מארזים

מארזים חדשים של TI למערכות משובצות זעירות

פורסם בתאריך ע"י Techtime

בתמונה לעלה: השוואה בין גודל אזנייה לגודלו של המיקרו-בקר MSPM0C1104

מאת: אלכסנדרה גודז'ינסקי, מהנדסת שיווק מוצר בחברת Texas Instruments

אחד ממאפייני ההתפתחות המתמשכת של טלפונים ניידים, הוא שבכל דור חדש הם נעשים קטנים וחסכוניים יותר באנרגיה, לצד גידול מתמיד במעטפת הביצועים שלהם, מאפיינת מגמה מרכזית המורגשת בכל עולמות המערכות המשובצות: המהנדסים מחפשים דרכים חדשות להגדיל את הביצועים ולהוסיף למערכות תכונות חדשות – במקביל להקטנת המוצרים, הגדלת אורך חיי הסוללה שלהם והוזלת הפתרון שהם מספקים ללקוחות.

במענה לדרישת השוק הזו, חברת Texas Instruments מפתחת סדרות חדשות של מעבדים משובצים ומיקרו-בקרים המופיעים במארזים קטנים מאוד כדי לחסוך בשטח המעגל המודפס (PCB), אשר כוללים מעגלים אנלוגיים חדשים המייתרים את הצורך במעגלים חיצוניים המצויים על-גבי ה-PCB לצד המעבדים. המאמר מסביר כיצד מארזים ושילוב של מרכיבים אנלוגיים מאפשרים להקטין את שטח המעבדים המשובצים מבלי לפגוע בביצועים.

מארזים

היצרנים מקטינים את המארזים באמצעות הסרת חלקי פלסטיק מהמעטפת ושינוי במבנה המוליכים (leads) המקשרים בין המעבד לבין ה-PCB. מארזי Quad Flat No-lead (QFN) כוללים מגעים שטוחים מסביב לשולי מעטפת הפלסטיק המגינה על הסיליקון. בנוסף, הם כוללים משטח תרמי מתכתי בתחתית הרכיב, המסייע לשפר את פיזור החום. המיקרו-בקר MSPM0C1104 במארז הזה, כולל 20 מגעים (pins) ותופס שטח של 9 ממ"ר בלבד.

מארזי Wafer Chip Scale Package (WCSP) מספקים את גורם הצורה הקטן ביותר בתעשייה. מערך של כדורי בדיל (solder balls) מקשרים את ה-PCB ישירות אל הסיליקון, וכתוצאה מכך מתקבל מארז זעיר שהוא כמעט בגודלה של פרוסת הסיליקון עצמה. המעבד MSPM0C1104 מופיע גם במארז WCSP אשר מגיע לרמת צפיפות של 8 כדורי בדיל בשטח של 1.38 ממ"ר בלבד, ולכן הוא נחשב למיקרו-בקר (MCU) הקטן ביותר בעולם.

אינטגרציה

דרך נוספת להקטנת שטח המעבד היא הכללת פונקציות רבות יותר בתוך הרכיב עצמו, בעיקר אנלוגיות, ועל-ידי כך לחסוך את הצורך לממש את הפונקציות הנוספות באמצעות רכיבים נפרדים הדורשים מארזים, מגעים ומוליכים התופסים שטח PCB ניכר. מכשיר למדידת רמת חמצן בדם (Pulse Oximeter) למשל, דורש שימוש בממיר ADC, משווה ומתח ייחוס. הכללתם בתוך המעבד מצמצמת מאוד את שטח המעגל הנדרש ליישום המכשיר.

ההחלטה איזה תכונות (מעגלים אנלוגיים או דיגיטליים נוספים) יש להוסיף למעבד אינה פשוטה, מכיוון שהוספת תכונות מיותרות חוטאת למטרה: היא מגדילה את שטח הפתרון-בשבב, את מחירו ללקוח ופוגעת ביעילות המוצר הסופי. התאמת התכונות דרשת הכרה טובה של שוק היעד וצרכיו. המעבד MSPM0C1104 למשל, המופיע במארז WCSP בעל 8 מגעי כדור ושטח של 1.38 ממ"ר, כולל גם זכרון פלאש בנפח של 16KB, ממיר ADC ברזולוציה של 12 סיביות בשלושה ערוצים ושלושה שעוני זמן.

שיקולי ייצור

במקביל להקטנת שטח הרכיבים, יש להתאים גם את שיטות התכנון והייצור, מפני שלהקטנת הרכיבים יש השפעה על גורמים כמו תפרוסת המעגל המודפס וציוד האחיזה בקו הייצור. כאשר נעשה שימוש  ברכיבים קטנים (chip-scale packages), משתמשים במעגלי PCB מוגדרי מסיכת הלחמה (Solder Mask Defined – SMD) או כאלה שאינם מוגדרי מסכת הלחמה (Non-solder Mask Defined – NSMD). מעגלי SMD כוללים משטחי נחושת גדולים יותר, ומעגלי NSMD כוללים משטחים קטנים יותר.

לאחרונים יתרונות רבים, מכיוון שהם מקטינים את שטח ה-PCB, קלים יותר לפריסת מוליכים (routing) ומקטינים את המאמצים הפיסיים על המארז. ראוי לזכור שאחזקת, הנחת והטיפול ברכיבים כל-כך קטנים בקווי הייצור הם קשים יותר מאשר ברכיבים גדולים. היצרנים משתמשים במערכות ואקום כדי למנוע פגיעה בפרוסות הסיליקון החשופות שיותקנו במארזי WCSP ו-BGA, ובקווי ההרכבות יש צורך בבקרה ויזואלית במכונות ההשמה כדי לזהות את שולי הרכיב ואת נקודות המגע (Individual Bumps).

Additional resources
• TI’s Arm Cortex-M0+ MSPM0 MCU portfolio
• TI's Smallest M0+ MCU Package Enables Room to do More in Your Design

ניסטק בנתה יכולת הרכבה אוטומטית של רכיב על-גבי רכיב (PoP)

פורסם בתאריך ע"י Techtime

בתמונה למעלה: מעגל של מריס-טק שהורכב במפעל ניסטק גולן בטכנולוגיית Package on Package 

קבוצת ניסטק (Nistec) שמרכזה בפתח תקווה, הטמיעה טכנולוגיית הרכבה של רכיב על-גבי רכיב (PoP – Package on Package) עבור ייצור כרטיסי מערכות עיבוד ושליטה באותות וידאו ואודיו של חברת מריס-טק (Maris-Tech) מרחובות. מדובר בטכנולוגיה חדשה יחסית הנמצאת בשימוש בעיקר בחברות גדולות המייצרות מכשירים ניידים, כמו אפל וסמסונג. בשיטה הזאת ניתן להרכיב מארז של רכיב אלקטרוני מסוג אחד על-גבי מארז של רכיב אלקטרוני מסוג אחר, כדי לחסוך בשטח על-גבי הכרטיס, לקבל שיפור בביצועים ולעתים גם חיסכון בעלות ההרכבה.

הטכנולוגיה שולבה בקו הייצור של מפעל ניסטק גולן בקצרין כדי לייצר מעגל שבו הורכב רכיב של חברת Micron בגודל של 12X12 מ"מ ובעל 256 נקודות הלחמה, על-גבי רכיב של NXP בגודל זהה המכיל 569 נקודות הלחמה. כדי להטמיע את התהלך רכשה ניסטק אמבט ייעודי עבור משחה ייחודית (Flux) המשמשת כדבק המחבר בין שני הרכיבים. בשלב ראשון מורכב הרכיב התחתון בתהליך סטנדרטי. עליו מונח הרכיב העליון באמצעתו מכונת ההשמה לאחר שהוא הוטבל בחומר ההדבקה. בשלב האחרון מעבירים את הכרטיס אל תנור הלחמה (Reflow) כאשר שני המארזים מולחמים בתנור ביחדיו, אחד על-גבי השני.

חברת ניסטק מסרה שהיא ביצעה עבור מריס-טק הרכבה של שלושה סוגי מעגלים שונים בכמויות של כמה מאות מעגלים מכל סוג, באמצעות טכנולוגיה זו. הם מיועדים לשימוש ברחפנים צבאיים וחקלאיים וביישומים נוספים. "הדרישה מהלקוח הייתה לתנובת ייצור גבוהה במיוחד ובה בעת עלות נמוכה, ולכן היינו חייבים לבחון תהליך אוטומטי", אמר מנהל מפעל ניסטק גולן, רפי אבסוב. "טכנולוג המפעל, אלכס מסליוק, יישם בהצלחה את הטכנולוגיה המיוחדת בתוצאות איכות גבוהות במיוחד".

SiP נגד PoP

טכנולוגיית PoP מאפשרת למקם רכיב לוגי במארז התחתון מתחת לרכיבי זיכרון כמו DRAM ו-Flash למשל, להכפיל את נפח הזיכרון במוצר באמצעות שימוש בשני רכיבי זיכרון על אותו שטח כרטיס, וכדומה. הטכנולוגיה הומצאה על-ידי טושיבה בשנת 2001, וככל הידוע המוצר הראשון שניצל אותה היה מסוף פלייסטיישן הנייד של חברת סוני, שיצא לשוק בשנת 2004. כיום הטכנולוגיה הזאת מתחרה מול מארזים תלת מימדיים מתקדמים (SiP), שבהם יש מספר פיסות סיליקון נפרדות בתוך המארז.

למרות שהנפח שלה גדול יותר, היא מציעה מספר יתרונות בהשוואה למארזים תלת מימדיים, דוגמת אפשרות לבצע בקלות בדיקה נפרדת של המעגל הלוגי ושל הזכרון, אפשרות להחליף מעגלי זיכרון שונים בהתאם לצורך ולזמינות, שליטה טובה יותא בשרשרת האספקה ופישוט שרשרת האספקה (יצרן הלוגיקה אינו צריך להתעסק ברכש והטמעת זכרונות).

מריס-טק נכנסה לנסד"ק

חברת מריס-טק הוקמה בשנת 2009 על-ידי המנכ"ל ישראל בר ועוסקת בפיתוח וייצור מערכות קליטת, עיבוד ושידור אותות וידאו ואודיו ליישומים קומפקטיים כמו רחפנים וכוחות טקטיים. בין לקוחותיה: התעשייה האווירית, רפאל, אלביט, אירובוטיקס ומוביליקום. בחודש פברואר 2022 החברה גייסה 17.8 מיליון דולר בהנפקת מניות בנסד"ק, וכעת היא נסחרת בבורסה לפי שווי שוק של כ-13.6 מיליון דולר. מהמסמכים שהחברה כדיה לבורסה ערב ההנפקה, עולה שמכירותיה במחצית הראשונה של 2021 הסתכמו בכ-1.33 מיליון דולר, בהשוואה למכירות בהיקף של 528 אלף דולר בתקופה המקבילה אשתקד.

 

האנס-לייזר הסינית מקימה בכרמיאל חברה למכונות בדיקת שבבים

פורסם בתאריך ע"י Techtime

חברת Han's Laser הסינית מקימה בכרמיאל חברה לפיתוח מערכות בדיקת פרוסות סיליקון עבור מארזי שבבים מתקדמים. כך נודע ל-Techtime. ההחלטה על הקמת החברה התקבלה לאחרונה, לאחר השלמת פרוייקט פיתוח ראשוני שנעשה בחברת נקסטק (Nextec Technologies) הפועלת מכרמיאל. המערכת הניסיונית עמדה החודש בהצלחה במבחני ההערכה שנעשו לה במפעל ייצור שבבים בסין. בימים אלה החברה נמצאת בתהליכי הקמת החברה החדשה ובאיתור משקיעים אסטרטגיים.

מנהל הפרוייקט, מיכה גפן, אשר ככל הנראה צפוי להיות מנכ"ל החברה החדשה, סיפר שהיעד הוא להקים חברת פיתוח בישראל, ולייצר את המכונות במתקני האנס לייזר בסין. המערכת הראשונה היא מערכת בדיקה אופטית (2D/3D) של מצעי הסיליקון המתווכים בין פיסות סיליקון ייעודיות לבין המעגל המודפס ברכיבים מרובי שבבים (2.5D) ובמארזי שבבים מתקדמים. גפן: "זיהינו את התחום הזה כתחום צומח אשר עדיין אין לו פתרונות מספקים. להערכתנו מדובר כיום בשוק בהיקף של כחצי מיליארד דולר".

מצעי השבבים דורשים פתרון ייעודי

לדבריו, סדרי הגודל של הווייפרים האלה הם בקנה מידה של מיקרונים (אלפית המילימטר), בהשוואה לסדרי גודל של ננומטרים בייצור פיסות סיליקון ייעודיות, כמו למשל מעבדים. "אולם זהו תחום שיש בו צרכים מיוחדים, כמו למשל מבנים תלת מימדיים גבוהים מאוד, והתמודדות עם חוסר אחידות (process variation) מאוד גדול בין מצעי הסיליקון השונים, אפילו כשהם מגיעים מאותה אצווה (batch). במכונה שפיתחנו שילבנו הרבה מאוד מתודולוגיות של לימוד מכונה (machine learning)".

גפן הוא בעל ותק רב בתחום המדידות עבור תעשיית השבבים. הוא היה בקבוצת המהנדסים שהקימו בשנת 1986 את הפעילות הישראלית של חברת KLA. ב-1996 הוא ייסד את חברת Inspectech אשר פיתחה טכנולוגיה לבדיקת החיתוך של פרוסות סיליקון לשבבים נפרדים, אשר נמכרה לקמטק (Camtek) ב-2001 תמורת כ-4.5 מיליון דולר. בהמשך ייסד לפני כ-15 שנים את חברת Brossh Inspection Systems המפתחת ציוד בדיקה אופטי מדוייק.

תחרות מול ענקים

הפיתוח של מערכת הבדיקה החל לפני כשנתיים במסגרת פרוייקט חשאי בתוך חברת נקסטק מכרמיאל (הנמצאת בבעלות האנס-לייזר) שהחל בדצמבר 2018, לאחר שהאנס-לייזר פנתה אל גפן וביקשה ממנו סיוע בפיתוח טכנולוגיה חדשה. המערכת שפותחה מאתרת פגמים דו-מימדיים בגודל של 0.5 מיקרון ויכולה לבצע מדידת גובה של כדוריות המגע (Bumpers) עד לגובה של 300 מיקרון. היא מספקת קצב בדיקה של עד 15 פרוסות סיליקון בשעה.

עבור החברה הסינית מדובר בפרוייקט בעל חשיבות אסטרטגית. האנס-לייזר הוקמה בשנזן בשנת 1996 ומתמחה בטכנולוגיות חיתוך, סימון וריתוך לייזר עבור קווי ייצור תעשייתיים, בעיקר של מערכות אלקטרוניות. בין לקוחותיה: Jabil, Flex, Foxconn, לנובו, שיאומי ועוד. החברה הישראלית החדשה תאפשר לה להיכנס לשוק חדש בתחום המיקרואלקטרוניקה, שבו היא תתחרה בכמה ענקיות מטרולוגיה מהעולם. כיום היא נסחרת בבורסה של שנזן לפי שווי שוק של 6.7 מיליארד דולר. בשנת 2020 הסתכמו מכירותיה בכ-1.85 מיליארד דולר.

התחרות עוברת למארז: סמסוג הכריזה על טכנולוגיית X-Cube

פורסם בתאריך ע"י Techtime

בתמונה למעלה: הדמיית אמן של סמסונג להרכבת מעגל בטכנולוגיית X-Cube

ארבעה ימים לאחר שחברת אינטל הכריזה על טרנזיסטור מסוג חדש ושיפורים בטכנולוגיית היצור ובמארזי השבבים המתקדמים, חברת סמסונג מכריזה על הטכנולוגיה שלה לייצור שבבים תלת-מימדיים. היא חשפה את טכנולוגיית X-Cube אשר מאפשרת לקשר זכרון SRAM בתצורת מגדל על-גבי מעגל לוגי המיוצר בתהליך של 7 ננומטר. באופן זה נבנה מארז תלת מימדי (3D) שבו אריחי הסיליקון מצויים זה מעל זה, במקום בתצורת 2D הנוכחית שלה, שבה אפשר להניחם זה לצד זה (בתמונה למטה).

השם המלא של הטכנולוגיה הוא eXtended-Cube והיא מתבססת על טכנולוגיית מארזי 3D IC של סמסונג, אשר מבוססת על ייצור מוליכים זעירים בתוך פרוסות הסיליקון (Via) המאפשרים לקשר את הטרנזיסטורים של פרוסת סיליקון אחת אל מגעים כדוריים זעירים (Micro-bumps) המצויים בפרוסה שמעליה. החברה מסרה שהמארז החדש הוא דק במיוחד, ועל-ידי כך מקצר את אורך המוליכים החשמליים, ועל-ידי כך מקטין את התנגדותם החשמלית.

סגן נשיא לייצור בסמסונג, מונסו קאנג, אמר שהחברה תמשיך לפתח טכנולוגיות 3D IC כדי להעצים את יכולות השבבים. מההודעת סמסונג עולה שהטכנולוגיה ישימה גם לטכנולוגיות ייצור של 5 ננומטר, ושמספר לקוחות כבר החלו לתכנן שבבים שיתבססו של המארז החדש. ראוי לציין שחברת אינטל הודיעה שטכנולוגיית Foveros התלת-מימדית שלה מתאימה לכל סוגי הרכיבים. סמסונג ציינה שבינתיים היא ביצעה הדגמה של חיבור זכרון SRAM אל מעגל לוגי, אבל לא הסבירה האם הטכנולוגיה מיועדת רק לחיבור זכרונות אל מעגלים לוגיים, או שהיא מתאימה לכל סוגי המעגלים.

המחשה של סמסונג לרכיב הכולל מספר שבבים מקושרים בתצורה דו-מימדית (2D)
המחשה של סמסונג לרכיב הכולל מספר שבבים מקושרים בתצורה דו-מימדית (2D)