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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CIRCUITOS ELETRÔNICOS INTEGRADOS – ENG 04061
AQUILES ROSSONI
DARLAN IORIS
PLÍNIO BAÚ
EFEITOS MECÂNICOS, ELÉTRICOS E TÉRMICOS DO
ENCAPSULAMENTO NO DESEMPENHO DE CIS
Porto Alegre
2010
RESUMO
O presente trabalho analisa os efeitos do encapsulamento no desempenho de circuitos integrados. Os efeitos, analisados nesse trabalho, são de origem mecânica, elétrica e térmica. Os efeitos estão divididos em capítulos separados, procurando relacioná-los quando possível. O trabalho apresenta os problemas principais, cita formas de desenvolver modelos que prevêem o seu efeito no comportamento elétrico do conjunto (dispositivo e encapsulamento) e apresenta algumas soluções adotadas atualmente.
Palavras-chave: Encapsulamento de CIs. Efeitos térmicos. Efeitos mecânicos. Efeitos elétricos.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 4
2 CARACTERÍSTICAS MECÂNICA DO ENCAPSULAMENTO DE CIS ..................... 4
2.1 ESFORÇOS GERADOS DEVIDO A UMA EXCURSÃO TÉRMICA .............................. 5
2.2 CICLOS DE TEMPERATURA EM OPERAÇÃO ............................................................. 7
2.3 DELAMINAÇÃO NA INTERFACE DE MATERIAIS ..................................................... 8
2.4 CARGAS DE CHOQUE E VIBRAÇÕES ........................................................................... 8
2.5 METODOLOGIAS TÍPICAS DE ANÁLISE ...................................................................... 9
3 CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS DO ENCAPSULAMENTO DE CIS .................... 10
3.1 A IMPORTÂNCIA DO GERENCIAMENTO TÉRMICO ............................................... 10
3.2 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ................................................................. 11
3.2.1 CONDUÇÃO .................................................................................................................. 11
3.2.2 CONVECÇÃO ................................................................................................................ 12
3.2.3 IRRADIAÇÃO ................................................................................................................ 14
3.3 RESISTÊNCIA TÉRMICA EM PROJETOS DE ENCAPSULAMENTO ....................... 15
3.4 FATORES QUE INFLUENCIAM A RESISTÊNCIA TÉRMICA ................................... 16
3.4.1 TAMANHO DO ENCAPSULAMENTO ....................................................................... 16
3.4.2 CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO MATERIAL DO ENCAPSULAMENTO ........... 16
4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO ENCAPSULAMENTO DE CIS ................... 18
4.1 RESITENCIA ..................................................................................................................... 18
4.2 CAPACITÂNCIA .............................................................................................................. 19
4.3 INDUTÂNCIA ................................................................................................................... 20
4.4 IMPEDÂNCIA CARACTERÍSTICA ................................................................................ 20
4.5 CROSSTALK ..................................................................................................................... 21
4.6 COMUTAÇÃO SIMULTÂNEA ....................................................................................... 22
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 23
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 24
4
1 INTRODUÇÃO
O encapsulamento é o invólucro protetor de um circuito integrado com a utilidade de
proteger o circuito fabricado, disponibilizar uma forma segura de conexão externa com o
circuito, padronizar os tamanhos e facilitar a manipulação (manual e mecânica), transporte e
armazenamento. O invólucro possui terminais de metal ou “pinos”, os quais são resistentes o
suficiente para conectar elétrica e mecanicamente o frágil microchip de silício a uma placa de
circuito impresso.
O encapsulamento tem composição baseada em uma base, geralmente metálica, onde o
circuito o chip é colado, terminações metálicas dispostas ao redor da região de colagem, para
soldagem dos fios de conexão com os “pads” ou “die”, pinos de conexão externa, que
correspondem à outra extremidade das terminações e são soldados na placa de circuito
impresso, revestimento de proteção (resina epóxi, cerâmica, metal, vidro, polímero flexível,
etc) e aleta (superfície metálica) destinada à condução de calor para o exterior (em circuitos
de maior potência). São oferecidos em diversos formatos e tamanhos, com grande variação de
números de pinos de conexão.
Devido ao aumento da velocidade dos CIs e redução na tensão de alimentação, a função
do encapsulamento dos CIs mudou de uma interconexão mecânica que proporciona proteção
para o dispositivo do ambiente externo para uma interconexão que afeta o desempenho dos
CIs e que necessita ser propriamente entendida em um contexto elétrico. Inerente a
compreensão do desempenho elétrico do encapsulamento está a necessidade da caracterização
elétrica do encapsulamento. O encapsulamento é um ambiente elétrico complexo e a
caracterização deste ambiente é uma tarefa diferenciada que consiste na construção de
modelos a partir de cálculos teóricos e medidas experimentais.
Em simples termos, um modelo elétrico de encapsulamento passa por propriedades
físicas do encapsulamento a características elétricas que são geralmente combinadas em uma
representação de circuito. Caracterização experimental de um encapsulamento inclui vários
aspectos possíveis de serem caracterizados. Caracterização experimental é geralmente o
estágio final de validação de um processo de projeto de encapsulamento. Cuidados devem ser
tomados na determinação das características a serem medidas. Se a comparação entre os
dados medidos e modelados é feita, então as mesmas suposições usadas para obter o modelo
teórico de encapsulameto devem ser replicadas no teste de ambiente.
5
2 CARACTERÍSTICAS MECÂNICA DO ENCAPSULAMENTO DE CIS
A montagem típica de um encapsulamento eletrônico consiste em diferentes materiais
que são conectados em uma variedade de maneiras. A variação do coeficiente de dilatação
térmica entre esses diferentes materiais induz tensões nos componentes durante a fabricação e
com o dispositivo em operação.
A flexão da superfície de componentes montados, ou outros tipos de cargas mecânicas,
causam tensões a serem induzidas nos pontos de ligação de componentes com a superfície.
Independentemente da origem das tensões, quando ela exceder a resistência do material, uma
rachadura inicializará no ponto mais fraco. Após a inicialização, a rachadura se propaga até
ocorrer uma falha completa. Dependendo do material e da localização de onde a falha inicia, a
perda da funcionalidade do componente (elétrica ou mecânica) pode levar diferentes períodos
de tempo. O processo de produção introduz muitas pequenas falhas em regiões diferentes do
componente. Erros iniciam geralmente em locais do componente com falhas pré-existentes
que sofrem altas tensões mecânicas. As causas típicas das falhas de encapsulamentos
eletrônicos são brevemente discutidas abaixo.
2.1 ESFORÇOS GERADOS DEVIDO A UMA EXCURSÃO TÉRMICA
As estruturas usadas nos conjuntos microeletrônicos são construídas de materiais que
têm uma escala larga de propriedades de expansão térmica. Esta incompatibilidade de
expansão térmica na superfície de dois ou mais matérias com diferentes coeficientes de
dilatação térmica causam esforços nos materiais durante uma excursão térmica. Ao nível de
dispositivo, camadas de óxido conectadas às linhas de silício são bons exemplos de interfaces
multi-materiais. A oxidação e deposição de temperaturas usadas na construção dessas
estruturas são diferentes das temperaturas dos passos subseqüentes de fabricação e diferentes
da temperatura que o dispositivo vai operar. O encapsulamento de dispositivos fabricados
introduz problemas similares em escala diferente. Cerâmicos ou materiais orgânicos usados
nos dispositivos para proporcionar um ambiente de operação estável para os elementos ativos
6
de uma estrutura, introduzem esforços devido a uma diferença de coeficientes de dilatação
térmica com o silício.
FIGURA 1 – Diagrama esquemático de esforços térmicos durante o refluxo
Considere o exemplo simplificado de unir um dispositivo de silicone com um substrato
orgânico usando uma fina camada de solda de chumbo-estanho eutética, como mostrado na
figura acima. A temperatura de fusão dessa sola é aproximadamente 1830 C. Assim, em 1830
C ou superior, os materiais individuais são livres para se expandir independentemente.
Quando conjunto resfria (temperaturas menores que 1830 C), a camada de solda solidifica,
aderindo o silicone e o substrato orgânico rigidamente nas superfícies de acoplamento. O
movimento relativo é entre o casamento da superfície do silicone e do substrado é impedido
forçando-os a contrair juntos. Entretanto, o substrato orgânico, que tem um coeficiente de
dilatação térmica maior que o do silicone, tentará contrair mais. Forças compressivas são
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induzidas no dispositivo e forças de tensão no substrato. Essas forças opostas formam um
momento forçando uma curvatura com formato convexo no topo do conjunto. Essa curvatura
tem um efeito significante na distribuição de esforços nas camadas interconectadas. Devido à
curvatura, esforços de tensão são introduzidos no topo do dispositivo e esforços de
compressão na parte de baixo do substrato. Para camadas elásticas, a distribuição de esforços
pode ser facilmente calculada. A localização ao longo da espessura onde as direções dos
esforços alteram depende da magnitude relativa de duas componentes dos esforços. Em
alguns casos, há mais que uma linha neutral ao longo da espessura. A distribuição de esforços
no dispositivo pode variar entre os calculados de um modelo elástico, devido a natureza
viscoelástica da camada adesiva. Esforços de borda de dispositivo adicionais estão presentes
para balancear as forças nas regiões centrais do dispositivo. Como resultado, altos esforços
ocorrem localmente na borda dos dispositivos.
Em geral, há três esforços primários que existem nas interfaces do conjunto após a
variação térmica: esforços normais, esforços de cisalhamento e esforços de separação de
camadas. Todos esses esforços variam ao longo do comprimento da interface, e suas
magnitudes dependem da rigidez dos componentes individuas ao serem ligados. Esforço
normal tem seu máximo valor próximo das regiões centrais do dispositivo e decaí para zero
nas bordas. Esforço de cisalhamento tem sua magnitude máxima nas bordas dos dispositivos.
Esforços de separação de camadas mudam sua direção ao longo do dispositivo, e tem uma
magnitude máxima próxima as bordas do dispositivo. Há um número de formulações
analíticas que conseguem prever a distribuição de esforços em um conjunto.
2.2 CICLOS DE TEMPERATURA EM OPERAÇÃO
O encapsulamento é sujeito a inúmeros ciclos de aquecimento e resfriamento em
operação. Quando o dispositivo é ligado, a temperatura aumenta, e quando é desligado, a
temperatura cai. A magnitude da temperatura máxima na superfície do dispositivo depende da
solução térmica empregada, e usualmente está entre 80 e 1250 C. Em adição a esses ciclos de
liga e desliga (ciclos máximos), o CI sofre ciclos entre diferentes valores intermediários de
temperatura, dependendo do uso do CI (ciclos mínimos) em suas aplicações.
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2.3 DELAMINAÇÃO NA INTERFACE DE MATERIAIS
Como mencionado previamente, um encapsulamento eletrônico consiste em muitas
interfaces de vários materiais. Ligação mecânica é a mecanismo de ligação primário de muitas
dessas interfaces. Delaminação pode ocorrer nessas interfaces durante excursões de
temperatura na fabricação ou em operação. A causa primária de delaminação nas interfaces
são defeitos de fabricação agravados pelos esforços de cisalhamento atuando nas interfaces
devido a descasamento da constante de dilatação térmica. Uma interface comum vista em um
encapsulamento é um material orgânico (como epóxi ou um encapsulante) ligado a uma
superfície metálica ou cerâmica. Há um grande número de publicações na literatura que
descrevem mecanismos associados com delaminação na interface devido ao encapsulamento.
2.4 CARGAS DE CHOQUE E VIBRAÇÕES
Os requisitos de aumento de velocidade dos modernos atuais CIs encapsulados
conduziram a encapsulamentos com tamanhos maiores. Estruturas catilever (tipo de estrutura
apoiada em um ponto só) e estruturas levemente contidas são regiões de interesse em cargas
de choques e vibrações ambientais. A resposta dinâmica de uma encapsulamento pode
introduzir esforços cíclicos de alta freqüência em alguns componentes do encapsulamento,
surgindo a possibilidade de uma fadiga cíclica alta. Como exemplo, considere que o esforço
que ocorre quando um CI é sujeito a vibrações. A repetida flexão de uma estrutura
encapsulada colocará as linhas de cobre e junções de solda em um esforço cíclico. Se o
encapsulamento tem a freqüência ressonante em 10 Hz e uma vida útil esperada de 4000
horas, as linhas do circuito e as saliências das soldas teriam que resistir a um número mínimo
de 100 milhões de ciclos de reversão de esforços.
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2.5 METODOLOGIAS TÍPICAS DE ANÁLISE
A análise de elementos finitos junto com experimentos adequados é a técnica mais
comum utilizada para determinar o comportamento e a confiabilidade de um encapsulamento
aos vários esforços induzidos pelo ambiente. Devido às estruturas complexas de
encapsulamento, simplificações geométricas são geralmente utilizadas nestas análises. Para
garantir que todas as interações relevantes são consideradas e o modelo representa
precisamente o comportamento da estrutura real, experimentos de validação de modelos são
realizados. Os resultados dos experimentos são utilizados para calibrar o modelo para garantir
a validez das previsões do modelo. Recentemente, extremamente sensíveis, técnicas de
interferência ótica de campo têm sido extensivamente usadas para calibrar e comparar as
previsões numéricas com o comportamento atual.
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3 CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS DO ENCAPSULAMENTO DE CIS
3.1 A IMPORTÂNCIA DO GERENCIAMENTO TÉRMICO
O Gerenciamento térmico de um sistema eletrônico abrange todos os processos
térmicos e tecnologias que devem ser utilizadas para mover e transportar o calor dos
componentes individuais para o dissipador térmico do sistema de uma maneira controlada.
O Gerenciamento térmico tem dois objetivos principais. A primeira é garantir que a
temperatura de cada componente é mantida em ambos os seus limites funcionais e o máximo
permitido. O limite de temperatura funcional define a temperatura máxima até à qual os
circuitos elétricos pode ser esperado para alcançar os seus objetivos de desempenho
específicos. O funcionamento dos circuitos em temperaturas mais elevadas do que o limite
funcional pode resultar em degradação de desempenho ou erros de lógica. O limite de
temperatura máxima admissível é a mais alta temperatura a que um componente ou peça pode
ser exposto de forma segura. O Funcionamento do componente em temperaturas superiores ao
limite de temperatura máxima admissível pode causar alterações irreversíveis no seu
funcionamento ou pode até causar a destruição física do componente.
O segundo objetivo do gerenciamento térmico é garantir que a distribuição de
temperatura em cada componente satisfaz os objetivos de confiabilidade. Mecanismos de
falha encontrada em componentes eletrônicos são cinéticos de natureza e dependem
exponencialmente da temperatura de funcionamento do dispositivo. A relação exata entre a
taxa de insucesso e de temperatura depende das propriedades termofísicas dos materiais de
encapsulamento e do mecanismo de falha na operação. A relação entre a taxa de falha
normalizada e temperatura, para as alterações no dispositivo operacional características
resultantes de processos químicos ou difusão, pode ser definida pela equação de Arrhenius da
seguinte forma:
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(3.1.1)
= Taxa de falha
= Taxa de falha normalizada
T = temperatura da junção absoluta (K)
= temperatura de referência (K)
= Energia de ativação (eV)
k = constante de Boltzmann: 8,616 x 10-5 (eV / K)
A Figura 2 mostra um gráfico da (3.1.1) para uma temperatura de referência de 100° C
e energia de ativação de 0,4 eV e 1,0 eV. A figura mostra que para energias de ativação entre
0,6 a 0,8 eV a 25 ° C o aumento na temperatura de operação, acima da temperatura de
referência, resulta em um aproximadamente 5-6 vezes em aumentar a taxa de falha. Assim, o
controle preciso da temperaturas de funcionamento do componente é absolutamente essencial
para assegurar a confiabilidade do produto.
FIGURA 2 - Taxa de falha do componente em função da temperatura de junção
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3.2 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Para entender as características térmicas de componentes eletrônicos e
encapsulamentos, é necessário uma breve revisão dos processos pelo qual o calor é transferido
de um ponto a outro. Transferência de calor ocorre por pelo menos um dos três modos:
condução, convecção e irradiação.
3.2.1 CONDUÇÃO
Condução é uma modalidade de transferência de calor em que o calor flui de uma
região de maior temperatura para uma temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido,
líquido ou gasoso) ou mídia física direta contato. No fluxo de calor condutivo, a energia é
transmitida através da comunicação direta molecular sem apreciável deslocamento das
moléculas. Em um sistema unidimensional (ver Figura 3), a transferência de calor é regida
pela seguinte relação:
(3.2.1)
Onde:
q = Taxa de fluxo de calor (W)
k = Condutividade térmica do material (W/mC)
A = Área da seção reta (m2)
T = Diferença de temperatura, T1-T2, entre a região quente e fria (K or °C)
L = Distância linear
Usando uma analogia elétrica, se Q e T são análogos à corrente e tensão,
respectivamente, L / kA é análogo à resistência elétrica. De acordo com a (3.2.1), a resistência
térmica pode ser expressa em termos de condutividade térmica de materiais e parâmetros
geométricos e é independente da dissipação de potência.
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FIGURA 3 – Fluxo de calor por condução unidimensional
3.2.2 CONVECÇÃO
A convecção é um modo de transporte de calor de uma superfície sólida para um
fluido e ocorre devido ao movimento do fluido. A relação de base que descreve a
transferência de calor por convecção a partir de uma superfície pressupõe uma dependência
linear com a elevação de temperatura de superfície sobre o ambiente, e é referido como lei de
Newton do arrefecimento:
(3.2.2)
onde:
qc = Fluxo de calor convectivo de uma superfície para o ambiente (W)
A = Área da superfície (m2)
Ts = Temperatura da superfície (ºC)
Ta = Temperatura do ambiente (ºC)
hc = Coeficiente convectivo de transferência de calor médio(W/m2C)
Na convecção forçada, o fluxo de fluido é criado por um fator externo, como um
ventilador. Na convecção livre ou natural, o movimento do fluido é induzido por variações de
densidade resultantes de gradientes de temperatura do fluido. Sob a influência da gravidade
ou forças de corpo, estas diferenças de densidade da origem a forças de empuxo que movem o
calor de fluidos para longe de superfícies tocadas pelo fluido.
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3.2.3 IRRADIAÇÃO
Irradiação de transferência de calor ocorre como resultado de uma energia irradiada
emitida por um corpo em virtude da sua temperatura. O transporte de calor por irradiação
ocorre sem o auxílio de qualquer meio de intervenção. A energia irradiada é, por vezes,
previsto para ser transportada por ondas eletromagnéticas, outras vezes por fótons. Nenhum
ponto de vista descreve completamente a natureza de todos os fenômenos observados. A
quantidade de calor transferido por irradiação entre duas superfícies em temperaturas T1 e T2
respectivamente, é regida pela seguinte expressão:
(3.2.3)
q = Quantidade de calor transferido por irradiação (W)
ϵ = Emissividade (0 < < 1)
σ = Constante Stefan-Boltzmann, 5.67 X 10-8 (W/m2 K4)
A = Área (m2)
F12 = Fator de formato entre as superfícies 1 e 2
T1, T2 = T1, T2 = Temperaturas de superfícies (K)
Para a irradiação fazer uma contribuição bastante significativa em comparação com
convecção natural ou qualquer mecanismos de convecção forçada, uma diferença de
temperatura relativamente elevada deve existir entre T1 e T2. No caso de aplicações
eletrônicas de mais baixa potência, esta diferença de temperatura está relativamente pequena
e, portanto, os efeitos da radiação são normalmente negligenciados. Mas, para aplicação de
potência, a transferência de calor por irradiação deve ser considerada. Para comparar os
efeitos de irradiação e convecção, o coeficiente de transferência de radiação de calor é
definida como:
(3.4.2)
onde é um coeficiente de transferência de calor irradiante.
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3.3 RESISTÊNCIA TÉRMICA EM PROJETOS DE ENCAPSULAMENTO
O desempenho térmico dos encapsulamentos dos CIs geralmente é medido utilizando os
valores de resistência térmicas da junção para o ambiente e junção para o encapsulamento.
Esses parâmetros são definidos pelas seguintes relações:
ϴjC =(Tj – Tc)/P (3.3.1)
ϴca = (Tc – Ta)/P (3.3.2)
ϴja = ϴjc + ϴca (3.3.3)
ϴja = Resistência térmica da Junção para o ambiente (C/W)
ϴjc = Resistência térmica da Junção para o encapsulamento (C/W)
ϴca = Resistência térmica do encapsulamento para o ambiente (C/W)
Tj = Temperatura média da pastilha (C)
Tc = Temperatura do encapsulamento no local predefinido (C)
P = Dissipação de Potência do dispositivo (W)
Ta = Temperatura ambiente
A resistência térmica da junção para o encapsulamento, QJC, é uma medida da
resistência térmica interna do encapsulamento a partir de moldes de silício para o exterior do
encapsulamento. QJC é fortemente dependente das propriedades térmicas (ou seja,
condutividade térmica) dos materiais e da geometria do encapsulamento. A resistência
térmica da junção para ambiente qja, inclui não apenas a resistência interna térmica, mas
também a resistência da condução e convecção térmica do encapsulamento para o ambiente
externo. valores qja dependem da condutividade térmica do material e da geometria do
encapsulamento, bem como condições ambientais, tais como as taxas de fluxo de fluido
refrigerante e as propriedades termofísicas do fluido refrigerante.
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3.4 FATORES QUE INFLUENCIAM A RESISTÊNCIA TÉRMICA
A resistência térmica de um encapsulamento não é uma constante. O processo de
montagem do encapsulamento e configuração de muitos encapsulamento e parâmetros
ambientais têm um impacto sobre os valores de resistência térmica. O que se segue é um
resumo de alguns parâmetros que afetam a resistência térmica.
3.4.1 TAMANHO DO ENCAPSULAMENTO
Como demonstrado pelo condutor de uma dimensão e expressões de resistência térmica
convectiva, a resistência térmica é inversamente proporcional à área. Isso significa que se o
encapsulamento ficar maior, a resistência térmica torna-se menor devido ao aumento na área
de transferência do calor.
FIGURA 4 – Efeitos do tamanho do encapsulamento na resistência térmica
3.4.2 CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO MATERIAL DO ENCAPSULAMENTO
Novamente, a expressão unidimensional da resistência térmica condutiva mostra que a
resistência térmica é inversamente proporcional à condutividade térmica do material do
encapsulamento. Por exemplo, óxido de alumínio, o material mais comumente usado em
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cerâmica, tem uma condutividade térmica que é uma ordem de magnitude maior do que os
materiais plásticos. Como resultado, a resistência interna de um encapsulamento de cerâmica
é substancialmente menor do que um encapsulamento de plástico da família de mesmo
encapsulamento, resultando em menor resistência térmica global.
3.5 PROJETO DO SISTEMA TÉRMICO
O encapsulamento de um sistema eletrônico começa com a concepção ou selecção da
estrutura que abriga o circuito integrado ou chip de silício, prossegue para a interconexão chip
a chip, continua até o nível placa a placa e termina no caixa ou armário que protege o sistema
completo.
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4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO ENCAPSULAMENTO DE CIS
Em termos simples, um modelo elétrico de encapsulamento traduz as propriedades
físicas de um encapsulamento em características elétricas que normalmente são combinados
em uma representação do circuito. As características típicas de circuitos elétricos que são
relatados são resistência DC (R), indutância (L), capacitância (C), e impedância característica
(Zo) de várias estruturas do encapsulamento. Um modelo de encapsulamento é compostas por
duas partes, ambas as quais são necessárias para a plena compreensão dos efeitos do
desempenho elétrico do ambiente do encapsulamento.
O primeiro é um modelo de I / O que descreve o percurso do sinal do substrato até os
terminais. Dependendo da complexidade do modelo necessário para fins de simulação, o
modelo I / O pode assumir a forma de um modelo de circuito simples de única parte, um
modelo de circuito de distribuídas partes, um modelo da linha de transmissão de condutor
único, ou um modelo de linhas de transmissão de múltiplos condutores. Enquanto os modelos
de circuito podem adequadamente modelar os efeitos simples, como queda de tensão resistiva
DC, os modelos mais sofisticados como o modelo de linha de transmissão de condutores
múltiplos incluem efeitos como tempo de atraso e crosstalk.
A segunda parte de um modelo de encapsulamento é uma rede de distribuição de
energia que descreve o esquema de potência do encapsulamento. Tal como o modelo I / O,
a sofisticação da rede de distribuição de energia pode variar de uma simples distribuição de
modelo único para uma rede de circuito complexo chamado rede PEEC (partial-element
equivalent circuit). Os modelos mais simples podem descrever características elétricas gerais
da rede de distribuição de energia, como a queda resistiva DC para o encapsulamento inteiro,
enquanto os modelos mais complexos permitem a análise dos efeitos da topologia da rede de
potência.
4.1 RESITENCIA
A resistência DC (R) é normalmente a causa da queda de tensão IR no encapsulamento.
A redução da resistência DC é particularmente importante na potência e nos caminhos de
terra. A resistência DC é determinada pelas dimensões transversais (largura e espessura),
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material e comprimento do fio. A resistência DC de um contato de I / O com área transversal,
A, comprimento, L, e resistividade, ρ , pode ser calculado por meio de: A
LR
⋅=
ρ
4.2 CAPACITÂNCIA
A Capacitância (C) é determinada pelo comprimento do contato e dimensões
transversais, o espaçamento entre os contatos, o espaçamento entre os contatos e a
alimentação ou o plano de terra, a constante dielétrica do material circundante, bem como o
número de condutores envolvidos. A constante dielétrica relativa do material utilizado para
encapsulamentos de cerâmica está na faixa de 8-10. A constante dielétrica do material
utilizado para encapsulamento de plástico está na faixa de 4-6. Existem fórmulas para a
capacitância de geometrias clássicas, porém, a capacitância de uma estrutura especial em um
encapsulamento deve ser normalmente calculada através de uma ferramenta de modelagem de
software. A fórmula da capacitância de placas paralelas capacitor pode ser usada para deduzir
as relações gerais entre a geometria e a capacitância. A capacitância para esta estrutura,
negligenciando a dispersão dos campos, é: t
AC
⋅=
ξ, onde A é a área de uma das placas, ξ
é a permissividade do material que separa as placas e t é a espessura do material.
Capacitâncias que são importantes para a performace elétrica do encapsulamento são
“capacitância de carga”, "capacitância contato-contato" e "capacitância de desacoplamento".
A capacitância de carga é a capacitância total de um contato com respeito a todos os
condutores circundantes.
A capacitância contato-contato é a capacitância mútua entre dois contatos. A
capacitância contato-contato e a indutância mútua determinam a extensão do acoplamento
eletromagnético entre dois contatos. A capacitância de desacoplamento é a capacitância total
entre o contato de alimentação e o contato de terra.
Em um PGA de cerâmica com planos de alimentação e terra, a capacitância de
desacoplamento é devida a capacitância entre os planos de alimentação e de terra, bem como
capacitores discretos adicionados no encapsulamento. Em encapsulamentos de plástico PGA,
capacitância de desacoplamento é normalmente fornecida pela adição de capacitores discretos
no encapsulamento. Capacitância de desacoplamento serve como um reservatório que fornece
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parte da energia necessária quando os buffers comutam. Isso reduz a queda de tensão AC,
também chamado de ruído de comutação ou a rejeição de terra, do caminho alimentação/terra.
4.3 INDUTÂNCIA
Uma definição simples de indutância (L) é a propriedade de um condutor que descreve
a proporcionalidade entre corrente de carga e tensão induzida. Um indutor é qualquer
condutor através do qual há uma queda de tensão quando há uma corrente variante no tempo
presente. Este aspecto de um encapsulamento é importante na determinação da extensão dos
efeitos de crosstalk e simultâneo ruído de comutação.
Os valores de indutância são determinados pelo comprimento do contato e as dimensões
transversais, o espaçamento entre os contatos, o espaçamento entre os planos de alimentação
ou terra, a permeabilidade do condutor, e o número de condutores envolvidos. A regra geral é
que quanto menor o loop de corrente envolvido menor a indutância. Este é um conceito
importante a estar ciente quando projetar encapsulamentos e sistemas, em geral. Cada sinal
deve ter um caminho de retorno próximo, bem definido e contínuo. Há poucas fórmulas
simples para a indutância porque a indutância depende tanto da geometria da estrutura física e
do caminho de retorno da corrente. Alguns problemas clássicos vêm sendo resolvidos de
forma fechada. Códigos de software que usam técnicas de análise eletromagnética são
normalmente utilizados para calcular a indutância de estruturas complexas em
encapsulamentos
4.4 IMPEDÂNCIA CARACTERÍSTICA
Impedância característica (Zo) é um parâmetro que é usado para descrever estruturas de
linha de transmissão, que são todas as estruturas que consistem em dois condutores - um
condutor de sinal (cabo) e um condutor de referência, normalmente uma relação alimentação /
terra. Na modelagem do encapsulamento, as trilhas são geralmente descritos em termos de
parâmetros de linha de transmissão, pois esse tipo de descrição inerentemente incorpora
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tempo de atraso. Um modelo que consiste de componentes de um bloco de circuito não conta
o tempo de atraso do sinal através do encapsulamento.
A impedância característica de uma linha pode ser encontrada usandoC
LZ = ,
L e C são valores por unidade de comprimento da indutância e capacitância da linha, assim Zo
é independente do comprimento da linha.
Zo é um fator importante na determinação do montante da reflexão do sinal que irá
ocorrer na fronteira entre o die e o encapsulamento e na fronteira entre o encapsulamento e o
limite externo.
A quantidade de reflexão e, portanto, a distorção do sinal, é diretamente proporcional à
incompatibilidade entre Zo é essas fronteiras. Como exemplo, a Zo de segmentos de placas
FR-4, geralmente usadas para placas-mãe, é de cerca de 50 ohms, tecnologias de
encapsulamento procuram, tanto quanto possível, corresponder a essa impedância tanto
próximo quanto possível. Por exemplo, um encapsulamento CPGA típico tem 42 ohms de
impedância e um encapsulamento PPGA típico tem uma impedância de 47 ohms.
4.5 CROSSTALK
Crosstalk refere-se ao acoplamento de sinal indesejado entre linhas. É uma função
complexa das características do driver e do receptor, características de trilhas e padrões de
comutação. Algumas generalidades sobre design do encapsulamento e sua relação com
crosstalk pode ser feita. Crosstalk em um encapsulamento depende do stack-up, assim como é
a impedância característica, no entanto, o crosstalk é afetado principalmente pela distância
entre as trilhas e a quantidade de paralelismo entre elas.
Quanto maior a distância do paralelismo entre duas ou mais linhas, maior a interferência
entre elas. Além disso, quanto mais próximo são as linhas uma das outras, maior o crosstalk.
A proximidade do plano de alimentação/terra para as trilhas podem ajudar a reduzir a
interferência. Ou seja, o crosstalk é diretamente proporcional à distância entre os planos acima
e abaixo da trilha. Não existem fórmulas simples para prever o crosstalk. Modelos de trilhas,
com a indutância mútua e capacitância calculada, devem ser gerados e executar simulações
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utilizando modelos de buffer e modelos que representam o sistema de carga para determinar
corretamente a quantidade de interferência em um modelo de encapsulamento ou sistema.
4.6 COMUTAÇÃO SIMULTÂNEA
Uma preocupação final no encapsulamento e design do sistema é o efeito da
comutação simultânea de sinais.
Existem dois pontos de interesse, quando muitos sinais são comutados
simultaneamente: o ruído gerado no plano de alimentação / terra e tempo de pushout dos
sinais. O primeiro item, o ruído de alimentação/terra, é normalmente referido como "SSN", o
ruído simultâneo de comutação, e é o ruído gerado nas estruturas de alimentação / terra
devido a correntes variáveis e os elementos indutivos no sistema de fornecimento de energia.
O segundo item é normalmente referido como "SSO (saída de comutação simultânea)
pushout". Esta é a diferença de tempo entre um bit e comutação de múltiplos bits. Designers
de sistemas devem orçamentar para o pior caso de troca em seu projeto, para garantir um
projeto que seja suficientemente robusto para lidar com todos os casos de comutação.
Análises de SSN e SSO são muito complexas, mas fundamentais para o processo de design
global.
A orientação geral para mitigar o impacto da mudança simultânea é a certeza de que
todos os sinais têm caminhos de retorno bem definidos, com baixa indutância e assegurar que
a rede de fornecimento de energia tem uma baixa indutância.
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A redução no tamanho dos dispositivos eletrônicos aliada com a necessidade de
aumento da velocidade e redução da tensão de alimentação traz novos problemas a serem
considerados pelos projetistas de circuitos integrados. Alguns efeitos que em circuitos
maiores e mais simples poderiam ser desconsiderados, nas tecnologias atuais devem ser
previstos e considerados no projeto. Desconsiderar alguns efeitos relevantes, como a
influência do descasamento de transistores ou efeitos do encapsulamento de CIs, na fase de
projeto resultará em um circuito que funcione de forma inesperada.
Atualmente existem vários estudos sobre os efeitos elétricos, térmicos e mecânicos do
encapsulamento no dispositivo e equipamentos modernos de medidas precisas. Com base na
teoria desenvolvida são desenvolvidos modelos capazes de prever os efeitos no dispositivo.
Com as medidas, é feita a calibração desses modelos. Empresas aperfeiçoam encapsulamento
através do design, construção, seleção de materiais e processos para assegurar que as
características mecânicas e elétricas são aceitáveis.
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REFERÊNCIAS
INTEL. Performance Characteristics of IC Packages. 2000. Disponível em <http://www.intel.com/assets/PDF/pkginfo/ch_04.pdf>. Acesso em julho de 2010. WIKIPEDIA. Encapsulamento de circuitos integrados. 2010. Disponível em <http://pt.wikipedia.org/wiki/Encapsulamento_de_circuitos_integrados>. Acesso em julho de 2010.