Co jsou Hybird IC
dělení | MCM | Die
Výhody
MCM | Thick Film | Die
Technologie
MCM | Thick Film | Die
Návrhové systémy
Cadence | Mentor Graphics
Příklady
Medicina
Odkazy
Interní | WWW

 
 
Integrace analogových a digitálních IO v hybridních obvodech

Obecně integrovaný obvod je elektrický obvod vybudovaný na polovodičovém materiálu, obyčejně se jedná o plátek monokrystalu, zalitého hermeticky nebo nehermeticky v některé vhodné hmotě. Základní dělení integrovaných obvodů je podle použitého typu tranzistoru, případně podle typu technologie a hustoty součástek. Některé typy obvodů ovšem neobsahují jen digitální části, ale také části analogové. To jsou obvody hybridní.

Jaké druhy hybridních obvodů existují?

Základní dělení by mohlo být na dvě skupiny:

Hybridní obvody multichip jsou takové, které sice navenek budí zdání normálního integrovaného obvodu, ve skutečnosti se však jedná o zapouzdření destičky s analogovými i digitálními prvky.

Toto je poměrně nová technologie nazývaná Multi Chip Module package (MCM). V této technologii se připevňují nezapouzdřené (nebo jen částečně pouzdřené) integrované obvody spolu s podpůrnými obvody a součástkami, jako kondezátory a rezistory (ale i cívkami, viz. dále) - na jedné laminátové nebo keramické podložce.

Dělení této podskupiny by jěště mohlo být na skupinu, ve které se zapouzdřují skutečně pouze analogové součástky, a na skupinu, kde se zapouzdřují jak analogové tak i digitální části.

Pouzdření integrovaných obvodů všeobecně je velmi aktuální téma. Důvod je jednoduchý: Rozměry samotných integrovaných obvodů se velmi rapidně zmenšují, problém však narůstá v oblasti "packaging", tedy pouzdření obvodů a propojování. Zde se právě dostává místa technologii MCM, která dokáže zmenšit velikost pouzdra téměř na velikost samotných obvodů, a pro jejich propojování používá technologie thin-film. (viz dále)
Touto technologií je tedy možné dosáhnout zmenšení velikosti i hmotnosti se všemi výhodami z toho plynoucími. Charakteristické znaky MCM technologie:

Základními stavebními prvky analogových částí jsou kondenzátor, rezistor a induktor. Používají se nejrůznější typy, pro technologii MCM je však nejzajímavější použití vícevrstvých kondenzátorů, tenkovrstvých rezistorů a vícevrstvých cívek. Základní strukturu technologie si lze prohlédnout zde. Protože je tato technologie stěžejní věnuji se jí podrobněji na jiném místě. Zde uvedu jen základní fakta.
Popis technologie thick film: Základním materiálem na kterém se staví je Al2O3, AIN nebo BeO. Na destičku se pak pomocí technologie "screen" viz obrázek nanese vrstva polymeru, který obsahuje částečky vodivé hmoty. Poté se destička "vypálí" při určité teplotě a tím se polymerní vrstva připeče k materiálu podložky.

Parametry takto vyrobených součástek:
Velmi dobré zachování vlastnotí při vysokých teplotách
-Alumina (Al2O3) High Level ~ 1 Watt na palec a stupeň C
-Aluminum Nitride (AlN) Higher Level ~ 7 Wattů na palec a stupeň C
Tištěné thick film rezistory - rozmezí 0.1 ohmu až 300 megaohmů
-Teplotní koeficient Resistace (TCR) menší než 50 ppm
-Výkonový rozsah od 1/16 do 5 Wattů
Technologie umožňuje automatické ladění rezistorů
-Precizní rezistory 0.1%

Poznámka: existuje ještě podobná technologie nazývaná thin film, která je principielně stejná, jen podle
tohoto zdroje se rozlišují podle podkladového materiálu.

Jak bylo napsáno výše, důležitým prvkem technologie MCM je propojování. Klasická technologie používala poměrně náročný způsob. Na vedlejším obrázku můžete vidět jakým způsobem se montují součástky na HDPWB (viz terminologie).

Novější technologie nazvaná Wafer Scale Packaging umožňuje použítím speciální technologie převést aktivní propojky z vrchní strany na pájitelnou podložku na straně spodní. Na obrázku vlevo pak vidíte srovnání klasické diody (dole) a diody technologií WSP (nahoře - Za zmínku ještě stojí to, že ty diody jsou tam 4.)

 
 

Hybridní obvody na jedné die jsou analogové i digitální komponenty na jedné křemíkové destičce (die, rozdíl mezi die a waferem je patrný z obrázku vpravo - wafer je celá křemíková destička, plátek monokrystalu, die je jedna kostička). Analogové a digitální části mohou být v této technologii integrovány dvěma způsoby: odděleně nebo v tzv. mixed módu.
Integrace oddělených částí má tu výhodu, že pro každou část je možné použít jinou technologii. Což samozřejmě umožní použít v digitální části integraci vyšší, tedy menší technologii. Pro složitější digitální integrované obvody se v součastnosti běžně používá technologie <1um CMOS. Naproti tomu u analogových částí je v součastnosti požívaná integrace technologií asi 3um CMOS. Ač se to může zdát divné, v praxi se zatím ukázalo výhodnější použít pro mixed obvody 3um CMOS. To je tedy běžná praxe.
Většina součastných výrobců se však chlubí tim, že dokáží integrovat mixed obvody i technologií až 0.13um (
IMEC). Použitelná se mi zatím jeví ale tak maximálně technologie 0.25um.
Základním problémem mixed obvodů je integrace rozměrově velkých kapacitorů a rezistorů, které mají z hlediska této technologie velké nároky.

Technologii výroby die není účelné zde rozebírat. Zmíním se jen o dvou částech "výroby", aby si čtenář mohl udělat obrázek, co vše je potřeba pro výrobu jednoho obvodu.
Velmi důležitým prvkem ve výrobním řetězci je minimalní tloušťka podkladového Si.


Dalším z mnoha důležitých prvků je přesné řezání.
Výhody die
Hlavní výhodou je maximální úspora místa, omezení vlivu paratitních indukčností atd.

Příklady
Příkladem aplikace hybridního integrovaného obvodu může být obvod použitý v kardiostimulátoru. Dnešní běžný kardiostimulátor již není zdaleka jen veliká baterie (ač ta stále zabírá velkou část celého objemu) a jednoduchá elektronika. Dnešní kardiostimulátory již obsahují elektroniku, která začína procesorem a končí zmíněnou baterií a např. usnadňuje lékařům diagnostiku (k čemuž je potřeba spousta měřících obvodů (impedanční senzory), převodníků, obvodů zajišťujících kompresi dat). Pokud se mají výsledky nějak dostat k lékaři musí kardiostimulátor mít i určité telekomunikační rozhraní. Dále obvody sloužící pro vytváření pulsů a tzv. "sense" (česky by se dalo říci poslouchání), vstupně výstupní obvody, obvody pro detekci pohybu atd. Ne vše je však možné realizovat ve všech pádech skloňovaným slovem procesor. Z hlediska kardiostimulátoru je to velmi neefektivní (obecnější systémy mají větší spotřebu) a mnohdy pomalé. Protože však v kardiostimulátoru jde do velké míry i o místo, musí vše být optimálně vyřešeno. Proto je potřeba vytvořit hybridní integrovaný obvod zajišťující všechny výše zmíněné fce a mnohé další.



 
 
Návrhové systémy
Oba níže zmínění výrobci software pro oblast IC designu atd. (a jistě mnozí další), nabízejí řadu svých produktů i pro oblast pouzdření obvodů.

Advanced Package Designer (APD)
APD je na vrstvách založené prostředí pro fyzický design komplexních, vysoko hustotních IC pouzder. APD obsahuje všechny funkce pro design moderních jedno- a multi-čipových pouzder, modulů a thick/thin film hybridů. Podporuje pouzdření metodami PGA, QFP, BGA, micro-BGA, chip scale. Umožňuje též on-line kontrolu nejnovějších pravidel designu používaných na materiálech jako je laminát, keramika a další depositní materiály.

  • Schopnost číst standardní DIE format
  • Automatický/Interaktivní mód generování BGA symbolů na die
  • Automatické přidělování Vstupů/Výstupů obvodů k pinům na pouzdře s optimálním výběrem cesty a výkonu
  • Automatické/Interaktivní orthogonální a radiální spojování/slučování vodičů
  • Dynamické výpočty RLC parazitních kapacit
  • GDSII výstup pro výrobu
  • Thick/thin film syntézu resistorů


MCM Designer

  • Kompletní podpora MCM-D, MCM-C, MCM-C/D a MCM-L
  • Automatizovaný thin- a thick-film design na Si, keramice, a dalších substrátech
  • Podporován TAB, flip-chip, chip-and-wire, a SMT
  • GDSII vstup pro rozměry die a výstup pro výrobu
  • Vhodný návrh layoutu a pravidla již pri návrhu
  • Výkonný automatický a rychlý propojovací (place-and-route) algoritmus s on-line kontrolou pravidel
  • Integrováno s analytickými nástroji Mentor Graphics
  • Automatická generace rezistorů
Více informací lze nalézt přímo na stránkách výrobců. Stránky jsou uvedeny v odkazech.

 
 

Odkazy


 

(c) 2001 Adam Přibyl