Articoli di approfondimento - Portare i chip integrati al mercato di massa per dispositivi intelligenti
Se si apre un computer, un telefono cellulare o una televisione la prima cosa che si nota sono probabilmente i microchip, montati dentro alloggi di plastica con piedini metallici che sporgono sui lati. I pacchetti di chip montati in superficie, come vengono chiamati i componenti simili a scarabei, sono stati per lungo tempo la spina dorsale dell'industria dei semiconduttori, ma forse non lo saranno ancora a lungo. Una tecnica in rapida ascesa nella quale i chip sono integrati dentro il circuito stampato invece che montati su di esso offre molti vantaggi e non solo in termini di dimensioni. I chip integrati sono già in fase di produzione commerciale su piccola scala e probabilmente saranno usati molto di più in futuro. La ricerca sui chip integrati è cominciata oltre dieci anni fa, ma è avanzata a passi da gigante negli ultimi anni, grazie in particolare ai progetti di ricerca finanziati dall'UE. "Hiding Dies", un'iniziativa finanziata nell'ambito del Sesto programma quadro (6˚ PQ) dell'UE, ha condotto attività fondamentali di ricerca e sviluppo necessarie per produrre prototipi di chip integrati spessi appena 50 micrometri, circa lo stesso spessore di un capello umano. HERMES ("High density integration by embedding chips for reduced size modules and electronic systems") un progetto di follow-up di Hiding Dies, adesso si è basato su quella ricerca, migliorando il design dei chip integrati e portandolo verso la produzione industriale su larga scala. "I chip integrati offrono molti vantaggi rispetto ai dispositivi a montaggio superficiale (SMD). Quello principale sono ovviamente le dimensioni, i chip integrati hanno un footprint più piccolo e sono anche molto più sottili. Inoltre in un circuito stampato integrato come questo, si possono assemblare componenti anche sopra, il che significa un secondo livello di componenti in uno spazio ridotto, una cosa impossibile da fare con un pacchetto chip modellato, per esempio," dice Johannes Stahr, che ha coordinato il progetto HERMES. Spostando i componenti verso gli strati più interni, si crea uno spazio addizionale sugli strati esterni e quindi si possono mettere sullo stesso footprint più componenti attivi e passivi, come transistor e condensatori. Questo apre la strada anche a sistemi in pacchetto tridimensionali nei quali i chip e gli altri componenti possono essere inseriti uno sopra l'altro per ottenere maggiori funzionalità in meno spazio. Poiché tutti i componenti possono essere messi così vicini gli uni agli altri, i corti collegamenti tra di loro riducono le distorsioni di segnale e migliorano il rendimento termico. Assicurano anche che i moduli siano considerevolmente più solidi e affidabili perché non ci sono saldature o legami. Poiché inoltre i componenti si trovano tra i livelli conduttori del circuito stampato e non sopra di esso, i contatti possono essere fatti da entrambi i lati il che permette una maggiore flessibilità di progettazione per diverse applicazioni. Verso su o verso giù? "Hiding Dies si è concentrato sui cosiddetti processi "a faccia in su" per l'integrazione, nei quali i chip viene incollato a un materiale centrale e poi uno speciale materiale, un foglio di rame ricoperto di resina, viene laminato sul nucleo così assemblato. Questo però comporta un processo di laminazione piuttosto difficile perché la resina deve essere ammorbidita e la laminazione deve essere fatta tutta in una volta in modo da non rompere i chip," spiega Stahr, che è anche Group Technology Manager della AT&S in Austria, il più grande produttore di circuiti stampati d'Europa. Questo processo funziona bene in laboratorio, ma potrebbe non essere la soluzione ottimale per produrre chip su scala industriale. Nel progetto HERMES, i ricercatori hanno quindi adottato un metodo diverso. "Ci siamo concentrati su un processo "a faccia in giù": stampiamo un isolante elettrico su un foglio di rame e poi assembliamo i componenti a faccia in giù nell'adesivo," osserva Stahr. Il vantaggio è che questo procedimento permette di gestire meglio l'integrazione di componenti di diverse dimensioni, tra 1 millimetro (mm) x 0,5 mm per i componenti passivi a 8 x 8 mm per stampi di silicio, e i componenti esterni possono quindi essere assemblati sulla parte superiore del circuito stampato per creare moduli a densità molto alta. Poiché il componente è visibile alla videocamera della macchina che assembla, a differenza del procedimento a faccia in su, essa può assemblare i componenti con maggiore precisione. Questo è fondamentale per la produzione su larga scala, dove correggere il più piccolo difetto può costare milioni di euro. Il lavoro del team di HERMES è stato riconosciuto all'ICP APEX Expo a Las Vegas, Nevada, l'anno scorso quando il progetto ha ricevuto il premio "Miglior intervento internazionale" per un articolo che si occupava in particolare delle opzioni tecniche per l'integrazione di chip e l'affidabilità. Usando tecniche sviluppate nell'ambito del progetto, il team di HERMES ha costruito centinaia di dimostratori di chip integrati per tre partner utenti finali. "Non abbiamo messo su un prototipo di catena di montaggio, ma piuttosto una normale catena di montaggio industriale per la produzione di un volume reale," dice Stahr. Più piccoli, più intelligenti e più robusti Per il partner del progetto Bosch, il più grande fornitore al mondo di componenti per automobili, il team sta producendo un'unità di controllo del motore completa per la scheda madre delle auto e dei camion diesel, che contiene un processore integrato di 8 x 8 mm insieme a una memoria e ad altri componenti passivi. Anche se può sembrare che un'automobile, considerate le sue dimensioni generali, non ha gli stessi limiti di spazio e quindi le stesse esigenze di miniaturizzazione di un telefono cellulare, ci sono molte buone ragioni perché la Bosch e altre aziende automobilistiche si interessino a questa tecnologia. "Lo spazio per la scheda madre è limitato. Con questo modulo, possono tenere la stessa semplice scheda madre, ma avere un'unità di controllo del motore più complessa per una performance migliore," dice Stahr. E poiché i chip integrati sono più resistenti, ci sono meno rischi di guasti causati dalle condizioni estreme di un veicolo in movimento, da grandi fluttuazioni di temperatura e intense vibrazioni. "AT&S ha fatto un confronto tra i componenti integrati e i componenti SMD e abbiamo constatato un'eccellente affidabilità nei componenti integrati. Nei test di caduta, il nostro componente ha resistito a 15.000 cadute, poi i collaudatori si sono fermati perché proprio non riuscivano a romperlo," osserva Stahr. Per il partner di progetto Infineon, il team sta producendo dimostratori funzionali di moduli di potenza che potrebbero essere messi in una serie di prodotti al consumo, dai condizionatori alle lavatrici. Questi transistor metallo-ossido-semiconduttori a effetto di campo (MOSFET) hanno migliore flusso di corrente e conduttività termica rispetto ai componenti SMD, poiché hanno contatti su entrambi i lati e collegamenti più corti che usano microvie di rame. Per Thales invece il team sta lavorando su moduli molto complessi per comunicazioni sicure, che integrano quasi 400 componenti, tra cui cinque chip, in una costruzione a dieci strati su un singolo circuito stampato. "C'è un'enorme gamma di applicazioni in molti settori per questa tecnologia e adesso siamo in prima linea nella produzione di chip integrati su scala commerciale e industriale," dice Stahr. Il progetto HERMES ha ricevuto finanziamenti alla ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro dell'UE (7° PQ). Link utili: - Progetto "High density integration by embedding chips for reduced size modules and electronic systems" - Record dei dati del progetto HERMES su CORDIS Articoli correlati: - In futuro i telefoni saranno più intelligenti - Un progetto finanziato dall'UE contribuisce allo sfruttamento del potenziale di prestazioni dei dispositivi mobili - Accelerazione europea dell'economia dei servizi elettronici