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

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.

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.

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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.

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

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.