C.S.E.4.1 COSTRUZIONI E STRUMENTAZIONE ELETTRONICHE Lezione n° 4 PackagingPackaging MCMMCM.

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1 C.S.E.4.1 COSTRUZIONI E STRUMENTAZIONE ELETTRONICHE Lezione n° 4 PackagingPackaging MCMMCM

2 C.S.E.4.2 Richiamo - Glossario PWBPrinted Wiring BoardPWBPrinted Wiring Board PCBPrinted Circuits BoardPCBPrinted Circuits Board BGABall Grid ArrayBGABall Grid Array CPSChip Scale PaccagingCPSChip Scale Paccaging COBChip On BoardCOBChip On Board HDIHigh Density InterconnectionsHDIHigh Density Interconnections SMTSurface Mount TechnologySMTSurface Mount Technology MCMMulti Chip ModulesMCMMulti Chip Modules

3 C.S.E.4.3 Richiamo - Evoluzione

4 C.S.E.4.4 Richiamo Gerarchia delle Interconnessioni 1 A)Componenti attivi o passivi “nudi” non incapsulatiA)Componenti attivi o passivi “nudi” non incapsulati BJT, Chip, Resistenze, CapacitàBJT, Chip, Resistenze, Capacità B) Componenti attivi o passivi “impacchettati”B) Componenti attivi o passivi “impacchettati” Sia con contenitore plastico (DIP, TSOP, QFP, etc.), sia ceramicoSia con contenitore plastico (DIP, TSOP, QFP, etc.), sia ceramico C)Substrato di interconnessione di componenti nudiC)Substrato di interconnessione di componenti nudi Multi Chip Module (MCM), Chip on Board (COB)Multi Chip Module (MCM), Chip on Board (COB) D)Comprende tutti i tipi di substrati utilizzati per interconnettere Componenti impacchettatiD)Comprende tutti i tipi di substrati utilizzati per interconnettere Componenti impacchettati Tutti i tipi di PCB sia rigidi che flessibiliTutti i tipi di PCB sia rigidi che flessibili

5 C.S.E.4.5 Richiamo Gerarchia delle Interconnessioni 2 E)Sistemi di interconnessione, mediante board, di PCBE)Sistemi di interconnessione, mediante board, di PCB Non sono presenti su tali board dei componenti singoliNon sono presenti su tali board dei componenti singoli F)Sistemi di interconnessione fra schedeF)Sistemi di interconnessione fra schede Power distribution, Cavi RF, Coaasiali, Fibre ottichePower distribution, Cavi RF, Coaasiali, Fibre ottiche G)Intero sistema, comprensivo di struttura meccanicaG)Intero sistema, comprensivo di struttura meccanica Rack, sistemi di controlli della temperaturaRack, sistemi di controlli della temperatura H)Intero sistema integratoH)Intero sistema integrato Comprende più Rack, Box, sistemi ausiliariComprende più Rack, Box, sistemi ausiliari

6 C.S.E.4.6 Condizionamento delle Interconnessioni 1 Frequenza di funzionamentoFrequenza di funzionamento F ck > 500 MHz = Package Materiali x BoardF ck > 500 MHz = Package Materiali x Board Tempo di volo per F > 25 MHz = linee di trasmissioneTempo di volo per F > 25 MHz = linee di trasmissione Stripline, MicrostripStripline, Microstrip Consumo di PotenzaConsumo di Potenza Al crescere di F ck aumenta la potenza dissipataAl crescere di F ck aumenta la potenza dissipata Al crescere del numero di Gate aumenta la potenza dissipataAl crescere del numero di Gate aumenta la potenza dissipata Chip che dissipano anche 30 WChip che dissipano anche 30 W 20 – 30 % dei terminali servono per l’alimentazione20 – 30 % dei terminali servono per l’alimentazione Gestione TermicaGestione Termica Alta potenza = alta energia = calore da smaltireAlta potenza = alta energia = calore da smaltire Substrato di PCB = cattivo conduttore termicoSubstrato di PCB = cattivo conduttore termico Uso di reticoli conduttori e VIASUso di reticoli conduttori e VIAS Interferenze elettromagneticheInterferenze elettromagnetiche

7 C.S.E.4.7 Condizionamento delle Interconnessioni 2 Campi di impiegoCampi di impiego

8 C.S.E.4.8 Costo del sistema Uso crescente dell’elettronicaUso crescente dell’elettronica –Consumer –Computer –Communication Produzione di massaProduzione di massa –Ottimizzazione costo /prestazione –Riduzione dei costi dell’ordine del 30% –Ottimizzazione del progetto del PCB Per ridurre i costi di fabbricazionePer ridurre i costi di fabbricazione Per ridurre i costi di assemblaggioPer ridurre i costi di assemblaggio Per ridurre i costi di testing e riparazionePer ridurre i costi di testing e riparazione

9 C.S.E.4.9 Tipi di Packaging PeripheralTerminali allocati lungo i bordi periferici del packagePeripheralTerminali allocati lungo i bordi periferici del package Grid ArrayTerminali allocati su tutta la superficie inferiore del packageGrid ArrayTerminali allocati su tutta la superficie inferiore del package In assenza di Package DCA Direct Chip AttachIn assenza di Package DCA Direct Chip Attach –Wire Bonding –Tape Automated Bonding(TAB) –Flip Chipping

10 C.S.E.4.10 Esampio Esempi di Chip on Board e Multi Chip ModuleEsempi di Chip on Board e Multi Chip Module

11 C.S.E.4.11 Considerazioni sulla densità Considerazioni EmpiricheConsiderazioni Empiriche W C = Capacita di collegamentoW C = Capacita di collegamento –T = tracce per “canale” –L = Numero di Layers –G = larghezza del canale W d = Densità di collegamentoW d = Densità di collegamento –N t = numero totale di Pad –P = Passo fra Pad

12 C.S.E.4.12 Effetti della riduzione della larghezza delle piste

13 C.S.E.4.13 Effetti della distanza fra piste

14 C.S.E.4.14 Costo in funzione del numero di Layer

15 C.S.E.4.15 Densità

16 C.S.E.4.16 Frequenza

17 C.S.E.4.17 Costi MIPS Prezzo $ Costo/Istr.Cents 1975 IBM Mainframe 10 10.000.00 0 100,00000 1976 CRAY 1 160 20.000.00 0 12,50000 1979 VAX 1200.00020,00000 1981 PC IBM,253.0001,20000 1984 Workstation SUN 110.0001,0000 1994 Pentum INTEL 663.0000,0045

18 C.S.E.4.18 Condizionamenti sul Package 1 Progetto fisico e conseguenze sul PackageProgetto fisico e conseguenze sul Package Selezione dei componentiSelezione dei componenti Layout meccanicoLayout meccanico Tecnologie produttiveTecnologie produttive Caratteristiche elettriche delle interconnessioniCaratteristiche elettriche delle interconnessioni Considerazioni termicheConsiderazioni termiche Considerazioni sul progetto di circuiti digitaliConsiderazioni sul progetto di circuiti digitali Trasferimento della commutazione logicaTrasferimento della commutazione logica Adattamento d’impedenzaAdattamento d’impedenza Riduzione delle riflessioniRiduzione delle riflessioni Clock SkewClock Skew

19 C.S.E.4.19 Condizionamenti sul Package 2 Considerazioni sul progetto di circuiti AnalogiciConsiderazioni sul progetto di circuiti Analogici Trasferimento di potenzaTrasferimento di potenza Minimizzazione del rumoreMinimizzazione del rumore Adattamento d’impedenzaAdattamento d’impedenza Considerazioni sulla potenzaConsiderazioni sulla potenza La dissipazione di potenza di TTL e C-MOS dipende dalla frequenza e cresce drammaticamente ad alte frequenzeLa dissipazione di potenza di TTL e C-MOS dipende dalla frequenza e cresce drammaticamente ad alte frequenze La capacità di pilotaggio della ECL è indipendente dalla frequenzaLa capacità di pilotaggio della ECL è indipendente dalla frequenza C-MOS pilotaggio di carichi capacitivi mediante elevate resistenzeC-MOS pilotaggio di carichi capacitivi mediante elevate resistenze Necessità di terminazioni antiriflessioniNecessità di terminazioni antiriflessioni

20 C.S.E.4.20 Evoluzione del Packaging

21 C.S.E.4.21 Tipi di package A)Terminali sulla periferiaA)Terminali sulla periferia 1)Dual in line Package(DIP)1)Dual in line Package(DIP) 2)Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC)2)Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC) 3)Quad flat Pack(QFP)3)Quad flat Pack(QFP) B)Terminali sulla superficieB)Terminali sulla superficie 1)Pin Grid Array(PGA)1)Pin Grid Array(PGA) 2)Ball Grid Array(BGA)2)Ball Grid Array(BGA) 3)Multy Chip Module(MCM)3)Multy Chip Module(MCM) C)Sistemi a basso profiloC)Sistemi a basso profilo 1)Small Outline J-Lead(SOJ)1)Small Outline J-Lead(SOJ) ………………………………

22 C.S.E.4.22 DIP

23 C.S.E.4.23 Sorface Mount (QFP)

24 C.S.E.4.24 Sorface Mount

25 C.S.E.4.25 DIP vs. BGA

26 C.S.E.4.26 Ball Grid Array

27 C.S.E.4.27 BGA 2

28 C.S.E.4.28 Esempio Flip ChipFlip Chip

29 C.S.E.4.29 Efficienza del Packaging

30 C.S.E.4.30 System On a Chip

31 C.S.E.4.31 Glossario MCM=>Multi Chip ModulesMCM=>Multi Chip Modules CSP=>Chip Scale PackagingCSP=>Chip Scale Packaging SOP=>System On a PackageSOP=>System On a Package SOC=>System On a ChipSOC=>System On a Chip

32 C.S.E.4.32 Tipi di Multi Chip Module Tipo di substratoTipo di substrato –MCM-L(laminato) –MCM-C(ceramico) –MCM-D(depositato)

33 C.S.E.4.33 MCM-L Tecnologia simile a PCBTecnologia simile a PCB Molto usatoMolto usato MaturoMaturo Caratteristiche termiche non ottimeCaratteristiche termiche non ottime

34 C.S.E.4.34 MCM-C Substrato ceramicoSubstrato ceramico Tecnica “Co Firing”Tecnica “Co Firing” Thinck-Film MultylayerThinck-Film Multylayer

35 C.S.E.4.35 MCM-D InnovativoInnovativo Compatibile con tecnologie al silicioCompatibile con tecnologie al silicio Buone caratteristiche termicheBuone caratteristiche termiche Vantaggi su dilatazione termicaVantaggi su dilatazione termica Confronto WSIConfronto WSI

36 C.S.E.4.36 Confronto fra varie tecnologie

37 C.S.E.4.37 Substrato per MCM-L

38 C.S.E.4.38 Substrato per MCM-L (Flex)

39 C.S.E.4.39 Substrato per MCM-C

40 C.S.E.4.40 Substrato per MCM-D

41 C.S.E.4.41 Direct Chip Attach (DCA) 1

42 C.S.E.4.42 Direct Chip Attach (DCA) 2

43 C.S.E.4.43 Conclusioni