Warum sind keine Entkopplungskappen in den IC oder das IC-Paket eingebaut?

48

Der Titel ist wahrscheinlich gut genug, aber ich habe mich immer gefragt, warum Entkopplungskappen nicht in den Chip oder zumindest in das IC-Gehäuse eingebaut sind.

kenny
quelle
2
Sie sind manchmal! Ich habe PC-CPUs mit ihnen gesehen. Es ist zu teuer für gewöhnliche Geräte und macht sie zu groß.
Leon Heller
Wie bereits erwähnt, können Sie die Kappen in die Steckdose einbauen. Ich habe festgestellt, dass diese bei RS auch von anderen Anbietern verkauft werden. Sie sind zwar teurer als normale Steckdosen. Ich bin der Meinung, dass sich die Kosten in der Industrie möglicherweise nicht lohnen, wenn man die Sockel und Kappen separat kauft.
Dean
3
@Leon: Das könnte eine Antwort anstelle eines Kommentars sein :)
Endolith
1
@ Endolith - es war eine Antwort! mach es Leon nicht zu schwer. :-)
Stevenvh

Antworten:

37

Die Integration von Kondensatoren auf einem Chip ist teuer (sie benötigen viel Platz) und wenig effizient (Sie sind auf extrem kleine Kondensatoren beschränkt).
Die Verpackung bietet auch keinen Platz, der Kondensator würde der Verklebung im Wege stehen.

Die
Miniaturisierung von IC-Paketen wird vom Mobilfunkmarkt bestimmt (Hunderte von Megageräten pro Jahr, wenn nicht sogar ein Gigagerät). Wir wollen immer kleinere Pakete, sowohl in der Fläche als auch in der Höhe. Öffnen Sie einfach Ihr Handy, um zu sehen, wo das Problem liegt. (Mein Telefon ist 1 cm dünn. Dazu gehören Gehäuseoberseite und -unterseite, ein Display, ein 5 mm dicker Akku und dazwischen eine Leiterplatte mit Komponenten.) BGA-Pakete mit einer Höhe von weniger als 1 mm ( dieses SRAM-Paket hat eine Größe von 0,55) mm(!)). Das ist weniger als die Höhe eines 0402 100 nF Entkopplungskondensators.
Ebenfalls typisch für SRAM ist, dass die Paketgröße nicht Standard ist. Sie finden 8 mm * 6 mm, aber auch 9 mm * 6 mm. Das liegt daran, dass das Paket so genau wie möglich in den Würfel passt. Lediglich die Matrize plus auf jeder Seite einen Bruchteil eines Millimeters für die Verklebung. (Übrigens, BGA-Chips sind auf einer integrierten Platine gebondet, die die Signale von den Kanten zum Kugelgitter
leitet .) Dies ist ein extremes Beispiel, aber andere Pakete wie TQFP lassen nicht viel mehr Platz.

Es ist auch viel billiger, einen Kondensator auf der Leiterplatte zu platzieren. Sie tun dies trotzdem für die anderen Komponenten.

stevenvh
quelle
es wäre schön, ein paar referenzen zu haben, aber eine freundlichkeit, nicht erforderlich.
Kortuk
Wäre es bei einigen Chipgehäusen möglich, konkave Bereiche an der Unterseite des Gehäuses anzuordnen, in denen Kondensatoren an Bord platziert werden könnten? Das würde bei Chips, bei denen das Gehäuse und der Chip fast gleich groß sind, nicht funktionieren, aber bei vielen IC-Gehäusen ist der Chiphohlraum ein kleiner Teil des Gehäuses.
Supercat
@Kortuk - typisch Kortuk, immer mehr wollen! :-) Die Sache ist, dass Hersteller keine Aussagen machen, warum sie keine Entkopplungskondensatoren integrieren; für sie ist es offensichtlich.
stevenvh
Es tut mir leid, aber ich kaufe nicht "es ist offensichtlich ...", weil ich denke, dass dies eine enge Sichtweise ist, die das Gesamtbild nicht berücksichtigt. Ich stimme den Bedenken in Bezug auf Handy und Verpackung zu, das stimmt wahrscheinlich. Es scheint mir, dass ein Material mit der gewünschten Kapazität in die Verpackung eingearbeitet und nur durch den Drahtbonder gebunden werden könnte. Vielleicht ist das nicht offensichtlich oder eher unwissend. Ganz zu schweigen davon, dass sie meiner Meinung nach mehr Platz auf der Platine benötigen, als in irgendeiner Weise integriert sind.
Kenny
@kenny - Ich sagte, es ist für den Hersteller offensichtlich, nicht, dass es für uns Sterbliche sein sollte. Und was eine externe Kappe angeht, die mehr Platz benötigt: Dies gilt nur, wenn das Gehäuse nicht vergrößert werden muss, um den Kondensator einzubauen. Und wie ich im BGA-Beispiel erklärt habe, gibt es einfach keinen Platz für eine 0402, wahrscheinlich nicht einmal eine 0201. Letztere gehen übrigens nicht auf 100 nF. (Ich frage mich auch, ob die Bonding-Maschine keine ebene Oberfläche benötigt.)
Stevenvh
22

ϵr

Die in Chips verwendeten Materialien sind für Halbleiter optimiert, nicht für Dinge, die in Kondensatoren benötigt werden (dh extrem hohe Dielektrizitätskonstanten). Und selbst wenn sie es wären, würden On-Chip-Kondensatoren immer noch viel Platz verbrauchen, was die Chips sehr teuer macht. Die relativ große Fläche für einen On-Chip-Kondensator müsste alle kniffligen Prozessschritte durchlaufen, die für die ursprüngliche Chipfunktionalität erforderlich sind. Daher sind die einzigen Kondensatoren, die auf der Chipstruktur aufgebaut sind, die ohnehin sehr klein sein können oder die sehr genau auf das getrimmt werden müssen, was der IC beabsichtigt, z. B. die Ladungsumverteilungskondensatoren einer sukzessiven Annäherung analog zu -Digitalwandler, der sogar getrimmt werden muss, während der Chip noch hergestellt wird.

Für Dinge wie das Entkoppeln der Versorgungsschienen des Chips oder das Puffern seines Referenzknotens, bei denen der genaue Wert des Kondensators keine Rolle spielt, bei denen jedoch ein Produkt mit hohem C * V-Wert benötigt wird, ist es viel besser, einige Kondensatoren neben dem zu platzieren ICs. Diese können aus einem elektrolytischen oder keramischen Material hergestellt werden, das auf eine hohe Kapazität * Spannung bei geringem Volumen eingestellt und in einem für diese Anforderungen idealen Verfahren hergestellt wird.

Dann gibt es natürlich einige Hybridverpackungstechniken, bei denen Keramikkondensatoren auf oder in dasselbe Gehäuse mit einem IC platziert werden, aber dies sind Ausnahmen, bei denen entweder die Länge der Steckverbinder vom Chip über ein Standard-IC-Gehäuse und den Sockel bis zu einer Kappe reicht Die Platine wäre bereits zu lang und zu induktiv, oder der IC-Hersteller möchte sich nicht darauf verlassen, dass die Platinendesigner ihre Datenblätter und Anwendungshinweise darüber lesen, wo die Kappen platziert werden müssen, damit der IC seine Anforderungen erfüllt Spezifikationen.

Zebonaut
quelle
Danke für diese Info, sehr hilfreich. Ich dachte eigentlich eher an ein integriertes Paket als an deinen letzten Absatz. Scheint so zu sein, dass die Leadframe-Anbieter, sorry wenn das datiert ist, es in das Design einbauen könnten. Vielleicht ist etwas über diesen Prozess oder die Kosten dafür warum?
Kenny
AFAIK, Kondensatoren werden in Hybridgehäusen eingelötet, und Hybridgehäuse enthalten immer irgendein Platinenmaterial, sei es Keramik oder ähnlich wie FR4 (jedoch mit einer Wärmeausdehnung, die besser zu Silizium passt). Mit nur einem Chip, einem Leadframe und einem Paket darum herum gibt es nur Bonding und kein Löten. Ich weiß nicht, ob Kappen tatsächlich geklebt werden können.
Zebonaut
12

Früher gab es IC-Sockel mit eingebauten Entkopplungskondensatoren. Ich habe sie seit Jahren nicht mehr gesehen

Bildbeschreibung hier eingeben

Lyndon
quelle
1
Können Sie Beispiele oder Links zu Beispielen dieser alten IC-Sockel bereitstellen?
Jeff Atwood
2
Die Frage betraf Kappen innerhalb von ICs (Die) oder IC-Paketen. Dies ist ein IC-Sockel, kein Paket. Diese Sockel wurden möglicherweise erfunden, um Platz auf Leiterplatten zu sparen, während SMT noch nicht die Norm war, und sie beschränken sich auf gängige Logikpakete, bei denen GND auf Pin (# total_pins / 2) und VCC auf Pin (#total_pins) liegt
zebonaut
1
@ Jeff - Ich habe ein Bild zu Lyndons Antwort hinzugefügt. Der Grund, warum Sie diese nicht mehr sehen, ist, dass sie nur für ein bestimmtes Pinning gelten, wie Vcc an Pin 20, gnd an Pin 10. Typischerweise LSTTL- und HCMOS-Bausteine. Es war anfangs eine ziemlich blöde Idee, solche Stromanschlüsse zu platzieren, und das wird nicht mehr gemacht. Moderne ICs können ihre Stromanschlüsse so gut wie überall haben, aber sie sind oft enger beieinander angeordnet. Auch das ist DIL !, wer nutzt das noch? :-)
stevenvh
1
@ Stevenvh, ich weiß, es ist im Scherz, aber ... wir verwenden immer noch DIL, viel! :( Beim Entwerfen mit hoher Leistung sind die Kosten am niedrigsten, wie mir mein EE-Stromversorgungspartner mitteilt, da für viele Komponenten ein Durchgangsloch erforderlich ist und es daher teurer ist, beide Komponenten in der Leiterplattenfabrik zu haben.
kenny
1
Als ich das zum ersten Mal sah, dachte ich, es sei ein Photoshop-Witz
Joel B
6

Wenn die Frage ist, warum die Entkopplungskappen nicht zusammen mit der Düse in der Verpackung eingekapselt sind, würde ich sagen, dass der Hauptgrund die Wirtschaftlichkeit ist - in den meisten Fällen gibt es keinen großen Leistungsgewinn, um den Kondensator an Bord zu bringen (stattdessen) Dies bedeutet, dass die zusätzlichen Kosten (für die Prozessentwicklung, das Testen und die Warenkosten) dem Verbraucher keinen Nutzen bringen und lediglich die Kosten des Geräts erhöhen.

Die bestehenden Verpackungsprozesse müssten modifiziert werden, um auch den In-Package-Chip aufzunehmen. Dies würde erhebliche Kosten für Neu- oder Modifikationen bestehender Werkzeuge (Maschinen, Formen, Inspektionsgeräte usw.) verursachen - nur um diesen zusätzlichen Kondensator hinzuzufügen.

Was das Platzieren von Kondensatoren direkt auf dem Chip betrifft, so ist dieser Chipraum als Transistor wertvoller als als Kondensator. Auch hier ist die Kapazität außerhalb der Core-Die-Verpackung besser.

Spielzeugbauer
quelle
@whoever downvoted this - Es wäre schön, wenn Sie uns wissen lassen, warum Sie das getan haben. Es kann @Toybuilder ermöglichen, seine Antwort zu verbessern.
Stevenvh
3
Ich sehe hier nichts, was eine Gegenstimme verdient. Es ist keine gute Antwort, da es nicht viel Neues hinzufügt oder ins Detail geht, aber es ist auch nicht falsch, unangemessen, beleidigend oder auf andere Weise böse. Ich habe es nur einmal abgegeben, um es wieder auf 0 zu bringen. Normalerweise hätte ich nicht dafür gestimmt, aber ich fand es unfair, es negativ zu belassen.
Olin Lathrop