Quali sono i fattori che influenzano la selezione delle interconnessioni?
La scelta degli approcci di confezionamento tra i vari elementi è dettata non solo dalla funzione del sistema, ma anche dai tipi di componenti selezionati e dai parametri di funzionamento del sistema, come le velocità di clock, il consumo di energia e i metodi di gestione del calore, e l'ambiente in cui il sistema opererà.
Velocità di funzionamento
La velocità con cui opera il sistema elettronico è molto importante fattore tecnico nella progettazione delle interconnessioni. Molti sistemi digitali operano a quasi 100 MHz e stanno già raggiungendo oltre tale livello. La crescente velocità del sistema sta ponendo grandi requisiti all'ingegnosità degli ingegneri dell'imballaggio e alle proprietà dei materiali utilizzati per il substrato PWB.
La velocità di propagazione del segnale è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica dei materiali del substrato, richiedendo ai progettisti di essere consapevoli delle proprietà dielettriche del materiale del substrato che intendono utilizzare. La propagazione del segnale sul substrato tra i chip, il cosiddetto tempo di volo, è direttamente proporzionale alla lunghezza dei connettori e deve essere mantenuta breve per garantire le prestazioni elettriche ottimali di un sistema operante ad alte velocità.
Per i sistemi che operano a una velocità di circa 25 MHz, le interconnessioni devono avere caratteristiche di linea di trasmissione per ridurre al minimo le perdite e le distorsioni del segnale. La corretta progettazione di tali linee di trasmissione richiede un attento calcolo delle dimensioni di separazione del conduttore e del dielettrico e la loro precisa fabbricazione per garantire l'accuratezza delle prestazioni prevista. Per i PCB, ci sono due tipi di linea di trasmissione di base 1) Stripline, 2) Microstrip.
Consumo di energia
All'aumentare della frequenza di clock dei chip e all'aumentare del numero di gate per chip, si verifica un corrispondente aumento del loro consumo energetico. Alcuni chip richiedono fino a 30 W di potenza per il loro funzionamento. Con ciò, sono necessari sempre più terminali per portare l'alimentazione e accogliere il flusso di ritorno sui piani di terra. Circa il 20-20% dei terminali con chip viene utilizzato per le connessioni di alimentazione e di terra. Con la necessità di isolamento elettrico dei segnali nel funzionamento di sistemi ad alta velocità, il conteggio potrebbe arrivare al 50 percento.
I progettisti devono fornire adeguati piani di distribuzione di potenza e terra all'interno delle schede multistrato (MLB) per garantire un flusso di correnti efficiente e a bassa resistenza, che può essere sostanziale nelle schede che interconnettono chip ad alta velocità che consumano decine di watt e funzionano a 5 V, 3.3 V o inferiore. Una corretta distribuzione di potenza e terra nel sistema è essenziale per ridurre le interferenze di commutazione di/dt nei sistemi ad alta velocità, nonché per ridurre le concentrazioni di calore indesiderate. In alcuni casi, sono state necessarie strutture di sbarre separate per soddisfare richieste di potenza così elevate.
Gestione termica
Tutta l'energia che è stata erogata per alimentare i circuiti integrati (IC) devono essere rimossi in modo efficiente dal sistema per garantirne il corretto funzionamento e la lunga durata. La rimozione del calore da un sistema è uno dei compiti più difficili dell'imballaggio elettronico. Nei sistemi di grandi dimensioni, sono necessarie enormi strutture di dissipatori di calore, che fanno impallidire i singoli circuiti integrati, per raffreddarli ad aria e alcune società di computer hanno costruito sovrastrutture giganti per il raffreddamento a liquido dei loro moduli di computer. Alcuni modelli di computer utilizzano il raffreddamento a immersione di liquido. Tuttavia, le esigenze di raffreddamento dei grandi sistemi mettono a dura prova le capacità dei metodi di raffreddamento esistenti.
La situazione non è così grave nelle apparecchiature elettroniche più piccole, da tavolo o portatili, ma richiede comunque agli ingegneri dell'imballaggio di migliorare i punti caldi e garantire la longevità del funzionamento. Poiché i PWB sono notoriamente conduttori di calore di potenza, il progettista deve valutare attentamente il metodo di condizione del calore attraverso la scheda, utilizzando tecniche come via di calore, lumache metalliche incorporate e piani conduttivi.
Interferenza elettronica
Con l'aumento della frequenza di funzionamento delle apparecchiature elettroniche, molti circuiti integrati, moduli o assiemi possono fungere da generatori di segnali a radiofrequenza (RF). Tali emissioni di interferenze elettromagnetiche (EMI) possono compromettere seriamente il funzionamento dell'elettronica vicina o anche di altri elementi della stessa apparecchiatura, causando guasti, errori ed errori e devono essere prevenute. Esistono standard EMI specifici che definiscono i livelli consentiti di tali radiazioni, e questi livelli sono molto bassi.
Gli ingegneri dell'imballaggio, e in particolare i progettisti PWB, devono avere familiarità con i metodi per ridurre o annullare questa radiazione EMI per garantire che la loro attrezzatura non superi i limiti consentiti di questa interferenza.
Ambiente operativo del sistema
La scelta di un particolare approccio di confezionamento per un prodotto elettronico è dettata anche dal suo uso finale e dal segmento di mercato per il quale quel prodotto è stato progettato. Il designer di imballaggi deve comprendere la principale forza trainante dell'uso del prodotto. È guidato dai costi, dalle prestazioni o da una via di mezzo? Dove verrà utilizzato: ad esempio, sotto il cofano di un'auto, dove le condizioni ambientali sono severe, o in ufficio, dove le condizioni operative sono favorevoli? L'IPC ha stabilito una serie di condizioni operative delle apparecchiature classificate in base al grado di gravità.
Costo
Il costo del prodotto è diventato il criterio più importante in qualsiasi progettazione di sistemi elettronici. Pur rispettando tutte le suddette condizioni di progettazione e funzionamento, il progettista deve mantenere il costo come criterio dominante e deve analizzare tutti i potenziali compromessi alla luce della migliore soluzione costo/prestazioni per il prodotto.
L'importanza dell'analisi rigorosa del compromesso dei costi durante la progettazione di un prodotto elettronico è sottolineata dal fatto che circa il 60% dei costi di produzione è determinato nei primi stati del processo di progettazione, quando solo il 35% dello sforzo totale di progettazione è stato speso.
L'attenzione ai requisiti e alle capacità di produzione e assemblaggio durante la progettazione del prodotto può ridurre i costi di assemblaggio fino al 35% e i costi PWB fino al 25%.
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Riferimento
1, Manuale del circuito stampato di Clyden F. Coombs, Fr. e Happy T. Holden