párech oteplení. Obvod je matematicky popsán systémem diferenciálních rovnic a pro řešení statického problému je postačující popis systémem algebraických rovnic. 13

14 Náhradní tepelný obvod V náhradních obvodech se vyskytují obvodové prvky popsané odpovídajícími tepelnými veličinami, které jsou analogické veličinám elektrickým: oteplení (teplotní rozdíl, spád) T (K) analogie rozdílu el. napětí tepelný tok (výkon) Φ (W) analogie el. proudu tepelný odpor R (K.W-1) analogie el. odporu tepelná vodivost (Wm-1.K-1) analogie el. vodivosti 14

15 Náhradní tepelný obvod Na základě vztahů odvozených pro vedení v pevných látkách týkajících se fyzikální podstaty sdílení tepla můžeme vyjádřit obdobu Ohmova zákona pro tepelný obvod následovně: kde T R ΔT je tepelný rozdíl, ΔT=T2 - T1 (K) Ф je tepelný tok (W) R je tepelný odpor (K.W -1 ) Podobně pro tepelný odpor platí analogie s elektrickým odporem vycházející z geometrie segmentu a jeho materiálu: d R A kde R je tepelný odpor (K.W -1 ) d je vzdálenost míst míst na nichž je tepelný rozdíl T (m) l je tepelná vodivost materiálu (Wm -1.K -1 ) A je průřez plochy jimž prochází tok F (m 2 ) 15

16 Analogie el. proud - teplo Náhradní obvod je odporová síť obsahující větve a uzly, které vytvářejí smyčky a uzlové dvojice. Uzel je bod sítě, v němž se stýkají obvodové prvky. Je na něm v určitém čase jen jedno oteplení. Větev náhradního obvodu je tepelně vodivá cesta mezi dvěma uzly. Zdroj tepelného toku mezi dvěma uzly nepředstavuje větev (přerušuje vodivou cestu). O uzlech a smyčkách platí podle teorie elektrických obvodů Kirchhoffovy zákony. Pro uzel platí I. Kirchhoffův zákon: 0 Podobně pro nezávislou smyčku platí II. Kirchhoffův zákon: T R 0 V náhradních obvodech se vyskytují obvodové prvky popsané odpovídajícími tepelnými veličinami, které jsou analogické veličinám elektrickým: oteplení (teplotní rozdíl, spád) θt (K) analogie rozdílu el. napětí tepelný tok (výkon) φ (W) analogie el. proudu tepelný odpor R (K.W-1) analogie el. odporu tepelná vodivost λ (Wm-1.K-1) analogie el vodivosti

17 Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky Náhradní tepelný obvod se skládá z jednotlivých tepelných odporů, které musí teplo vznikající na přechodech překonat na cestě do okolí. Teplo generované PN přechody se šíří polovodičovým čipem do pouzdra a z pouzdra do okolního prostředí. Tepelný tok se rozdělí na: - část procházející z pouzdřícího materiálu (epoxidová výplň, vzduch) přes vývody resp. vývodový systém do nosného substrátu (deska plošného spoje, keramika) a z něj dále do okolního vzduchu povrchem substrátu (přirozené, nucené proudění; vyzařování) a někdy podélným vedením substrátu do nosných kovových částí. - druhá část prochází z pouzdřícího materiálu do vlastního pouzdra a z něj přímo do okolí pomocí proudění (přirozené, nucené) a vyzařování, nebo přes chladič. 17

18 Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky Obecně se u zapouzdřených součástek celkový tepelný odpor R JA (Chip-Junction- Ambient) skládá z tepelného odporu mezi čipem a pouzdrem R JC (Junction-Case) a odporu mezi pouzdrem a okolím R CA (Case-Ambient), jak je patrné z obr. Vliv chladiče vyjádřuje přídavný sériový odpor R TA. Obecný tepelný odporový obvod pro chlazení polovodičové součástky modelované jediným tepelným odporem Rjc mezi přechodem a pouzdrem ( a- součástka bez chladiče, b- součástka s chladičem, c- výsledný model charakterizovaný jediným prvkem) 18

19 Ekvivalentní teplotní obvod Výrobci udávají teplotní rozdíl mezi čipem a pouzdrem RθJC a max teplotu Tjmax Max. teplotní rozdíl mezi přechodem a okolím = TJMAX (TAMB + THS). závisí na typu pouzdra tepelný odpor spojení mezi pouzdrem a vývodem Q je výkon vyzářený souč. TJ je teplota přechodu TC je teplota na pouzdře TH je teplota na chladiči TAMB je teplota okolí RθJC je tepelný odpor přechod - pouzdro RθCH je tepelný odpor pouzdro - chladič RθHA je tepelný odpor chladiče

20 Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky Flip chip n d 20

21 Tepelná charakteristika zapouzdřené MCM součástky Prvek cesty odvodu tepla Materiál Tepelná vodivost K[W/m. C] Spoj Epoxid 0.3 Spoj Vodivý epoxid 2.0 Spoj Pájka zlato-cín 180 Spoj Hliník 200 Vývody čipu Pájka 30 Vývody pouzdra Slitina mědi 30 Vývody pouzdra Slitina Fe/Ni 15 Prostor pouzdro -- substrát Vzduch 0,024 21

22 Srovnání tepelného odporu u pouzder se stejnou hustotou propojování

23 Obsah Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr

24 Koeficient teplotní roztažnosti - TCE Pro termomechanické namáhání obecně platí, že při změně teploty dochází ke změně rozměrů materiálů.při zvýšení teploty dochází obecně k roztažení (prodloužení) materiálů a při snížení teploty pak k jejich smrštění (zkrácení). Mírou teplotní závislosti délkových rozměrů pevného tělesa je teplotní součinitel délkové roztažnosti a (K 1 ; o C -1 ), v anglické literatuře nazývaný TCE (Temperature Coefficient of Expansion), který je definován vztahem : kde, TCE dl 1 dt dl je změna délky (m) l 0 je délka tělesa při výchozí teplotě (m) dt je změna teploty (K; o C) l 0 Průběh TCE není obecně v širokém rozsahu teplot lineární, zejména u polymerních materiálů dochází k velké změně hodnoty v oblasti teploty skelného přechodu (Tg), kde materiál přechází z elastického do sklovitého stavu. Například při přímém připojení holých čipů (DCA) na organické substráty je TCE součástky (křemíkový čip) 3 ppm/ o C a TCE substrátu (FR4) 13 ppm/ o C 24

25 Koeficient teplotní roztažnosti - TCE Spojíme-li pevně dva různé materiály s různými koeficienty TCE a dojde-li ke změně jejich teploty, vzniká mechanické namáhání (v tahu i ve smyku resp. střihu), které působí na spoj. V elektronických obvodech a systémech se jedná zejména o mechanické namáhání pájených spojů aktivních i pasivních součástek pájených na substráty. To je způsobeno tou skutečností, že materiál součástky bývá rozdílný oproti materiálu substrátu. Potom může dojít ke vzniku prasklin či trhlin (mikrotrhlin) a jejich dalšímu narůstání v místě spoje nebo v okrajové oblasti substrátu či součástky. Takový spoj má odlišné mechanické i elektrické vlastnosti a může způsobit okamžitě, nebo za určitý čas provozu nefunkčnost obvodu. Mechanické napětí ve spoji je definováno Hookovým zákonem : E E l l kde σ je mechanické napětí ve spoji (N. m -2 ) E je Youngův modul pružnosti v tahu (N. m -2, Pa) ε je poměrné prodloužení (-) 25

26 Hodnoty Youngova modulu Material GPa lbf/in² (psi) Rubber (small strain) ,500-15,000 PTFE (Teflon) ,000 Pine wood ,300,000 Aluminium 69 10,000,000 Glass Kevlar Bronze ,000,000 Titanium (Ti) 16,000,000 Titanium alloys ,000,000-17,500,000 Copper (Cu) ,000,000 Steel ,000,000 carbon nanotube 1, ,000,000 Diamond (C) ,000, ,000,000

27 Teplotní součinitel roztažnosti - TCE Poměrné prodloužení působící na spoj lze vyjádřit rozdílem změn délek spojených materiálů. Pro relativní prodloužení platí: ( TCE TCE ) T C S Kde je poměrné prodloužení, TCE C je teplotní součinitel délkové roztažnosti součástky TCE S je teplotní součinitel délkové roztažnosti substrátu T= T2 - T1 ; T2 - teplota okolí, T1 - pracovní teplota 27

28 Eliminování pnutí: Volbou vývodů (pnutí je redukováno pružností vývodu pouzdra). Doplněním výztužného jádra v substrátu, které sníží TCE a zvýší tuhost substrátu. Použitím výztužného rámu (interposer). Optimálním návrhem plošek. Volbou pájecí slitiny aj. dokonalým odvodem tepla 28

29 Materiálové hledisko volby pouzdra Materiály běžně používané v pouzdření mohou mít teplotní koeficient roztažnosti, který se liší až o dva řády. Cílem je vytvořit návrhy ve kterých tlaky nebo rázy nepřekročí provozní (dovolenou) mez, a to buď použitím materiálů s podobným koeficientem roztažnosti, nebo použitím měkkých (poddajných) prvků na rozhraní materiálů. Tři nejčastěji používané uspořádání jsou: 1. Vrstvy s odlišným koeficientem roztažnosti spojeny po celé délce (viz. Obr.a) - Vrstva IO spojená se substrátovou vrstvou - Vrstvy skelných vláken ve vrstvě pryskyřice - Vrstvy vodičů v dielektrických vrstvách b) - Substrát připevněný k pouzdru 2. Dvě struktury s různým CTE spojeny na koncích (viz. Obr.b) - Čip R/C připájen na substrát -Součástky připájeny do děr desky plošných spojů - Vývody SMT připájené na PWB - Kovové víčko přivařené c) ke keramickému pouzdru -Vývody tranzistoru připájené k substrátu 3. Struktura zapouzdřená v materiále s odlišným CTE (viz. Obr.c) - Slitina FeNi pájena v PTH - Obvody zapouzdřené v ochranném povrchu - Nosný rám v lisované směsi - Vývody v pájeném spoji 29

30 Obsah Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr

31 Trendy v pouzdření Dlouhodobě proklamovaný trend - Pouzdro je navrhováno specificky pro čipy a jejich aplikace Nedostatek standardních tvarů a rozměrů - Např. urgentní pro paměti určené pro PoP stacking Požadavek na velkou šířku pásma z hlediska nových procesorů - Vyžaduje 3D metody propojování (Bandwidth Bottleneck) Některé čipy nelze použít pro určitý typ pouzder bez jejich re-designu - Objevují se nové přístupy ke způsobu návrhu čipů Nízkoprofilová pouzdra (<1.2mm vysoká) se stávají normou - Požadavek pro mobilní telefony Vývoj moderního pouzdření je hnán především všeobecnou potřebou redukce finální ceny systémů, před technologickými zlepšeními - Rostoucí požadavky na provedení bez nárůstu ceny Východoasijské firmy OSAT se zaměřují na vývoj pouzdřících technologií - Primárním požadavkem je LOW COST (PacTech, Amkor.)

32 TRENDY v POUZDŘENÍ IC and Package co-design CSP Die Stacking, 3D Design Embedding Direct die/wafer wafer/wafer bonding (WLP) Optical Interconnect System in Package (SiP) Package on Package (PoP) IC je navrhován současně s variantami pouzdra Simulace ICzahrnuje pouzdření a propojování Změna pouzdra vyvolává změnu topologie čipu Teplotní simulace pro čip/pouzdro (ANSYS, Flowmeric ) Napomáhá optimalizovat výkonové ztráty Optimalizuje I/O na aktuální propoje (impedanční přizpůsobení) Optimalizace pouzdra a propojení čipu s ohledem na montáž do systému Plastic packages for high-power Effects of Regulation / Legislation Nové výkonové pouzdra s kavitou Pro bázové stanice mobilních telefonů Plast je Liquid Crystal Polymer (LCP) Používají se také pro pouzdra MEMS Jsou rovněž v provedení QFN package Ochrana výkonového IC nemusí být vždy hermetická

33 Aktuální vývoj pouzdření

34 Aktuální vývoj pouzdření QFN or Quad Flat No leads package is an integrated circuit package used with surface mounted printed circuit boards. MicroLeadFrame (MLF) is a type of chip scale microchip package. OSAT=Outsourced Semi Assembly & Test Outsourcing Semiconducter Assembly Tech

35 Flip Chip Obr.24: Provedení Flip Chip

36 Flip chip náhradní obvod elektrický Obr.25: Náhradní elektrický obvod FCH

37 Flip Chip Model je sestaven ze sériového a paralelního spojení několika pasivních prvků nahrazujících jednotlivé vlivy působící na cestě signálu, přičemž signál postupuje od zdroje k přijímači. Přitom prochází cestou k vývodu čipu přes odpor R výst, jenž se chová na výstupu jako C-L-C článek. Tento vyjadřuje právě vliv samotných vývodů na čipu. Čas pro přenos signálu, resp. čas který potřebuje signál na překonání vzdálenosti z čipu na další aktivní místo je přímo úměrný vzdálenosti a dán vztahem: t z l, ε r, C, L, kde l je vzdálenost kterou musí signál překonat εr je permitivita vyjadřující vlastnost substrátu C, L jsou kapacita a indukčnost vývodů

38 Flip Chip náhradní obvod - tepelný Obr.26: Náhradní tepelný obvod pro FCH

39 C a L pouzder Typický průměr kulových vývodů se pohybuje kolem 0,2 mm, což je oproti délce drátků přibližně 10x méně (Wire bonding 2,5 mm). Právě tato skutečnost výrazně ovlivňuje kapacitu a indukčnost vývodů, jak je patrné z tab. Tabulka : Typické hodnoty kapacity a indukčnosti vývodů Typ vývodu/pouzdra pf nh SOIC BGA 1 2 Wire Bonding 0,5 1-2 TAB 0,6 1-6 Flip Chip 0,1 0,01

40 Chip Scale Package CSP: Velikost pouzdra nepřesahuje 1,5 násobek velikosti čipu. Připojení na substrát je kompatibilní s povrchovou montáží. Spojuje výhody přímého připojení čipu a klasické metody montáže čipů.

41 Vertikální propoje a různé průměry bumpů CSP + WLP

42 Pouzdra s kulovými vývody (bumpy) Zdroj:

43 HDI pouzdra Spojuje přímé kontaktování s velkokapacitním propojování (high-density interconnect). Schématicky je naznačen na obrázku 1. Holý čip vytvořený na Si substrátu je kontaktován na nosný substrát a na Si substrátu je dále připojeny další polovodičové prvky, jako jsou paměti apod. Tímto je vytvořena 3D struktura, která je kompaktní a má malé rozměry. VF část pasivní prvky DRAM,FLASH Si podložka propojení nosný substrát

44 3D pouzdra Typické 3-D pouzdro se skládá z čipu DSP a paměti. Montáž provádí buď sám výrobce DSP nebo OEM. Typické je, že výrobce dělá DSP a koupí paměť a může provést pouzdření jak v SoP, tak i v PiP pouzdru. OEM koupí oboje, pouzdřené DSP a paměť a uspořádá je v PoP přímo na úrovni motherboardu. Výběr typu pouzdra je dán nejen použitou aplikací (footprinty, profil, cena), ale také koncepcí z hlediska použitých součástek, výrobní technologií a požadavkem koncového uživatele.

45 Moderní pouzdření - přehled Zdroj:

46 Obsah Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu moderních pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr

47 Na jaké úrovni budeme pouzdřit? 1. úroveň - Propojení kontaktních plošek čipu k vývodům pouzdra 1,5. úroveň -Připojení čipu na substrát (HIO, MCM, CSP, připojení DCA, COB, WLP 2. úroveň - Propojení pouzdra na nosný substrát (základní deska, rozšiřující karta)

48 Zásady návrhu elektronického systému Pro správnou volbu pouzdra je velmi důležité porozumět jak technickým tak ekonomickým (obchodním) požadavkům daného výrobku. Po dlouhou dobu byla pozornost zaměřena pouze na čip. Prioritní snahou bylo vyrábět ho menší, rychlejší, výkonnější a efektivnější, a to vše za současného snižování nákladů a zvyšování efektivnosti. Výrobci polovodičů jednoduše navrhli IO a vložili jej do určitého typu pouzdra, jež mělo příslušnou velikost a tvar. Otestovali obvod a prodali jej. Dnes je k dispozici velké množství pouzder IO. Konstruktér čipu i uživatel integrovaných obvodů musí mít znalosti o těchto pouzdrech předtím, než se rozhodne pro vhodný typ v závislosti na elektrických a tepelných požadavcích obvodu. Tento nový přístup vyžaduje investice do nových návrhářských systémů a testovacích nástrojů a přehodnocení testovacích postupů a procesů.

49 Zásady návrhu elektronických systémů Výrobci zařízení a inženýři zabývající se pouzdřením musí řešit nejprve následující otázky: Jak má být pouzdro navrženo (s ohledem na čip) Jak bude připojeno do obvodu (s ohledem na substrát) Jaká bude jeho testovatelnost (před i po montáži) Jaká je aplikace a jaké jsou požadované parametry (včetně spolehlivosti) Důležitým faktorem při volbě pouzdra je rozhodnutí o umístění čipu (lead frame?) příp. volba substrátu, který předurčuje nejvyšší hustotu a nejmenší rozměry vodivé sítě (organický, anorganický nebo pružný - ten však nezajistí stejné spolehlivostní výsledky jako tuhé substráty). (K dosažení optimálního řešení při narůstající hustotě musí výrobci čipů investovat do komplexnějších návrhů stejně jako do vysoce inteligentních prostředků na modelování teplotních a elektrických parametrů tak, aby byl čip přizpůsoben příslušným typům pouzder.)

50 Volba typu pouzdra Výběr a volba typu pouzdra pro danou aplikaci závisí na řadě faktorů, a to především na: Výkonu spotřebovávaném na čipu Požadovaných elektrických vlastnostech Počtu vývodů čipu Rozměru a váze elektronického systému Typu použití

51 Elektrický návrh pouzdra Primární elektrická funkce pouzdra je připojit různé vstupy a výstupy, nápájení atd. na čipu k vnějšímu okolí (do obvodu) Přitom musí být zachována integrita signálu, tj. nesmí dojít k jeho zkreslení a ke generaci šumů Musí být dosaženo přijatelné ceny pouzdra

52 Elektrický návrh pouzdra Pracovní kmitočet je jedním z výchozích parametrů který musí být respektován (1GHz) Porozumění důvodů pro generaci nežádoucích signálů (šumů), především delta I šumu Omezení kapacity spojů mezi čipy (je minimálně o řád vyšší než spojů na úrovni samotného čipu Vyvarování se přeslechům mezi jednotlivými vodiči (z důvodů stále větší integrace obvodů dochází ke zkracování vzdáleností mezi jednotlivými vodiči a tyto se posléze začínají navzájem ovlivňovat)

53 Elektrický návrh pouzdra U 3D struktur je elektrický návrh veden ve dvou směrech, jež jsou zaměřeny na: systém zajišťující přenos signálu systém rozvodu napájení Např. v první řadě se zohledňuje systém rozvodu napájení, potom se následně provede obvodový návrh s použitím simulačních nástrojů, a jako poslední se realizuje vlastní návrh pouzdra obsahující polohu jednotlivých součástí a jejich vzájemné propojení.

54 Důvody pro optimalizaci pouzdra Provedení pouzdra vs. Cena pouzdra rozměry parametry jakost

55 Systémové pouzdření Parametry čipu Požadavky systému Výrobní aspekty - rozměr - provedení - manipulace - výkon - cena - koplanarita - rychlost - spolehlivost - pájitelnost - počet vývodů - rozměry - testovatelnost Volba typu substrátu Základní rysy vývoje pouzder integrovaných obvodů můžeme shrnout do následujících bodů : rostoucí počet vývodů od původně nejrozšířenějšího počtu 16 na 28, 40, 68, 160, 208 a více, snižující se rozteč vývodů z 2,54 mm na 1,27 mm, a na 1 mm, 0,762 mm, 0,5 mm, 0,3 mm a méně, náhrada původního materiálu vývodů (42 % Ni-ocel) materiálem (98 % Cu- SnPbNi) - tepelná vodivost možnost vkládání součástek do patic (především těch, jež se před vsazováním programují), vznik velkého počtu různých typů pouzder, z nichž každé je vhodné pro určitý typ čipu a použití.

56 Systémová integrace v budoucnu nutná Application Environments Application Integration Technology Requirements Multi Chip Integration SoC SoP System Integration Heterogenous Integration Micro Systems Single Chip Integration More Moore Nanoelectronics Microelectronics More than Moore (Nano) Electronics + Sensors & Actuators (e.g. Opto-/ Biotechnology)

57 Návrh substrátu 9 hledisek Návrh se řídí určitými pravidly, která jsou sestavena tak, aby navržený substrát splňoval co nejvíce požadavků, mezi něž patří především: nezkreslené zpracování signálu (minimální přeslechy, šum, zpoždění a odrazy) elektromagnetická kompatibilita (vyloučení rušení, citlivost) teplotní vlastnosti (schopnost zvládat rozdílné součinitele tepelné roztažnosti různých materiálů, ztrátový výkon a odvod tepla) mechanické požadavky (síla, tuhost, ohebnost) minimální spotřeba materiálu výrobní kompatibilita (jednoduchá technologie výroby a úspora nákladů) testovací kompatibilitu (snadnost testování, začlenění testovacích bloků) klimatická odolnost (vlhkost, prach, atd.) ekologie (výroby, provozu i likvidace).

58 Návrh substrátu NÁVRH OBVODU SCHÉMA OBVODU PRAVIDLA PRO NÁVRH OVĚŘENÍ NÁVRHU SIMULACÍ OBVODU OPTIMALIZACE parametry : - relativní permitivita r, - tangenta ztrátového činitele tg -izolační odpor Ri NÁVRH SUBSTRÁTU (DPS) - VÝBĚR TVARU A VELIKOSTI SUBSTRÁTU - ROZMÍSTĚNÍ SOUČÁSTEK - VYGENEROVÁNÍ TOPOLOGIE - KONTROLA NÁVRHU INTEGRITA SIGNÁLU, EMC A TEPELNÁ ANALÝZA VÝROBA PŘEDLOH VÝROBA SUBSTRÁTU TESTOVÁNÍ SUBSTRÁTU Vlastní proces návrhu probíhá ve třech následujících krocích: - volba rozměrů a tvaru - způsob připojení (typ vývodů nebo konektorů) - výběr součástek a jejich rozmístění

59 Elektrické vlastnosti substrátu Elektrické analogové a digitální signály jsou přenášeny vodivou sítí, která ovlivňuje šíření signálu, a tím také výsledné elektrické vlastnosti (Z o ) Spoje mohou být charakterizovány jako elektrický zkrat a modelovány jako prvky se soustředěnými parametry, jestliže vlnová délka signálu λ je velká v porovnání s délkou spoje l (λ > 30 l) Např. pro číslicové signály je důležitý poměr mezi zpožděním náběhové hrany signálu Tr a zpožděním šíření signálu Td (např. Tr >10 Td). Zpoždění signálu představuje čas, který signál urazí od vstupu do jiného vzdálenějšího místa.

60 Elektrické vlastnosti substrátu Přenosové vedení je definováno charakteristickou impedancí Z o a měrným útlumem vztaženými na určitou délku vlny (resp. kmitočet) signálu, pro něž platí: Z 0 ( R ( G j L) j C) j ( R j L)( G j C) Konstanta přenosu y = α + j β se skládá ze dvou částí, kde α se nazývá měrný útlum, jenž charakterizuje ztráty při vedení signálu a β měrný fázový posun při daném kmitočtu signálu.

61 Elektrické vlastnosti substrátu Napětí V odpovídající signálu o daném kmitočtu může být vyjádřeno v libovolném místě následovně: kdev 0 je amplituda na vstupu ( z = 0) z je vzdálenost od vstupu V V e cos( t ) z 0 z Měrný fázový posun β určuje rychlost, s jakou se signál šíří po vedení. Napětí a proud se na vedení periodicky mění s časem, přičemž doba jedné periody je T a rychlost šíření v. Dále βz vyjadřuje fázové zpoždění signálu na vedení ve vzdálenosti z od počátku vedení. Při kmitočtu tomuto fázovému zpoždění odpovídá čas t = βx/. Aby signál (vlna) prošla za tento čas na vedení cestu x, musí se šířit rychlostí v = x/t a z toho vyplývá: 2 f v Takto se šířící vlna na vedení projde za jednu periodu vzdálenost, která se nazývá délka vlny a vypočte se následovně: 2 f vt.. T f Pro ideální bezeztrátové vedení rychlost signálu v a charakteristická impedance Zo může být vyjádřena následovně: 2 v 1 LC reff Z L C reff C

62 Elektrické vlastnosti substrátu Efektivní permitivita (dielektrická konstanta) ref je důležitý parametr používaný pro vyjádření vlastností dielektrických materiálů, v tomto případě substrátu. Nízká permitivita materiálu zvyšuje možnou hustotu vodivé sítě vpřípadě, kdy signálové vlastnosti převyšují technologické omezení. Jestliže vedení nejsou zakončena svými charakteristickými impedancemi, dochází na konci vedení k odrazům signálu. Tento jev lze vyjádřit jako podíl odraženého napětí Vr nebo proudu Ir kpřímému napětí Vp nebo proudu Ip, což lze popsat vztahem: V V r p I I r p Z Z r r Z Z 0 0 kde Z r je impedance na konci vedení Z 0 je charakteristická impedance vedení. Vliv nepřizpůsobení vedení na změnu přenášeného signálu a) útlum signálu b) zkreslení signálu