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Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE
Needs
MASTER DEGREE:
Industrial Systems Engineering
ASIGNATURA ISE3:
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
MÓDULO 1:
Principios básicos de circuitos integrados MOS y bipolar y
módulos multichip
TAREA 1-3:
MÓDULOS MULTICHIP
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
Tabla de contenido
TAREA 1-3: MÓDULOS MULTICHIP.................................................................................. 3
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS (Formato Título 2)........................................... 3
2. CONTENIDO..................................................................................................................... 3
2.1 APARTADO 1: Tecnologías de construcción de los módulos multichip
............................................................................................................................................... 4
2.1.1 Sustratos MCM-L ................................................................................................. 5
2.1.2 Sustratos MCM-C ................................................................................................ 6
2.1.3 Sustratos MCM-D ................................................................................................ 9
2.2 APARTADO 2: Operaciones de instalación y ensamblaje de los
módulos multichip ........................................................................................................ 11
2.2.1 Métodos de ensamblaje de los MCM ......................................................... 11
2.2.2 Métodos de encapsulamiento de los MCM............................................... 16
2.3 APARTADO 3: Aplicaciones de los MCM en los SI .................................... 17
2.3.1 Memorias diseñadas con tecnología MCM ............................................... 18
2.3.2 Microprocesadores diseñados con tecnología MCM ............................. 19
3. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 22
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ....................................................................... 23
5. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................... 23
Índice de figuras
Figura 1. Características de un sustrato MCM-L ........................................................................... 5
Figura 2. Características de un módulo MCM-C............................................................................ 6
Figura 3. Características de un sustrato MCM-D.......................................................................... 9
Figura 4. Chip interconectado por wire-bonding. Se aprecian las interconexiones mediante
cables........................................................................................................................................... 11
Figura 5. Esquema de una cinta de interconexión. ..................................................................... 13
Figura 6. Unión por flip-chip típica. ............................................................................................. 15
Figura 7. Imagen de una memoria de burbuja. ........................................................................... 18
Figura 8. Memory Stick de 16 Gb de capacidad. ......................................................................... 19
Figura 9. Módulo Intel Core 2. .................................................................................................... 20
Figura 10. Chip IBM POWER 5. Con cuatro procesadores y cuatro cachés externas, en un
sustrato cerámico........................................................................................................................ 21
Figura 11. Imagen de un chip IBM POWER 7, con 8 microprocesadores.................................... 21
MÓDULOS MULTICHIP
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Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
TAREA 1-3: MÓDULOS MULTICHIP
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS (Formato Título 2)
El objetivo de este proyecto es el determinar diversos aspectos de la
tecnología de integración de circuitos conocida como módulos multichip.
Estudiaremos básicamente tres aspectos básicos, como son los métodos
que existen de construcción, su instalación y funcionamiento y finalmente las
aplicaciones que se le dan en los sistemas industriales.
En el primer apartado nos ocuparemos de describir las formas de
construcción de los MCM, describiendo las particularidades de cada una de
ellas.
En el segundo apartado explicaremos los métodos de ensamblaje que
se utilizan para conectar cada componente de los módulos multichip y las
características
que
tienen
al
respecto
de
la
funcionalidad
del
módulo
correspondiente.
Finalmente en el último apartado describiremos los diferentes ámbitos
de aplicación de los MCM, describiendo algún caso particular.
2. CONTENIDO
Un módulo multichip (MCM), es un sistema o subsistema electrónico en
el cual dos o más circuitos integrados simples, o módulos a escala de chip,
son ensamblados en un mismo sustrato. El módulo resultante será poseedor
de funcionalidad completa, así se podría decir que un MCM puede ser
interpretado un único componente complejo formado por varios componentes
más simples interconectados para llevar a cabo una determinada función.
La
utilización
de
la
tecnología
MCM
está
sufriendo
un
rápido
crecimiento que está revolucionando la industria de la electrónica. Esta
tecnología elimina el empaquetamiento de circuitos integrales individuales, y
sustituye las interconexiones de los módulos individuales, que son mucho
mayores que los
chips
que contienen, con estructuras monolíticas que
conectan dos o más chips sin recubrimiento. Produciéndose así una reducción
drástica de tamaño. Así como un aumento de la posible complejidad de un
sistema
en
muchísimo
menor
espacio
que
si
se
realizara
con
chips
individualizados.
Otra ventaja de la utilización de MCM es la integración tecnológica. En
un MCM se pueden mezclar funciones analógicas y digitales sin limitaciones
significativas, así como un circuito integrado con una aplicación específica
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(ASIC) puede ser mezclado con microprocesadores estándar y memorias en un
mismo módulo.
También son destacables la fiabilidad que se consigue, al conseguir
proteger un sistema completo de los problemas ambientales; el incremento en
la velocidad de propagación de datos, al posicionar componentes unos al lado
de otros sin necesidad de grandes buffers y reduciendo los tiempos de
retardos; la posibilidad futura de reducción de costes en el momento que se
produzcan en cadena, etc.
A
continuación
profundizaremos
en
los
diferentes
métodos
de
construcción de módulos multichip.
2.1 APARTADO 1: Tecnologías de construcción de los módulos
multichip
Las tecnologías de construcción de módulos multichip, se diferencian
básicamente en el tipo de sustrato que sirve de nexo de unión de los
componentes que lo forman.
Las tres tecnologías más importantes para la fabricación de MCM son:
-
MCM-L, o MCM laminado. Cuyo sustrato está configurado con láminas
orgánicas apiladas (similar al sustrato utilizado en las placas de circuito
impreso (PCB).
-
MCM-C, o MCM cerámico. Con sustrato cerámico multicapa. La cerámica
puede ser de tipo LTCC.
-
MCM-D, o MCM depositado. Los módulos están depositados en un
substrato base usando tecnología de película fina. Alternando capas con
conexiones metálicas estampadas con finas películas de dieléctrico.
Cada uno de estos grupos tiene su lugar en la jerarquía tecnológica y
su método de implementación.
El MCM-L es el desarrollo de las tecnologías convencionales para la
obtención de circuitos impresos. Sin embargo, con el fin de obtener un menor
tamaño topológico de los buses conductores, de los terminales de contacto y
de cara a obtener una mayor precisión en la colocación de los componentes,
se utilizan nuevos materiales y procesos tecnológicos mejorados (como las
técnicas fotolitográficas de alta definición). El montaje de los componentes
también se diferencia notablemente de los métodos estándar de montaje de
circuitos impresos, como en el caso de sustituir las soldaduras de los
terminales por técnicas de cableado como el flip-chip. La estructura MCM-L
asegura la menor densidad de integración en comparación con las otras dos
variantes, pero a la vez es la más simple y barata de las tres.
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La estructura MCM-C es similar a la tecnología de lámina gruesa para
circuitos integrales híbridos. El típico MCM-C contiene numerosos chips no
alojados unidos mediante cableado al chip monolítico sobre un sustrato
cerámico. Como sustrato se utiliza cada vez más LTCC (cerámicas de baja
temperatura de sinterizado).
El tercer grupo de módulos multichip MCM-D se basa en la tecnología
de capa fina. En este caso se aplican las capas conductoras, resistivas y
dieléctricas por evaporación al vacío o pulverización catódica y la topología se
forma por fotolitografía. La estructura de capas se deposita en cerámica
pulida, metal, vidrio o sustratos semiconductores. Se utilizan muy a menudo
sustratos de silicio debido a sus buenos parámetros tecnológicos, y por la no
menos importante compatibilidad de su coeficiente de dilatación con el de los
chips enlazados, de los dieléctricos o de las capas de poliamida aplicadas.
2.1.1 Sustratos MCM-L
Esta tecnología deriva de la utilizada para la fabricación de placas de
circuitos impresos y utiliza trazas de cobre gravadas en láminas orgánicas
reforzadas, con vías a través de agujeros que interconectan las diferentes
capas. Comparándolo con los circuitos impresos convencionales, estas técnicas
de procesamiento más avanzadas dan como resultado unas dimensiones
características más pequeñas y permiten la incorporación de vías que se
extienden solamente en parte de su camino a través de la placa (vías ciegas)
así como otras que conectan láminas enteras dentro de la placa (vías
enterradas). Estás vías ciegas y enterradas incrementan enormemente la
densidad de componentes que pueden ser conectados en una placa.
Figura 1. Características de un sustrato MCM-L
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MCM-L se refiere específicamente a la tecnología utilizada para la
fabricación de la plataforma de cableado. La plataforma puede ser utilizada
para interconectar unos pocos circuitos integrados MCM independientes o para
la construcción de una placa de circuito compleja que contenga numerosos
componentes y a su vez incorpore varios métodos para proteger los cables y
componentes de unión (por ejemplo, "glob top" o encapsulado hermético).
Estas placas complejas, incluso podrían incluir otros MCM unidos a ella en una
configuración que recibe el nombre de “chip on board”.
2.1.2 Sustratos MCM-C
Este tipo de MCM evoluciona directamente de las técnicas tradicionales
de capa gruesa respondiendo así a la necesidad de incrementar la densidad
de empaquetamiento y de mejorar su rendimiento. La densidad se ha
Figura 2. Características de un módulo MCM-C
conseguido incrementar comprimiendo el tamaño de varias características del
circuito como son el tamaño de las vías de interconexión de las capas de
sustrato, el tamaño
de las trazas conductoras utilizadas para el enrutamiento
de señales y los huecos existentes entre las diferentes trazas y vías. En el
método tradicional de capa gruesa, estas características eran creadas por
serigrafía, en la que la geometría de la malla limitaba los anchos de línea y
espacios alcanzables. Algunos parámetros determinan la resolución de los
elementos impresos además de la misma pantalla: la viscosidad de la capa de
pasta gruesa, la capacidad de la emulsión para formar una buena junta con el
sustrato, y la velocidad y presión de la escobilla. Combinando y optimizando
todos estos elementos resultaron en un proceso que puede producir vías de
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200µm y espacios o líneas de 125µm. Esta reducción significativa de las
dimensiones características fue posible hace 10 años debido al proceso de
lámina gruesa LTCC de DuPont y por el uso de materiales de lámina gruesa
producidos por otros fabricantes.
La principal diferencia entre los procesos convencionales y el proceso
LTCC de lámina gruesa es la naturaleza del dieléctrico. En los procesos de
lámina gruesa, las capas de dieléctrico son serigrafiadas como lo son las
capas de conductor, aplicando la capa de pasta apropiada encima del
sustrato portador cerámico (por lo general con los agujeros de vía delineados
y alineados con el patrón metálico), y acto seguido se cuecen, o sinterizan en
este caso. Como consecuencia las nuevas capas son construidas sobre capas
previas generando una pila de ellas.
Con el proceso LTCC, las láminas de dieléctrico utilizadas son películas
de cerámica sin cocer. Cada lámina se estampa individualmente con sus
correspondientes trazas de conductor y a continuación se apilan paralelamente
como las páginas de un libro. Las
láminas también tienen vías rellenas con
metal conductor que interconecta las diferentes capas estampadas. El proceso
LTCC puede producir vías de 200µm o incluso menores porque cada una es
perforada mecánicamente o incrustada en cada lámina cerámica sin cocer en
lugar de ser serigrafiada. Las vías se llenan por extrusión de pasta conductora
en el interior de los huecos de vía mediante una plantilla hecha de latón fino
o lámina de poliamida. La reducción de los tamaños de línea y espacio
conseguidos con LTCC resulta principalmente de la posibilidad de imprimir
cada capa conductora en su propia lámina de cerámica sin cocer. La
superficie es significativamente más lisa que en la tecnología de lámina gruesa
así como esencialmente plana, lo que permite a la emulsión aplicada sellar la
superficie durante el proceso de serigrafía, asegurando así la alta integración
del patrón. Por último, como todas las características durante la producción
LTCC son creadas en cerámica sin cocer, cuando son sinterizadas se encogen
todas por
igual del orden del 20%. Se dice que son cocidas todas
simultáneamente.
El
proceso
de
sinterización
es
llevado
a
cabo
con
temperaturas alrededor de los 900°C.
Se pueden utilizar herramientas de diseño asistido por ordenador para
la creación de un sustrato LTCC a partir del esquema de un circuito.
del
conjunto
de
particularidades
del
diseño
(dimensiones,
etc.),
Además
deben
considerarse ciertas cuestiones que podrían afectar a la fabricación como
podrían ser el tamaño de las vías, el tamaño y localización de los recortes, y
el equilibrio metálico. Las capas individuales de cerámica sin cocer son
análogas a folios de papel: son flexibles, se pueden cortar, arrugar, pero a
diferencia de los folios, las láminas cerámicas son frágiles, de modo que
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pueden fracturarse si las tensiones que soporta son demasiado grandes. Un
diseño bien hecho colocaría vías verticalmente adyacentes en un patrón
escalonado en lugar de en una línea recta, además el diseño debe evitar la
formación de "islas de cerámica", es decir, zonas separadas del resto del
sustrato por perforación de vías. Durante el proceso de rellenado de vías e
impresión de conductores, las piezas de cerámica son mantenidas en su
posición mediante vacío, que pasa a través de un accesorio piedra porosa
hacia la parte trasera de un sustrato de una única lámina. Las zonas con
grandes recortes y un número elevado de vías, reducen notablemente la
superficie de área en contacto con el aparato aspirador, dificultando la
sujeción de la lámina durante el proceso de impresión. Se tiene que tener el
cuidado de limitar la apertura en cada lámina cerámica a no más del 40% de
su superficie total.
El otro problema, el equilibrio de metales, es importante por dos
razones. En primer lugar, el metal se contrae a una tasa ligeramente diferente
a la de contracción de la cerámica durante la cocción; y en segundo lugar, la
resistencia mecánica del metal cocido es menor que la de la cerámica cocida.
Para asegurarse del hecho que encojan uniformemente y para asegurar la
integridad
mecánica,
el
diseño
debe
esforzarse
en
mantener
el
mismo
contenido de metal en su sección transversal a través del sustrato. Las capas
individuales pueden ser "desequilibradas", siempre y cuando la suma de todas
las capas proporcione una distribución general de metal razonablemente
equilibrada. Diseños equilibrados originan sustratos LTCC robustos capaces de
ofrecer módulos MCM de alto rendimiento.
La introducción de pastas fotoimprimibles de lámina gruesa por parte
de la industria productora, augura la continuación en la reducción del tamaño
de los sustratos MCM-C por medio de la eliminación de los patrones de
pantalla por completo. Esta tecnología se ha mostrado capaz de producir vías,
líneas y espacios por debajo de los 75 µm. En este proceso, las pastas
conductoras y dieléctricas son fotosensibles. Dichas pastas se aplican en el
sustrato
entero
imprimiendo
una
pantalla
blanca
(pantalla
con
toda
la
emulsión quitada). Después, después de secar la capa, se la expone a una
máscara de luz ultravioleta. Las zonas que no han sido expuestas son
consecuentemente eliminadas en el proceso, dejando así el patrón del circuito
impreso, el cual a continuación es sinterizado. Dado que este sistema delimita
ópticamente
las
características
del
sustrato,
posee
una
resolución
significativamente mayor que la que posee el método de serigrafía. Además,
las vías ciegas y las enterradas, se fabrican fácilmente; no se requiere ningún
proceso crítico, como en el caso de la fabricación de circuitos MCM-L.
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2.1.3 Sustratos MCM-D
La
combinación de materiales
de mayor calidad y
el
poder
de
resolución dimensional que posee la tecnología de capa o película fina
permiten a la tecnología MCM-D dominar el campo MCM en cuanto a densidad
de integración y velocidad se refiere. Los tamaños de integración conseguidos
pueden ser menores a los 10µm, los cuales representan un orden de magnitud
inalcanzable para los métodos MCM-L o MCM-C estándar. Los procesos de
fabricación son similares a los utilizados en la fabricación de circuitos
integrados en los que todas las características son definidas por medio de la
fotolitografía.
Figura 3. Características de un sustrato MCM-D
La clasificación MCM-D se aplica a varias tecnologías dieléctricometálicas diferentes que comparten una filosofía tecnológica común con el
modelado secuencial fotolitográfico de capas de película fina. Polímeros
depositados por rotación como son la poliamida y el benzociclobuteno se
utilizan como dieléctricos básicos, aunque también se utilizan en ocasiones el
óxido de silicio, nitruros y oxinitruros. Los conductores son generalmente de
cobre, de aluminio o de oro, y se depositan por pulverización catódica.
El MCM-D utiliza como base una oblea de silicio monocristalino con
hilado de poliamida como dieléctricos que contienen conductores enterrados
de cobre y de oro como conductor de nivel superior. La primera capa
depositada sobre el soporte de silicio puede ser o bien un conductor o un
dieléctrico, dependiendo del diseño del circuito.
Cuando se forma una capa dieléctrica, el recubrimiento elaborado por
rotación se lleva a cabo en varios pasos. Inicialmente, se aplica en la
superficie una solución de aminosilano y se cuece para proporcionar una
monocapa que incrementa la adherencia del precursor de ácido poliámico.
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Entonces, para garantizar que la capa dieléctrica esté libre de defectos y para
aumentar el grado de aplanamiento, se aplica una segunda capa del precursor
y se cuece suavemente. El proceso de curado completo implica calentar aún
más hasta una temperatura máxima de 350 a 400°C, lo que proporciona
suficiente energía térmica para reticular el polímero y formar una verdadera
poliamida. Las vías se forman en la poliamida por ataque con iones reactivos
en un plasma de oxígeno utilizando una máscara metálica foto modelada.
El siguiente paso es eliminar la máscara metálica y gravar con plasma
ligeramente la superficie de la poliamida de cara a incrementar las zonas de
enlace para la siguiente deposición de metal. La capa de metal es en realidad
una triple capa de dos metales, consistente en una capa gruesa de metal de
alta conductividad, emparedada entre dos capas metálicas más finas de otro
material. Después del proceso del fotomodelado, la capa conductora metálica
es atacada con varias soluciones ácidas con el objetivo de retirar la fotoresina
aplicada. El proceso es repetido con la siguiente capa dieléctrica.
Al igual que con otras tecnologías de MCM, las herramientas de diseño
asistido por ordenador son valiosas para la realización de sustratos MCM-D, y
un cierto conocimiento de procesamiento (más allá de las directrices de
diseño) pueden facilitar la construcción de un diseño de circuito que mejore el
rendimiento y su funcionamiento. La formación del dieléctrico es el eslabón
más débil en el proceso de fabricación de sustrato MCM-D. Es difícil crear
planos extensos de láminas poliméricas libres de defectos, por lo tanto, una
preocupación importante cuando se genera el sustrato diseñado serán las
“zonas de cruce”. Esta área se crea cada vez que el metal que se encuentra
en la parte superior de una capa dieléctrica dada cruza cualquier metal en la
parte superior de la capa inmediatamente inferior.
Cualquier defecto abierto en la capa dieléctrica en la zona de cruce
provocará un cortocircuito entre las dos capas metálicas, y pondrá en peligro
al sustrato. Un diseño que minimice la cantidad de áreas de cruce es por lo
tanto deseable para maximizar el rendimiento. Algo sumamente importante es
que áreas completas que actúen de tierra o referencia y/o los planos de
alimentación deben ser evitados, ya que una lámina de tierra y los planos de
alimentación asegurarán fallos en la práctica totalidad de los casos. Siempre
que sea posible se deben utilizar, líneas de energía distribuida y líneas de
tierra, y si se necesita planos completos, éstos no deben estar uno junto al
otro en la pila de capas. Además, cuando las trazas de enrutamiento de la
señal comparten más de una capa, es importante mantener a la mayoría de
trazas dentro de cada lámina ejecutándose en paralelo unas a otras y alternar
la dirección de las láminas de señal adyacentes de modo que las trazas de
estas láminas queden perpendiculares entre sí.
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Los avances en la tecnología MCM-D probablemente no se centrará en
la reducción adicional de los tamaños característicos de cara a aumentar la
densidad de empaquetamiento, ya que la superficie del módulo, en algunos
casos, puede estar ya casi completamente cubierta de dispositivos.
El
relativamente alto coste de los MCM-D sigue siendo una consideración
importante a tener en cuenta. Sin embargo, incrementando el rendimiento de
los sustratos se pueden reducir costes. Esto se puede lograr mediante el
desarrollo de equipos de procesamiento más eficiente (por ejemplo, sistemas
de dispensación de polímero precursor) y mediante la reducción del tiempo de
ciclo de proceso a través del uso de polímero dieléctrico fotosensible, lo que
simplifica el proceso y aumenta su fiabilidad.
2.2 APARTADO 2: Operaciones de instalación y ensamblaje de los
módulos multichip
Existen diversos métodos de instalación y ensamblaje de los dispositivos
al sustrato en la implementación de los módulos multichip. Varios de ellos son
compartidos
con
los
empaquetamientos,
utilizados
como
los
en
chips
la
fabricación
individuales,
de
y
otros
otros
tipos
han
de
sido
específicamente desarrollados para la elaboración de módulos multichip. A
continuación explicaremos los métodos más significativos.
2.2.1 Métodos de ensamblaje de los MCM
2.2.1.1 Wire bonding (uniones por cableado)
Wire bonding es el método
más usado para llevar a cabo las
conexiones
entre
los
circuitos
integrados y la placa de circuito
impreso
(PCB).
Sin
embargo,
la
utilidad del método wire bonding
no se limita solo a este tipo de
conexiones,
ya
que
también
se
puede utilizar para conectar varios
circuitos integrados entre sí.
El
consiste
método
en
“wire
crear
bonding”
cables
de
interconexión muy finos desde los
Figura 4. Chip interconectado por wire-bonding. Se
aprecian las interconexiones mediante cables.
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contactos del chip hasta los contactos existentes en la PCB, o en el caso del
empaquetado 3D, entre los contactos de un chip hasta los contactos de otro
chip.
Estos cables de unión suelen ser fabricados con aluminio, cobre u oro.
En cuanto a las uniones, éstas pueden ser de dos tipos básicamente:
-
Uniones mediante bolas (con aire en su interior), generalmente usadas
para conectar el cable en el origen.
-
Uniones en forma de cuña, usadas para conectar el cable con la zona
de contacto del destino.
Proceso de interconexión
A continuación se presentan los pasos necesarios para llevar a cabo el
método wire bonding:
-
Se utiliza una especie de pinza abierta por un lado, a través de la cual
sobresale el cable terminado en una bola de aire.
-
Se centra la bola de aire (que actúa como punta del cable) con
respecto al cable mediante un tensor para asegurar que al bajarla
quede en el centro del área de contacto. En caso de no estar centrada
la bola de aire, se pueden producir deformaciones en el contacto que
se hace con la superficie de contacto.
-
Se baja la bola de aire hasta que haga contacto con la superficie de
conexión. La deformación sufrida por la bola de aire es llevada a cabo
mediante la aplicación de fuerza de impacto, energía ultrasónica y
temperaturas elevadas, consiguiendo que sea lo más uniforme posible
gracias al tensor de la pinza usada.
-
Después de unir la bola de aire con la superficie de contacto, se
procede a retirar la pinza y a llevarla al destino del cable que se está
generando.
-
Una
vez
la
pinza
alcanza
el
lugar
del
segundo
contacto
(correspondiente destino del cable generado), se aplasta el cable contra
esta superficie de contacto dejando esta punta del cable en forma de
cuña.
-
Es importante destacar que una vez hecha esta segunda unión, se deje
espacio suficiente en la punta del cable como para generar una nueva
bola de aire para la siguiente conexión.
-
Por último se vuelve a formar una nueva bola de aire en la punta del
cable, y se repite el ciclo de interconexión.
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Ventajas
-
Es un método muy utilizado, por lo tanto muy perfeccionado y con muy
buen rendimiento.
-
Económico en niveles de producción que vayan desde volúmenes bajos
a medios.
-
No requiere metalización especial del chip, normalmente los chips están
diseñados para esta técnica.
-
Puede seguirse utilizando incluso si se necesitaran cruces adicionales.
-
Funciona correctamente hasta dimensiones de 80µm.
Inconvenientes
-
Es relativamente lento de aplicar ya que cada unión requiere un enlace
único.
-
El tamaño y movimiento del enlace puede restringir la cercanía entre
los chips.
-
La inductancia que aparece entre los cables y los enlaces puede limitar
el uso a frecuencias extremadamente altas.
-
Normalmente se requiere oro puro soldable en el sustrato lo que lo
encarece.
2.2.1.2 Tape-automated-bonding (Unión automatizada con cinta)
La unión automatizada por cinta es un proceso que permite la
colocación de circuitos integrados sin cobertura en un sustrato de módulo
multichip o en un circuito impreso sujetándolo por medio de conductores muy
finos contenidos en una cinta de
poliamida
este
modo
conectarlo
proporcionando
un
medio
directamente
de
para
a
los
extremos.
El proceso de unión de
cinta
automatizada
circuitos
coloca
integrados
los
sin
empaquetar sobre una placa de
circuito impreso. El montaje se Figura 5. Esquema de una cinta de interconexión.
realiza de tal manera que los
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puntos de unión de la matriz, por lo general en forma de protuberancias o
bolas hechas de oro u otro material de soldadura, se conectan a los
conductores finos que contiene la cinta., y proporcionan así un medio de
conexión del paquete a la matriz o al módulo, o directamente a circuitos
externos. La película se mueve a la ubicación de destino, y los cables se
cortan y sueldan como sea necesario. A continuación, una vez interconectado,
el chip puede ser encapsulado con epoxi o plástico.
Ventajas
-
Es un método muy útil en las producciones de gran volumen, debido a
que todas las soldaduras se realizan en una única operación.
-
Posee un buen comportamiento eléctrico especialmente si la cinta se
usa con un plano de tierra o referencia separado.
-
El amplio abanico de cintas existente hace posible montar chips con
conexiones finas en sustratos con conexiones mucho más amplias.
Inconvenientes
-
Se tienen que utilizar diferentes herramientas de soldadura para uniones
de dimensiones diferentes.
-
Las herramientas de soldadura son caras.
-
La cinta tiene que ser especialmente diseñada para cada chip.
-
Normalmente los chips necesitan metalurgia y ser deformados. Lo que
impide su uso en chips con protección.
-
Pueden
ocurrir
señales
parásitas
a
altas
frecuencias
entre
capas
individuales, especialmente si la longitud del conductor es larga.
-
La inductancia de un conductor largo puede causar problemas.
2.2.1.3 Flip chip
El método Flip chip es una tecnología de ensamblaje para circuitos
integrados además de una forma de empaquetamiento y montaje para chips
de silicio. Como método de ensamblaje, elimina la necesidad de utilizar
máquinas de soldadura de precisión y permite el ensamblaje de muchas piezas
a la vez. Como método de empaquetamiento para chips, reduce el tamaño del
circuito integrado a la mínima expresión, convirtiéndolo en una pequeña pieza
de silicio con diminutas conexiones eléctricas. Debido a las características que
presenta el método Flip chip, en la actualidad se está empezando a utilizar
también en el campo del empaquetamiento de chips tridimensionales (3D).
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Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
Convencionalmente
se
soldaban
pequeños
alambres
a
unos
puntos
de
conexión en el perímetro del chip, permitiendo así el flujo de corriente entre
los pines y los circuitos eléctricos en el silicio. El chip se pegaba con sus
componentes
activos
boca
arriba
de
manera
que
en
algunos
circuitos
integrados, como las memorias UV-EPROM es posible ver la interconexión del
componente al silicio mediante pequeños cables conectores.
Figura 6. Unión por flip-chip típica.
Esta técnica es una técnica de uso extendido para la construcción
de microprocesadores,
procesadores
gráficos
para
tarjetas
de
vídeo,
o
chipsets. En algunos circuitos integrados construidos con esta técnica, el chip
de silicio queda expuesto de manera permitiendo que pueda ser enfriado de
manera más eficiente.
Proceso de interconexión
El proceso que sigue esta tecnología consiste en lo siguiente:
-
Se fabrica el chip de forma que los contactos de las conexiones
queden en la parte superior de la oblea de silicio, con el objetivo de
poder montar este tipo de chips sobre la placa (o en el caso del
empaquetado 3D, sobre otro chip u oblea).
-
Se metalizan las conexiones exteriores del chip, que conectan con las
conexiones existentes en la oblea de silicio.
-
Se depositan “bolas” de pasta de soldadura en todos y cada uno de
los contactos metalizados del chip.
-
Se orienta el chip de modo que los contactos (junto con la pasta de
soldar depositada sobre ellos) quede por la cara inferior del chip.
-
Se alinean y ponen en contacto las conexiones del chip con las
existentes en la superficie en la que queremos colocarlo. Una vez
alineado y colocado el chip, se funden las bolas de soldadura
(generalmente, mediante el uso de aire caliente).
-
Se termina de rellenar el espacio existente entre el chip y la superficie
de colocación mediante un adhesivo aislante.
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Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
Ventajas
-
Posibilidad de contar con una alta cantidad de entradas y salidas, al
cubrir la totalidad del área del chip con conexiones.
-
Económico
en
última
instancia
cuando
la
infraestructura
ha
sido
instalada.
-
Ideal para aplicaciones de alta frecuencia debido a la baja inductancia
de contacto.
-
Compatibilidad con líneas SMT modernas equipadas para flip-chip.
Inconvenientes
-
Requiere metalización extra en los chips.
-
Dificultad a la hora de conseguir chips con una baja cantidad de
imperfecciones en su superficie.
-
Las conexiones finas del chip requerirán conexiones finas en la placa.
-
Los
chips
de
gran
tamaño
montados
en
sustratos
de
polímero,
requieren de la utilización de epoxi Underfill, que es de aplicación lenta.
-
Los chips sin recubrimiento son difíciles de testear.
2.2.2 Métodos de encapsulamiento de los MCM
Cuando se utilizan unidades chips sin recubrir en el mismo sustrato,
éstos deben ser protegidos del ambiente. Los peligros más comunes para los
chips sin recubrir son los posibles daños mecánicos y la corrosión que puede
generar la presencia de humedad. Las técnicas de encapsulamiento más
comunes se describen a continuación.
2.2.2.1 Moldeo por dique
Esta técnica de moldeo consiste en la aplicación de un material de
encapsulación de alta viscosidad como si se tratara de una presa o embalse,
a continuación se rellena con otro material con una viscosidad menor. Ambos
materiales, la presa y el contenido, a continuación se curan.
Como ventajas presenta que es muy simple y adaptable en su
utilización, prácticamente no existen costes de herramientas y el estrés térmico
es muy bajo durante su producción.
MÓDULOS MULTICHIP
16
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
Como desventajas tenemos que es un proceso muy lento para
producciones de alto volumen.
2.2.2.2 Moldeo por transferencia
El moldeo por transferencia es una opción indicada para un alto
volumen de encapsulamiento. En este método se emplea una herramienta
especial para cada tipo de módulo.
Los módulos a encapsular se montan sobre un bastidor de plomo y
entonces la herramienta de moldeo se fija alrededor de cada módulo,
exponiendo únicamente los terminales de conexión. Entonces el molde es
inyectado con plástico a gran temperatura y presión, que al enfriarse
empaqueta el bloque.
Como ventajas incluye su velocidad de empleo así como su uso
apropiado para producciones de alto volumen y el hecho de que utiliza
materiales de bajo coste.
Como desventajas tenemos su uso prohibitivo para producciones de
poco volumen, ya que se necesita una herramienta diferente para cada
modelo a encapsular. El alto coste del equipamiento de modelado, o el alto
estrés térmico que sufren los módulos.
2.2.2.3 Carcasa hermética
El método de carcasa hermética consiste en montar un chip en el
interior de una caja con una tapa soldada. La caja se suelda en una
atmósfera de nitrógeno permitiendo así que el nitrógeno quede en el interior
de la caja sellada. Para prevenir las fugas por los pines de conexión, se
emplean un sellado hermético de vidrio en cada pin. La caja normalmente se
compone de oro plateado Kovar. Tradicionalmente esta ha sido la única
manera de garantizar la completa hermeticidad.
Como ventajas este método garantiza el empaquetamiento hermético;
una resistencia media baja a la temperatura, dependiendo del sustrato; unas
buenas propiedades de blindaje.
2.3 APARTADO 3: Aplicaciones de los MCM en los SI
Los módulos multichip han sido utilizados durante las últimas décadas
en multitud de aplicaciones. Hoy en día se siguen empleando con un grado de
penetración en la industria creciente. Su uso está muy extendido entre
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Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
diferentes tipos de industrias, siendo el más importante en la industria
microelectrónica y en la informática dónde se procesadores y memorias, así
como sistemas completos. Además de en estas industrias, los MCM han
encontrado un amplio rango de aplicación en la tecnología aeroespacial y la
aviación, en equipos de automoción, equipamiento médico y en una gran
variedad de dispositivos de comunicación y electrodomésticos.
Como ejemplo de utilización, los MCM se han empleado durante las
últimas décadas en la elaboración de los siguientes dispositivos:
-
Memoria de burbuja MCM de IBM (1970s).
-
Módulo de conducción térmica del mainframe IBM 3081 (1980s).
-
Microprocesadores Intel Pentium Pro, Pentium D Presler, Xeon Dempsey
y Clovertown y Core 2 Quad (Kentsfield y Yorkfield).
-
Memory Stick de Sony.
-
En la elaboración de la GPU Xenos, diseñada por ATI Technologies para
la videoconsola Xbox 360, con eDRAM.
-
Los microprocesadores de IBM POWER2, POWER4 y POWER5.
-
Procesadores AMD para Socket G34
Profundizaremos en las aplicaciones más importantes en el mundo de la
microelectrónica
como
son
la
elaboración
de
memorias,
y
el
de
los
microprocesadores multinúcleo.
2.3.1 Memorias diseñadas con tecnología MCM
2.3.2.1 Memoria de burbuja
La memoria de burbuja (Bubble memory) es un tipo de memoria para
almacenamiento no volátil que utiliza una película de material magnético de
pequeño
espesor
que
contiene
pequeñas
zonas
magnetizadas
conocidas
como burbujas , que almacenan un bit de datos cada una.
La principal particularidad de
la memoria de burbuja es que son
de lectura y escritura, a diferencia
de
las
memorias
ROM
que
son
únicamente de lectura, y que su
contenido
permanecen
hasta
que
son modificados incluyendo el caso
en que el equipo sea apagado, a
Figura 7. Imagen de una memoria de burbuja.
MÓDULOS MULTICHIP
18
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
diferencia de las memorias RAM que pierden la información cuando dejan de
ser alimentada. Por tanto, la memoria de burbuja se ha utilizado en entornos
en los que un equipo debe tener la capacidad de recuperarse de una falta
de energía eléctrica, con una pérdida mínima de datos. El uso y la demanda
de
memorias
de
burbuja
ha
desaparecido
con
el
advenimiento
de
las memorias flash, que son más baratas así como más fáciles de producir.
La
memoria
de
burbuja
surgió
a
principios
de 1970,
como
una
tecnología prometedora, pero fue un fracaso comercial debido a la rápida
caída de los precios de discos duros (HD) a principios de 1980.
2.3.1.2 Memory Stick
Memory Stick es un formato de tarjeta de memoria flash, comercializado
por Sony a partir de octubre de 1998 y que en la actualidad sigue vigente.
Normalmente, la Memory Stick se utiliza
como
medio
de
almacenamiento
de
información para dispositivos portátiles, de
forma
que
la
información
puede
ser
fácilmente extraída de la tarjeta o bien la
misma
tarjeta
puede
ser
extraída
y
conectada directamente en otro dispositivo
mediante un adaptador.
Figura 8. Memory Stick de 16 Gb de capacidad.
Actualmente este tipo de memorias son muy utilizadas en el ámbito de
los teléfonos móviles, y de la fotografía digital. A pesar de que Memory Stick
ha estado asociado durante mucho tiempo con la marca propietaria, existen
otras marcas que producen esta tecnología, y debido a que ha gozado de
gran aceptación por la industria, este formato sigue vigente en la actualidad
sobreviviendo más que formatos de memoria flash de otras marcas.
2.3.2 Microprocesadores diseñados con tecnología MCM
2.3.2.1 Microprocesadores Intel Core 2
La marca Core 2 se refiere a una gama de CPU comerciales de Intel
de 64 bits de doble núcleo y CPU 2x2 MCM (Módulo Multi-Chip) de cuatro
núcleos
con
el conjunto
de
instrucciones x86-64,
basado
en
el Core
microarchitecture de Intel, derivado del procesador portátil de doble núcleo
MÓDULOS MULTICHIP
19
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
de32
bits Yonah.Nota
1 El
CPU
2x2 MCM de
cuatro
núcleos1 tenía
dos
matrices separadas de dos núcleos (CPU) -uno junto al otro- en un paquete
MCM de cuatro núcleos. El Core 2 relegó la marca Pentium a un mercado de
gama medio-bajo, y reunificó las líneas de sobremesa y portátiles, las cuales
previamente habían sido divididas en las marcas Pentium 4, D, y M.
La microarquitectura Core regresó a velocidades de CPU bajas y mejoró
el uso del procesador de ambos ciclos de velocidad y energía comparados
con anteriores NetBurst de los CPU Pentium 4/D2 La microarquitectura Core
provee etapas de decodificación, unidades de ejecución, caché y buses más
eficientes, reduciendo el consumo de energía de CPU Core 2, mientras se
incrementa la capacidad de procesamiento. Los CPU de Intel han variado muy
bruscamente en consumo de energía de acuerdo a velocidad de procesador,
arquitectura
y
procesos
de
semiconductor,
mostrado
en
las
tablas
de disipación de energía del CPU
Figura 9. Módulo Intel Core 2.
La marca Core 2 fue introducida el 27 de julio de 2006, abarcando las
líneas Solo (un núcleo), Duo (doble núcleo), Quad (cuatro núcleos), y Extreme
(CPU de dos o cuatro núcleos para entusiastas), durante el 2007. Los
procesadores Intel Core 2 con tecnología vPro (diseñados para negocios)
incluyen las ramas de doble núcleo y cuatro núcleos.
2.3.2.2 IBM POWER
POWER es una arquitectura con un conjunto de instrucciones RISC
diseñada por IBM. Su nombre proviene de “Performance Optimizatioin with
Enhanced RISC”.
MÓDULOS MULTICHIP
20
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
POWER también es el nombre de
una familia de procesadores de IBM con
el
conjunto
de
instrucciones
de
esta
arquitectura y que se usan como CPU
principal en servidores IBM, así como en
estaciones
computadoras
de
trabajo
y
supercomputadores.
Además
existen
muchos
microprocesadores que derivan de esta
línea
y
variedad
que
de
se
encuentran
equipos
computadores
para
que
en
van
automóviles
consolas de videojuegos.
gran
desde
hasta Figura 10. Chip IBM POWER 5. Con cuatro procesadores
y cuatro cachés externas, en un sustrato cerámico.
IBM POWER 7
El nuevo procesador POWER 7 contiene hasta ocho núcleos capaces de
hacer funcionar cuatro hilos cada uno, transformando virtualmente cada
procesador en un chip de 32 núcleos y dándole una clara ventaja sobre
cualquiera de los productos de la competencia para la elaboración de
servidores. Los procesadores POWER7 son fabricados bajo un proceso de
45nm, con presentaciones de cuatro, seis y ocho núcleos, con tres niveles de
memoria caché, un caché L1 de 32kb por núcleo, el caché L2 de 256kb por
núcleo y el caché L3 de 32MB que se comparte entre todos los núcleos.
Figura 11. Imagen de un chip IBM POWER 7, con 8 microprocesadores.
Además
de
estar
en
los
nuevos
servidores
IBM
Power
700,
los
procesadores POWER7 forman el corazón de la supercomputadora Blue Water.
MÓDULOS MULTICHIP
21
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
Este proyecto terminado en 2011 utilizar unos 25.000 procesadores POWER7
de ocho núcleos cada uno con una velocidad de 4,0GHz para un total de
200.000 núcleos físicos.
Entre sus variantes se encuentran:
-
PowerPC la
variante
desarrollado
por
más
extendida
la alianza
AIM,
de
es
la
arquitectura
usado
POWER,
principalmente
en
computadoras Mac y mantiene la mayor parte de la arquitectura del
Power.
-
Gekko 485 MHz (usado en Nintendo GameCube).
-
Cell El procesador de la Play Station 3. Desarrollado por IBM en
conjunto con Sony y Toshiba y basado en la tecnología IBM POWER.
-
IBM en conjunto con Nintendo desarrolló el procesador Broadway de la
consola Wii.
-
IBM ha desarrollado para Microsoft la CPU de su nueva consola Xbox
360 constituida por 3 núcleos de procesamiento simétrico, 1 Mb de
caché L2 y un rendimiento total de 9 GFLOPS.
3. CONCLUSIONES
Durante la elaboración de este proyecto, hemos profundizado en la
tecnología de construcción de sistemas electrónicos conocida como módulos
multichip MCM. Esta tecnología conocida desde hace décadas, está ganando
cuota de aplicación en los últimos años y se le augura un aumento crítico en
su utilización durante los años venideros. La novedad introducida por este
método de construcción, radica en la compactación de sistemas completos
formados por chips previamente existentes, interconectados en un sustrato
común, permitiendo de este modo el empaquetamiento de un sistema en un
único módulo, permitiendo así una reducción drástica del tamaño del sistema
en
comparación
individualizada
con
de
el
los
que
tendría
mismos
chips,
en
y
el
caso
de
mejorando
utilizar
la
la
forma
velocidad
de
procesamiento al reducir los cableados y distancias entre los chips. No
obstante dicha tecnología también posee inconvenientes como son la dificultad
que poseen a la hora de refrigerar el sistema, o su por lo general alto coste.
Así mismo hemos descubierto y profundizado en las técnicas empleadas
en la construcción de dichos módulos, que son las técnicas MCM-L, MCM-C y
MCM-D así como en los métodos empleados en la interconexión de los
componentes al sustrato, como la tecnología flip-chip.
Por
último
hemos
reseñado
la
importancia
que
ha
adquirido
la
utilización de esta tecnología, mediante el estudio de algunas de las múltiples
aplicaciones que existen de los módulos multichip, destacando la notable
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Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
importancia que posee en la elaboración de potentísimos procesadores, los
cuales son el núcleo fundamental de los supercomputadores modernos.
Así para concluir, añadiremos que la tecnología elaborada con módulos
multichip tiene un importante futuro en la generación de nuevas aplicaciones
debido a su versatilidad y poder de compactación mejorando los posibles
rendimientos de las tecnologías preexistentes.
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS
[1] http://techdigest.jhuapl.edu/TD/td2001/Blum.pdf
[2] http://www.fnir.nu/upload/core-competence/hdi/mcm-design-handbook-ed3.pdf
[3] http://www.extra.ivf.se/ngl/documents/ChapterF/chapterF.pdf
[4] http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%B3dulo_multichip
[5] http://es.wikipedia.org/wiki/IBM_POWER
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/IBM_POWER_microprocessors#POWER8
[7] http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%B3dulo_multichip
[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-chip_module
5. ENLACES DE INTERÉS
· http://www.youtube.com/watch?v=15cBzgSHhJ8
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