Progettare la piedinatura

Nelle applicazioni che richiedono un’impedenza della linea di trasmissione inferiore a 50 Ω e una bassa interferenza tra i segnali, è necessario definire i percorsi delle piste utilizzando tecniche di istradamento (routing) come stripline. L’instradamento come stripline richiede che la posizione dei pad sul chip sia disegnata in modo da fornire un passaggio ottimale dal chip alla strip. Di conseguenza, la disposizione dei pad di ingresso e uscita sul chip deve essere progettata secondo un criterio di priorità basato sulle prestazioni: i segnali meno critici possono uscire come microstrip, mentre i più critici come stripline.
Una pianificazione inadeguata delle geometrie potrebbe forzare l’uscita dei segnali in modo non ottimale, producendo un impatto negativo sulle prestazioni o causando l’impiego di un package con un numero di livelli nel substrato superiore a quanto necessario, incrementando così notevolmente ed ingiustificatamente il costo del prodotto. Tipicamente i dispositivi predisposti per il flip-chip vengono saldati su di un apposito substrato tramite la tecnologia Sbu (Sequential Build-Up). Le piste su questo substrato, costituito da un singolo nucleo, vengono realizzate con i processi tradizionali di fabbricazione. Esso funge da base su cui successivi strati vengono depositati per ottenere maggiori densità circuitali. Sottili strati di dielettrico vengono depositati simmetricamente sulla faccia superiore e inferiore del nucleo, in modo da mantenere la necessaria uniformità meccanica grazie al bilanciamento delle sollecitazioni, deposti sia da fase liquida che solida e quindi cotti. Le interconnessioni (via) sono realizzate forando con un laser gli strati dielettrici per connettere verticalmente i diversi livelli metallici. Le piste sono depositate su ogni strato tramite un processo semi-additivo. Questo processo sequenziale di deposizione di strati dielettrici e metallici facilita il layout delle piste con geometrie molto fini, con larghezza delle tracce fino a soli 12 µm, non raggiungibili con i processi di attacco tradizionali.

Ottimizzazione del layout per applicazioni ad alta frequenza
Quando si ottimizza il layout per l’integrità del segnale in applicazioni ad alta frequenza, il controllo dell’impedenza dei collegamenti e la minimizzazione delle interferenze tra i segnali rappresentano gli obiettivi primari. Se il sistema è progettato per lavorare a 50 Ω, ogni tratto del canale di comunicazione deve essere adattato a tale impedenza. Ogni variazione dell’impedenza lungo il percorso del segnale produce riflessioni indesiderate, che possono causare il rischio di perdere dei dati e, a seconda della gravità del disadattamento di impedenza, possono portare anche al guasto completo del sistema.
Trascurando le perdite, l’impedenza del collegamento è data solamente dal rapporto tra l’induttanza e la capacità della struttura. Il valore dell’induttanza è controllato dall’area della maglia formata dal segnale e dal percorso di ritorno. La capacità dipende principalmente dalla larghezza delle piste, dalla distanza del percorso di ritorno e dalla costante dielettrica del materiale che occupa lo spazio tra i due conduttori. Maggiore è la larghezza della traccia, maggiore è la capacità ad essa associata e, corrispondentemente, minore la sua impedenza e viceversa. Quindi cosa serve per portare una pista a 50 Ω su di una microstrip realizzata sul livello superiore del substrato di un package per flip-chip realizzato con la tecnica Sbu? La risposta è una pista con larghezza anche di 60 µm. Realizzare piste con questa larghezza non solo aumenta l’occupazione di area per garantire l’accesso ai pin di dispositivi con un elevato numero di ingressi e uscite, ma porta anche ad una minore distanza tra le piste che, in sostanza, aumenta i disturbi dovuti all’accoppiamento tra i segnali.
Inoltre, se una particolare applicazione richiede un’impedenza di 30 Ω, risulta praticamente impossibile tracciare piste con impedenza così bassa mantenendo larghezze realistiche delle piste. Nel caso delle microstrip, la capacità della pista è associata ad un solo lato della pista e dipende dalla sua larghezza. Per risolvere questo problema, è possibile seppellire la pista all’interno del substrato e tracciarne il layout su questo livello. La stripline beneficia di due piani di ritorno del segnale, sia superiore che inferiore, che raddoppiano la capacità specifica della pista, offrendo così un’impedenza più bassa a pari larghezza.

Scelte nel progetto della piedinatura degli integrati
La presenza di un percorso pulito di ritorno è cruciale per controllare l’impedenza della linea ed evitare problemi legati alle riflessioni. Un substrato con sezione 1-2-1 è costituito da uno strato superiore, il nucleo a doppia faccia e lo strato inferiore su cui si attaccano le sferette di saldatura. Il livello centrale non viene normalmente impiegato per i segnali, essendo riservato per i piani di massa e di alimentazione. Di conseguenza, avanza solo un livello per la microstrip e quindi con questo tipo di substrato diventa in pratica impossibile realizzare un’impedenza pari a 30 Ω. Invece, in un substrato con sezione 2-2-2 le piste possono essere sepolte nel secondo strato, realizzando così una stripline che rende fattibile il raggiungimento di piste a bassa impedenza.
Nei dispositivi ad alta densità di pad, il passo e il numero di ingressi e uscite definiscono le dimensioni del chip. Il costo del chip cresce proporzionalmente con le sue dimensioni. In uno sforzo di ridurre i costi, i pin di ingresso e uscita sono disposti in anelli concentrici per ridurre le dimensioni del chip, mantenendo la stessa funzionalità. Dato un certo passo tra i pad, gli attuali vincoli di produzione ad alti volumi consentono di allocare fino a due anelli su di un singolo piano del substrato Sbu. Quattro anelli posso essere collegati impiegando due livelli del substrato Sbu e così via. Un dispositivo con quattro anelli concentrici di pin richiederebbe un substrato almeno di tipo 3-2-3. I due anelli esterni sarebbero collegati al primo livello con geometria microstrip. Al fine di garantire un riferimento pulito per il livello 1, il livello 2 verrebbe impiegato come percorso di ritorno. Analogamente per la coppia di livelli 3 e 4 (quest’ultimo che appartiene al nucleo del substrato). Un substrato 3-2-3 rappresenta una soluzione efficace per il layout su due piani dei pad su chip collegati con le sfere saldanti. Le piste che richiedono una bassa impedenza vanno tracciate nei livelli interni. Tuttavia, se i loro pad per la saldatura si trovano sulla periferia esterna del chip, sarà praticamente impossibile mantenere la geometria microstrip e raggiungere comunque la bassa impedenza desiderata. Di conseguenza realizzarle come stripline diventa un obbligo. Per usare un chip con la stessa piedinatura, ma volendo collegare i pin d’uscita più esterni con delle stripline, il substrato SBU deve essere di tipo 4-2-4. Il primo livello è per il percorso di ritorno, il secondo per piste a bassa impedenza, il terzo per il ritorno e il quarto per un secondo segnale; poi vi sono i livelli centrali. A parità di layout dei pin, questa scelta di geometria delle piste richiede un numero notevolmente maggiore di piani nel substrato, incrementando significativamente il costo del package. Tuttavia, se la disposizione dei pad fosse stata studiata in modo da disporre i pin dei segnali che richiedono piste a bassa impedenza nei due anelli concentrici più interni (invece che gli esterni) si sarebbe eliminata la necessità di livelli aggiuntivi nel substrato, riducendo il costo del package e raggiungendo le prestazioni desiderate. In sintesi, si è evidenziato come sia critica la progettazione della piedinatura del chip, insieme all’importanza dell’interazione in questo processo tra il team di progetto del circuito integrato e quello del packaging, in modo da ottimizzare le prestazioni del dispositivo e minimizzarne il costo. Simili considerazioni sul layout sono necessarie nell’interfaccia tra il componente incapsulato ed il circuito stampato per integrare correttamente il componente nel sistema.

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