MMIC multifunzione: integrare dimensioni, peso, potenza e costi per applicazioni di prossima generazione

Nel mercato odierno sempre più competitivo quasi ogni prodotto è una sfida ingegneristica. I progettisti di sistemi hanno bisogno di funzionalità sempre maggiori che abbiano dimensioni ridotte per servire lo stesso mercato o uno più economico. Il circuito integrato monolitico a microonde (MMIC) multifunzione è stato progettato nel tentativo di fornire ai clienti un'unità conveniente e altamente integrata capace di offrire le stesse prestazioni e affidabilità dei precedenti MMIC a funzione singola. Gli ingegneri stanno accelerando l'evoluzione dei MMIC per potenziare le funzionalità di componenti altamente integrati e liberare così più spazio sulle schede a circuiti stampati (PCB) per i progettisti di sistemi. Questa tendenza è destinata a rimanere in auge: i clienti continueranno a cercare dimensioni, peso e potenza (SWaP) ottimali, lasciando nelle mani di ingegneri di sistemi e team di progettazione il compito di trovare la soluzione ideale.

Che cosa spinge questo cambiamento?

Questa nuova domanda non rende obsoleti i MMIC a funzione singola, che continuano a essere utilizzati in molteplici applicazioni e sono comunque ottimi per i proof of concept. Tuttavia, molte applicazioni odierne, come il radar o il 5G commerciale, devono fare i conti con i vincoli di spazio. Ad esempio, il passo per gli elementi di un'antenna in una schiera di fase di 28 GHz è di soli 5 mm, il che non lascia spazio per circuiti integrati (CI) multipli. La necessità di frequenze più alte e la riduzione degli spazi disponibili sulle PCB rendono necessaria un'integrazione multifunzione.

Immaginate quattro MMIC a funzione singola su una PCB e un singolo MMIC multifunzione. Se si utilizzano dei CI a funzione singola, è possibile modificare solo in parte le dimensioni della soluzione: infatti bisogna tenere in considerazione anche il packaging supplementare e il disaccoppiamento esterno. All'interno del contenitore il dispositivo attivo occupa solo una piccola percentuale dello spazio, il resto è a disposizione dei collegamenti in entrata e in uscita dal contenitore. Oggigiorno, la tecnologia deve migliorare continuamente dimensioni e prestazioni con ogni nuova generazione. Un MMIC multifunzione occupa meno spazio sulla PCB, permettendo di ridurne le dimensioni e di renderla più facile da inserire in contenitori differenti a seconda dell'applicazione richiesta dal cliente. Ciò consente una maggiore variabilità all'interno di un contenitore più piccolo, fornendo di fatto più opportunità di sviluppo al cliente.

I MMIC multifunzione hanno lo stesso aspetto dei MMIC a funzione singola della generazione precedente: il loro singolo chip assolve alle stesse funzioni dei MMIC precedenti, ma è in grado di svolgere più funzioni (Figura 1). Ed è proprio grazie a queste che è possibile risparmiare spazio.

Figura 1: Un MMIC multifunzione (a destra) occupa meno spazio su scheda rispetto a più MMIC a funzione singola (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di MACOM Technology Solutions)

L'integrazione riduce le perdite parassite sulle PCB. Ciò riduce la necessità di un guadagno in eccesso, limitando il consumo energetico complessivo del sistema. I costi vengono ridotti grazie al confezionamento del die e riducendo il numero di interfacce. L'affidabilità meccanica e termica (che spesso influenzano i costi di proprietà totali) aumentano molto. Se il cliente necessita di più funzioni o di più spazio su scheda, la nuova generazione di MMIC è la soluzione ideale.

Ridurre i costi di proprietà totali

In tutto il settore le aziende si stanno convertendo ai MMIC multifunzione, e i clienti dovranno scegliere con attenzione i propri fornitori. I nuovi livelli di integrazione ridurranno i costi sostenuti dai clienti. Tuttavia, sarà necessario applicare processi differenziati per distinguere tra funzionalità e prestazioni.

Come in tutti i settori dei semiconduttori, l'integrazione porta alla scalabilità, che a sua volta produce una riduzione dei costi. I costi non correlati ai semiconduttori, come l'assemblaggio e i test, richiedono spesso un grande dispendio di tempo e lavoro. Per questo sono scalabili in modo lineare a seconda del numero di componenti discreti prodotti. Ridurre la quantità di interfacce riduce il numero di fasi di assemblaggio e quello dei possibili errori, incrementando così la resa e riducendo i vettori di test necessari. Inoltre, con le interfacce interne ai MMIC multifunzione, viene ulteriormente ridotto il carico totale dei test effettuati dal cliente. Anche il packaging è più efficiente a livello di costi: includere quattro funzioni in un unico contenitore è quasi quattro volte più economico che suddividerle in quattro contenitori separati. Inoltre, il packaging semplificato permette di ottenere caratteristiche termiche migliori, cosa che riduce i requisiti di dissipazione termica e, di conseguenza, il peso complessivo.

A seconda degli obiettivi di prestazioni chiave, potrebbe essere necessario adottare processi differenziati per ottenere funzionalità ottimali con un MMIC multifunzione. Di conseguenza, le aziende di semiconduttori con un portafoglio di tecnologie ricco e diversificato si trovano in una posizione di vantaggio per offrire le soluzioni più interessanti ai progettisti di sistemi, mettendo a loro disposizione varianti mature e qualificate per aiutarli a raggiungere le prestazioni desiderate.