Aperçu des matériaux à capacité intégrée

La capacité est votre alliée chaque fois que vous avez besoin d'une intégrité de puissance stable, c'est pourquoi il y a tant d'accent sur les condensateurs de découplage. Bien que ces composants soient importants et qu'ils puissent être utilisés pour fournir des solutions d'intégrité de puissance ciblées à certains composants, il existe un matériau spécial utilisé pour augmenter considérablement la capacité dans votre empilement de PCB ou le substrat de votre paquet. Ce type de matériau spécial est appelé un matériau de capacité intégrée, ou un ECM.

Ces stratifiés peuvent être incorporés dans un empilement de PCB pour fournir une capacité très élevée qui aide à l'intégrité de la puissance. Ces matériaux peuvent également agir comme un remplacement pour un groupe de condensateurs de découplage si nécessaire. Cet article examinera l'utilisation appropriée de ces matériaux, ainsi que leurs propriétés matérielles lorsqu'ils sont utilisés dans les substrats de paquets de CI et les PCBs.

Qu'est-ce qu'un Matériau de Capacité Intégrée ?

Les matériaux de capacité intégrée sont des stratifiés cuivrés avec une épaisseur de couche très mince et une constante diélectrique élevée. Ces matériaux sont destinés à séparer une couche d'alimentation et une couche de masse dans un empilement de PCB, fournissant ainsi une certaine capacité qui est intégrée dans l'empilement de PCB. Les matériaux de capacité intégrée sont définis et décrits dans la norme IPC 4821 (Spécification pour les Matériaux de Condensateurs de Dispositifs Passifs Intégrés pour Cartes Imprimées Rigides et Multicouches).

Ces matériaux fournissent deux fonctions de base :

• Fournir une capacité élevée dans un PDN grâce à leur valeur Dk élevée et à leur faible épaisseur
• Fournir un amortissement pour les ondes électromagnétiques grâce à leur tangente de perte modérément élevée

La fonction principale de ces matériaux est de fournir une capacité supérieure dans un PDN (réduisant ainsi l'impédance du PDN) et un meilleur amortissement pour les ondulations du bus d'alimentation (conduisant à des résonances de plan/cavité d'alimentation moins intenses à des fréquences de GHz) en raison de la tangente de perte plus élevée du matériel. D'un point de vue circuit, ces matériaux fournissent simultanément un amortissement et une capacité mais avec une inductance de propagation faible, donc ils agissent comme un condensateur à ESR contrôlé.

Amélioration de l'intégrité de l'alimentation

Un exemple montrant les effets d'un ECM sur l'intégrité de l'alimentation est illustré dans les données d'impédance du PDN ci-dessous. Dans ce graphique, nous pouvons voir assez clairement que la présence d'un matériau ECM plus mince réduit comme prévu l'impédance du PDN. Le matériau plus mince avec une tangente de perte élevée amortit également les résonances du PDN, comme illustré dans les pics plus petits près de 1 GHz, ce qui est exactement dans la plage de fréquence où les emballages de CI nécessitent des réponses d'impulsion rapides dans le PDN.

Le résultat ci-dessus se produit parce qu'un ECM plus mince fournit plus de capacité, mais il ne fournit pas plus d'inductance. De plus, l'amortissement supplémentaire dans l'ECM produit des pics de résonance de plus faible qualité (Q). Ensemble, ces effets réduisent l'impédance globale du PDN et diminuent la valeur Q des résonances à haute fréquence.

Intégrité du signal améliorée

L'amélioration de l'intégrité de l'alimentation conduit également à une amélioration de l'intégrité du signal comme le montrent les données du diagramme de l'œil ci-dessous. Dans ce graphique, nous pouvons voir que le diagramme de l'œil présente un jitter significatif, même lorsque nous utilisons du FR4 mince comme paire de laminés pour les plans d'alimentation/masse et 100 condensateurs CMS pour supporter une faible impédance du PDN. Cela se produit parce que les ondulations sur le PDN vont également causer des variations dans le niveau du signal lorsqu'un circuit tampon de sortie change d'états logiques. Le résultat est une variation dans le timing du signal de sortie, qui apparaît comme du jitter dans le diagramme de l'œil.

Le graphique à droite montre un diagramme de l'œil avec un ECM et sans condensateurs CMS sur la carte de test. Le résultat est une réduction d'environ facteur 2 du jitter et une ouverture de l'œil plus grande. C'est une nette amélioration de l'intégrité du signal et elle résulte entièrement de la réduction des ondulations sur le bus d'alimentation.

• Pour en savoir plus sur la relation entre les ondulations du bus d'alimentation et l'intégrité du signal.

Les facteurs ci-dessus illustrent la relation bien connue entre l'intégrité du signal (SI) et l'intégrité de l'alimentation (PI). Il y a également une réduction des émissions électromagnétiques (EMI) rayonnées mesurées à partir des bords du PCB lorsque des matériaux ECM sont utilisés. Cela se produit parce que le rayonnement généré par les ondulations du bus d'alimentation subira un amortissement diélectrique plus important lorsqu'il se déplace vers le bord de la carte, et donc, il quittera la carte avec une intensité plus faible.

Où utiliser les ECMs

Tous les PCB n'auront pas besoin d'utiliser un ECM pour assurer l'intégrité de l'alimentation. Dans certains cas, le niveau de capacitance fourni par un ECM est excessif, et vous pourrez fournir suffisamment de capacitance dans votre réseau de distribution d'alimentation (PDN) avec des matériaux stratifiés standards et des condensateurs de petite taille. Dans certains designs, un ECM très mince est l'une des seules solutions qui fournira la capacitance requise nécessaire pour l'intégrité de l'alimentation. Voici quelques exemples typiques où les ECMs sont utilisés dans un PCB :

• Petits circuits qui supportent de nombreux signaux à haute vitesse (appareils mobiles, tablettes, etc.)
• Cartes à faible nombre de couches avec de nombreux bus à haute vitesse (produits IoT avancés et capteurs mmWave)
• Cartes très denses, modérément petites qui n'ont pas de place pour des condensateurs discrets (téléphones plus anciens, nouvelles cartes d'extension, petites cartes mères)

Les cartes à nombre de couches inférieur (6-10 couches) auront tendance à utiliser un ECM dans la couche centrale entre une couche d'alimentation dédiée et un plan de masse. Dans les cartes à nombre de couches supérieur (jusqu'à 24 ou 32 couches éventuellement), l'attribution des paires de couches peut varier, mais une couche très mince sera nécessaire pour fournir suffisamment de capacité pour supporter l'interface signal/intégrité de puissance (SI/PI) pour tous les signaux dans le dispositif. La même stratégie est utilisée pour les substrats de CI.

Propriétés des ECM pour PCB

Une liste des propriétés matérielles possibles pour les matériaux ECM utilisés dans les PCB est présentée dans le tableau ci-dessous. Ces matériaux sont disponibles en tant que matériaux rigides (par exemple, FaradFlex et 3M), ou ils peuvent être incorporés sur des matériaux polyimides flexibles (par exemple, de chez DuPont). Ils sont conçus pour être incorporés dans un processus de stratification standard pour construire un empilement de PCB.

ECM de paquet et de module

Les ECM sont également commercialisés pour une utilisation dans les boîtiers de substrat de CI. Ces boîtiers impliquent de placer une puce semi-conductrice sur un substrat organique, éventuellement assis sur un interposeur pour fournir une connectivité supplémentaire entre les puces semi-conductrices, le substrat du boîtier et, finalement, le PCB. Le matériau du substrat élargit ensuite ces connexions en cuivre vers le motif BGA du boîtier sur le côté inférieur du boîtier.

Pour les boîtiers et les modules, l'épaisseur des couches est également beaucoup plus fine que le stratifié FR4 typique, mais avec une valeur Dk ciblée beaucoup plus élevée que les matériaux utilisés dans un substrat de PCB.

Il est important de noter qu'un ECM qui est commercialisé pour un PCB pourrait également être utilisé dans un substrat de CI, mais il ne serait pas nécessairement aussi efficace. Notez que certains matériaux ECM sont spécifiquement commercialisés pour les PCBs ou les CIs (par exemple, FaradFlex). En revanche, certaines gammes de produits ECM (telles que 3M) sont commercialisées pour une utilisation à la fois dans les PCBs et les CIs.

En général, les ECMs destinés à être utilisés dans l'emballage des CIs ont les exigences suivantes :

• Une valeur Dk plus élevée est préférée
• Une tangente de perte plus élevée est préférée
• Une épaisseur de couche plus fine est préférée
• La valeur Tg est moins importante

La valeur Dk plus élevée est une exigence car nous aimerions avoir une densité de capacité de plan plus grande (mesurée en capacité/(surface de substrat)). La valeur Tg est moins importante car les valeurs Tg pour les matériaux ECM sont déjà bien au-dessus des limites de température pour les CIs. La tangente de perte plus élevée dans un ECM (à la fois pour les PCBs et pour les substrats de CIs) est importante pour contrôler le ripple et sera discutée plus en détail dans l'une des sections ci-dessous.

Afin de fournir la même capacité qu'un ECM à Dk inférieur dans un PCB, l'ECM utilisé dans un substrat de CI devrait avoir un Dk beaucoup plus élevé car la taille du substrat du boîtier sera plus petite. Cela confère à un substrat de CI une capacité de boîtier suffisante qui aide à l'intégrité de puissance sur puce dans la gamme des GHz, en particulier lorsque le boîtier n'a pas de place pour des condensateurs de puce et qu'il y a peu de capacité sur puce. Comme un PCB a tendance à avoir une plus grande surface, ils peuvent se permettre une valeur de Dk inférieure si nécessaire.

Couches ECM dans Vos Outils CAO

Incorporer un ECM dans votre empilement de PCB à l'intérieur de vos outils CAO est simple. Vous avez juste besoin de définir les propriétés du matériel et l'épaisseur dans votre empilement de PCB, tout comme vous le feriez avec n'importe quel autre matériel. Si vous prévoyez d'utiliser votre carte dans une simulation de solveur de champ, comme pour l'intégrité de puissance ou de signal, alors vous devrez inclure les propriétés diélectriques dans votre définition d'empilement de couches afin que celles-ci puissent être considérées dans un modèle de simulation.

Il est également judicieux de définir le choix de votre matériau dans l'empilement de votre PCB sur votre dessin de fabrication et dans une note de fabrication. Lorsque vous créez la figure de l'empilement dans votre dessin de fabrication, assurez-vous que la couche ECM est présente et qu'elle ne sera pas confondue avec un matériau de grade FR4 ou un autre matériau. Si vous utilisez Draftsman, vous pouvez générer automatiquement votre figure d'empilement de couches et la placer rapidement dans votre dessin de fabrication.

Assurez-vous également que votre spécification ECM est mentionnée dans vos notes de fabrication. La conformité aux normes IPC de votre ECM, l'épaisseur, le poids du cuivre, la paire de couches, le numéro de pièce du distributeur (si disponible) et le nom de la marque doivent tous être spécifiés dans une note de fabrication. Un exemple est présenté ci-dessous.

À mesure que l'électronique continue de repousser les limites de la densité de fonctionnalités et de la densité des composants, les ECM seront plus importants pour assurer un découplage suffisant lorsque l'espace pour les condensateurs discrets est limité. De même, pour les boîtiers de CI incorporant plusieurs dies en 2.5D et 3D, un découplage suffisant est nécessaire pour assurer l'intégrité de l'alimentation dans le boîtier lorsque la capacité sur puce est faible. Pour en savoir plus sur l'utilisation de ces matériaux dans les PCB et les emballages de substrat, j'encourage les lecteurs à accéder aux ressources suivantes.

• Novak, Istvan. « L'expérience de SUN avec les stratifiés minces et ultra-minces pour les applications de distribution d'énergie », TechForum TF-THA2, DesignCon (2006).
• Borland, Bill. « Découplage des semi-conducteurs haute performance utilisant la technologie des condensateurs intégrés », 2006 15e Symposium International IEEE sur les Applications des Ferroélectriques.

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