MÓDULOS MULTICHIP (MCM)

MÓDULOS MULTICHIP (MCM)
El rápido avance en la tecnología de producción de circuitos integrados
VLSI junto con los nuevos conceptos aparecidos de la arquitectura de
sistemas, ofrece nuevos retos y oportunidades para los Tecnólogos en MCM. El
desarrollo moderno de la tecnología electrónica muestra que los módulos
multichip captan la mayor parte del ensamblaje en la electrónica, el cual hasta
hace poco se basaba en las placas de circuitos impresos (PCB).
La siguiente figura muestra el módulo multichip POWER5 MCM con
cuatro procesadores y cuatro módulos 36M con caché L3 externa sobre un
sustrato cerámico.
Módulo multichip POWER5 MCM
La tecnología MCM permite ubicar los chips con más robustez, así como
de utilizar chips con menor volumen y peso que los elementos alojados
individualmente en placas de circuito impreso.
La siguiente figura ilustra el microprocesador Motorola 68040 y cuatro
SRAM en el mismo paquete.
Módulo multichip con microprocesador Motorola 68040 y cuatro SRAM
A
día
de
hoy
los
MCM
juegan
un
papel
significativo
en
la
implementación de sistemas electrónicos. A diferencia de los PC, que por lo
general contienen un único chip procesador, los supercomputadores requieren
de varios chips para formar su CPU. La tecnología MCM permite colocar estos
chips muy cerca uno del otro, incrementando así la miniaturización del sistema
en comparación con otro montado en un circuito impreso realizado a partir de
circuitos integrados individualizados, también permiten el aumento de su
frecuencia operativa. Debido a la posibilidad de reducir sustancialmente el
tamaño y el peso del bloque electrónico con una mayor fiabilidad, los MCM
han encontrado un amplio rango de aplicación no sólo en las técnicas
informáticas, sino también en la tecnología aeroespacial y la aviación, en
equipos de automoción, equipamiento médico y en una gran variedad de
dispositivos de comunicación y electrodomésticos.
¿Cuál
es
la
diferencia
entre
los
MCM
y
los
circuitos
híbridos
predecesores? La diferencia básica es la densidad de integración de los
componentes. Algunos autores definen los chips múltiples como artículos, en
los que más del 50% de la superficie del sustrato es ocupada por chips de
circuitos integrados monolíticos y otros elementos activos.
De acuerdo con el tipo de sustrato y sus tecnologías de producción,
los módulos multichip se dividen en tres grupos:
a) Los
que
están
formados
por
una
estructura
de
múltiples
capas
conductoras y dieléctricas, aplicado por tecnología de capa delgada
sobre un sustrato cerámico o semiconductor (MCM-D);
b) los formados por una estructura de múltiples capas, aplicadas por una
tecnología de lámina gruesa en un sustrato cerámico (MCM-C);
c) Una estructura multicapa laminada, aplicado a material orgánico similar
a un placa de circuito impreso (PWB), pero con menor tamaño de los
buses
conductores
y
del
espacio
entre
ellos
así
como
con
los
componentes más compactados (MCM-L).
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 (por ejemplo,
el
proceso
fotolitográfico).
El
montaje
de
los
componentes
también
se
diferencia del método estándar de montaje de circuitos impresos – en este
caso se utiliza el montaje superficial, montaje flip-chip y/o el ajuste por
cableado de los chips no alojados en el circuito integral monolítico (clip-on-
board - COB). 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. La estructura MCM-C está basada en una 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.
Características comparativas de los tres tipos de MCM.
Parámetro
Tamaño Bus/intervalo (µm)
Tamaños de las aperturas de contacto
entre dos niveles metalizados (µm)
Permisos topológicos (µm)
Número de capas
Grosor de las láminas dieléctricas (µm)
Permisividad
Posibilidad de realización de capas
resistivas/capacitivas
MCM-L
125/125
250
MCM-C (LTCC)
100/125
200
MCM-D
20/20
20
12
10
110
3,5±4,5
No
25
30
100
5,2±7,8
Sí
5
5
1±10
2,9
Sí
Con el fin de tener un MCM funcional, los siguientes criterios deben ser
satisfechos:
a) La distancia entre dos chips en un MCM debe ser mínima, con el fin de
reducir al mínimo los retrasos en la propagación de la señal. La
pequeña
distancia
entre
los
chips
requiere
un
sustrato
con alta
densidad de buses de conexión para responder a las especificaciones
de input-output de cada chip sin problemas relacionado con el tamaño
de la capa. Debido a su pequeño tamaño los conductores deben ser
fabricados con metales altamente conductores, a fin de evitar un
inadmisible
aumento
de
la
resistencia
de
los
buses
conductores.
Además, las rutas de acceso deben ser diseñadas adecuadamente de
modo que la velocidad de respuesta y el ruido se optimicen.
b) El MCM tiene que asegurarse de medios de control de calor con el fin
de limitar la
temperatura de transición de los chips semiconductores a
85ºC. El control de temperatura se realiza típicamente por transferencia
de calor a través del sustrato, cuando los chips han sido montados en
configuración “hacia arriba” (“to the top”) Si lo han sido de forma
inversa
(“hacia
abajo”),
como
se
muestra
en
la
figura
2.30,
a
continuación, la transferencia de calor se puede realizar ya sea a través
de los terminales (bolas de soldadura), o a través del uso de puntas de
transferencia de calor para eliminar el exceso de temperatura en
aplicaciones de alta potencia.
c) El MCM debe proporcionar conexiones de entrada y salida fiables hacia
el siguiente nivel ensamblado del sistema. Normalmente esto toma la
forma de una interfaz con un PCB, aunque la
interfaz con los
elementos externos del sistema es posible. El número de entradas y
salidas del módulo se reduce considerablemente con
respecto al
número de entradas y salidas de los circuitos integrados individuales. Si
el MCM no reduce el número total de entradas y salidas, entonces es
necesario examinar de nuevo todo el diseño (la división del circuito en
sub-circuitos) o deberán ser revisados los requisitos generales del MCM.
El método de cálculo del número de entradas y salidas del módulo
basado en los chips que lo constituyen y, en consecuencia, de las
entradas y salidas de éstos, es llamado regla de Rent.
d) El MCM tiene que asegurar la protección del sistema de los problemas
ambientales. Se requieren técnicas para el aislamiento y el sellado de
los módulos, o por lo menos que la cobertura o encapsulamiento de
los chips y de sus conexiones internas estén garantizadas.
La necesidad del uso de los MCM se produce cuando el diseñador de
un circuito integrado, utilizando la tecnología disponible, no es capaz de
obtener la funcionalidad suficiente utilizando un único chip. Con el rápido
avance de la tecnología de integración sería posible la creación de todo un
sistema que funcionara en un único chip de gran tamaño. Esta integración a
nivel de un cristal (integración a gran escala de obleas - WSI) proporciona
posibilidades de retorno a las técnicas con un solo chip alojado, pero hasta
que esto se convierta en una realidad práctica para una empresa determinada,
los conjuntos multichip seguirán constituyendo una necesidad. Los MCM serán
utilizados
prácticamente
siempre
circuitos
particulares,
así
para
como
satisfacer
para
requisitos
requerimientos
especiales
de
de
sistemas
multifuncionales.
Existen tres métodos básicos para la implementación de sistemas en la
actual microelectrónica:
-
Integración a nivel de un cristal, con un sistema en un único chip –
sistema en chip (SOC);
-
Módulos multichip, formados por varios chips en un sustrato común sistema en un paquete (SOP);
-
Chips individualmente alojados, montados sobre un circuito impreso.
Cabe señalar que si un sistema electrónico complejo, que podría ser
colocado en un MCM, es integrado en un único chip, el chip alcanzará un
gran tamaño. Sin embargo el tamaño general de todo el dispositivo será muy
pequeño. Esto conduce a unos requisitos tecnológicos muy complicados y por
lo tanto muy costosos. Debido a que los MCM utilizan chips más simples (y la
mayor parte de ellos pueden ser reparados), su realización es más barata y
sencilla para el desarrollador.