El diseño de componentes altamente integrados para aplicaciones de radiofrecuencia plantea desafíos especiales para los ingenieros de sistemas, diseñadores e ingenieros de puesta en servicio. El límite entre chip, paquete y placa se desvanece cada vez más en los componentes modernos. Es cada vez más común que partes de la funcionalidad se muevan al paquete o incluso al tablero. En algunos casos, los requisitos se han vuelto tan amplios que la funcionalidad solo puede garantizarse con una interacción perfecta entre el chip, el paquete y la placa. Para asegurar un diseño robusto y confiable para tales componentes, se deben tener en cuenta una serie de efectos físicos con pruebas especiales y se debe evaluar su influencia. Esto se suma a los efectos habituales observados en otros componentes y las pruebas asociadas, como sincronización, caída de voltaje, etc.
En el diseño de RF, también se está moviendo un número creciente de componentes del circuito al paquete, ya sea porque esto da como resultado un mejor rendimiento o porque es más barato de fabricar. Dicho reposicionamiento solo es posible con un codiseño intensivo del chip, el paquete y la placa. Se deben crear flujos de herramientas adecuados para respaldar esto durante todo el proceso de diseño. Esto comienza con la exploración temprana de variantes a nivel del sistema funcional, continúa con la planificación del piso muy temprana y el co-diseño de los componentes individuales y termina con la verificación conjunta de todo el sistema, teniendo en cuenta la interconexión parásita y los efectos del sustrato.
Por un lado, se deben realizar y verificar las propiedades funcionales de los componentes. En el área del diseño de RF, esto significa, por ejemplo, valores de ganancia, factores de ruido, atenuación de diafonía o eficiencia espectral.
Por otro lado, las propiedades no funcionales también requieren una atención especial. Entre otros aspectos, esto implica asegurar la confiabilidad a largo plazo en el chip, paquete y placa y en las interfaces chip-paquete y paquete-placa, así como cumplir con las restricciones térmicas.
Dadas sus aplicaciones (automotriz, industrial, etc.), los componentes de RF deben manejar con frecuencia un amplio rango de temperatura. Además, normalmente utilizan una operación de gran señal. Cuando se trata de verificar la confiabilidad, esto requiere pruebas adicionales para capturar el comportamiento de envejecimiento también en el rango extendido (temperatura, amplitud, etc.). Los grandes pasos de voltaje dan como resultado una serie de mecanismos de tensión para los circuitos de RF, como la inestabilidad de la temperatura de polarización (BTI), la inyección de portadora caliente (HCI), la HCI no conductora (nHCI) y la ruptura dieléctrica dependiente del tiempo de estado de encendido / apagado (TDDB). .
La simulación del comportamiento de envejecimiento esperado requiere no solo muy buenos modelos de CC para simular las cifras de mérito de RF (FOM), sino que también es necesario modelar las capacidades de los transistores y cómo cambian a lo largo de la vida con la mayor precisión posible. También se ha demostrado que la aproximación cuasiestática ya no es aplicable para mapear el envejecimiento de CC sobre el envejecimiento variable en el tiempo para frecuencias más altas.
Junto con el nivel de voltaje, la potencia también juega un papel importante en la caracterización y modelado de componentes de RF. La potencia de entrada es otra variable de estrés que influye en la potencia de salida y la eficiencia de potencia agregada (PAE). Para los dispositivos amplificadores de potencia de RF, el voltaje de drenaje importante puede ser más del doble que el voltaje de funcionamiento. Esta es la razón por la que el HCI y el nHCI son los mecanismos de envejecimiento más importantes a considerar.
El procesamiento de potencias superiores en pequeños dispositivos de RF también impone exigencias especiales al diseño térmico de los componentes. La calefacción local tiene un impacto negativo en la fiabilidad a largo plazo. El calentamiento desigual de un componente con una gran superficie también puede provocar pérdidas de energía inesperadas. Estas influencias térmicas siempre deben tenerse en cuenta para diseñar el diseño, posicionar las vías térmicas y diseñar la solución de embalaje.
Por lo tanto, es necesario seguir nuevos enfoques de diseño para el desarrollo de sistemas y componentes de RF debido a sus propiedades especiales. También se deben considerar una serie de condiciones específicas para garantizar el funcionamiento correcto y la confiabilidad a largo plazo en la aplicación prevista.
Roland Jancke
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Roland Jancke es jefe del departamento de metodología de diseño de la División de Ingeniería de Sistemas Adaptativos de Fraunhofer. Es licenciado en ingeniería eléctrica por la Technische Universitat Dresden.
Fuente: https://semiengineering.com/challenges-in-rf-design/
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