Fino a una decina di anni fa, l'elettronica digitale sembrava destinata a sostituire completamente, o quasi, l'elettronica analogica, relegando quest'ultima al ruolo marginale di interfaccia verso il mondo analogico. La scarsa capacità di integrazione dell'elettronica analogica ha favorito questa tendenza, permettendo all'elettronica digitale, capace di elevatissima densità di integrazione, di erodere a proprio vantaggio funzionalità di sistema.
Man mano che le applicazioni sono diventate più complesse e soprattutto si sono spostate verso le alte frequenze operative, il vantaggio del digitale nel sostituire l'analogico è diventato sempre più discutibile e conseguentemente crescente attenzione è stata rivolta allo sviluppo di componenti analogici che, a parità di funzionalità, risultassero dense come quelle digitali.
Un esempio emblematico di come in passato l'elettronica digitale abbia eroso gli spazi di esistenza dell'elettronica analogica è quello dei convertitori digitale/analogico e analogico/digitale per applicazioni in banda audio e video. La funzionalità del filtraggio analogico (anti-aliasing), per definizione analogica, è stata spostata nel dominio digitale, consentendo di ottenere quello che con l'elettronica analogica non era possibile ottenere, ovvero l'integrazione single-chip dell'intera funzionalità di conversione A/D e D/A in modalità multicanale, come richiesto dalle applicazioni multimedia di ultima generazione.
Recentemente la tecnologia di integrazione dell'elettronica analogica si è molto evoluta e offre possibilità prima impensabili. Contemporaneamente, le applicazioni a elevato livello di embedding sono divenute dominanti rispetto a quelle basate di natura desktop o comunque a limitato livello di portabilità. L'elettronica analogica, a parità di livello di integrazione rispetto a quella digitale, richiede meno area di sistema, quindi consente un maggior livello di embedding.
Un esempio emblematico di come oggi l'elettronica analogica riconquisti spazi di esistenza sono gli FPAA (Field Programmable Analog Array). Questi non sono solo l'equivalente analogico degli FPGA (Field Programmable Gate Array), ma anche l'equivalente analogico dei DSP (Digital Signal Processor). In una dimensione di chip decisamente più ridotta, gli FPAA offrono la funzionalità di due dispositivi a larghissima scala di integrazione come i DSP e gli FPGA.
Il packaging, in questa fase dell'evoluzione dell'elettronica analogica, svolge un ruolo determinante per l'applicabilità nei sistemi emergenti a elevato livello di embedding in quanto consente di valorizzare l'elevata densità funzionale integrata sul silicio rispetto a quella messa a disposizione dall'elettronica digitale. Il package nell'analogica, prima considerato di secondaria importanza rispetto alla natura funzionale, ora, data l'elevata integrazione, acquista un ruolo paritario nella determinazione del successo del componente analogico stesso.
Il die diventa il package
Alcuni anni fa National Semiconductor ha sviluppato una tecnologia di miniaturizzazione del pakaging per i componenti elettronici denominata microSMD, un package di tipo wafer-level chip-scale, che ha impiegato per incapsulare una serie di componenti analogici, primo tra i quali il LMC6035 (Low Power 2.7V Single Supply CMOS Operational Amplifiers). Questo tecnologia di packaging, estremamente innovativa, ha consentito di ridurre in maniera sostanziale l'occupazione di superficie (e anche di spazio) di componenti analogici importanti come gli amplificatori operazionali (85% meno di un MSOP a 8 pin, tipicamente utilizzato per incapsulare un operazionale).
Questo tipo di package, oltre all'evidente vantaggio derivante dalla miniaturizzazione portata al limite estremo, cioè il die, porta altri vantaggi meno evidenti, ma molto importanti, come l'aumento di affidabilità del sistema. Le interconnessioni più corte che ne conseguono portano a una più bassa induttanza e ridotta degradazione del segnale, aspetti questi che per le applicazioni analogiche sono di considerevole importanza.
Il target applicativo di questo tipo di package sono le applicazioni portabili leggere, veloci e miniaturizzate, cioè sistemi a elevato livello di embedding. Lo spessore del componente incapsulato con questa tecnologia è dell'ordine dei 0.5 mm. Ai vantaggi legati all'ingegnerizzazione e alla successiva produzione dei sistemi, questo incapsulamento innovativo per la componentistica analogica porta anche altri vantaggi, tra cui quello economico in quanto una riduzione dei costi deriva dall'aumento delle dimensioni del wafer o dalla riduzione della dimensione del die.
I componenti in banda radio
I componenti analogici possono essere convenientemente sostituiti da quelli digitali nelle applicazioni a bassa frequenza, ma quando le applicazioni vanno a coprire la banda radio, i componenti analogici sono l'unica soluzione.
Data la tendenza alla miniaturizzazione, l'incapsulamento diventa ancora una volta un fattore determinante per la realizzazione di sistemi di piccole dimensioni e di costi ridotti. Le prestazioni dei componenti in banda radio però possono essere pesantemente condizionati, se non addirittura pregiudicati, dalle caratteristiche del package utilizzato.
La tecnologia flip-chip per esempio consente di ridurre le induttanze che si determinano nel contatto tra il die e il package. Funzioni analogiche come filtri passivi, array di sensori, MEMS, ecc. vengono realizzati in tecnologia flip-chip per essere convenientemente applicati in dispositivi operanti in banda radio a elevato livello di embedding come i telefoni cellulari e i dispositivi wireless in generale. Il vantaggio del packaging flip-chip deriva dalle ridottissime dimensioni che può raggiungere il 5% delle dimensioni e peso richiesti da implementazioni che utilizzano componenti con package e interconnessioni tradizionali. Un altro importante vantaggio del packaging flip-chip deriva dal fatto che il package viene assemblato durante il processo di fabbricazione del wafer e il testing del componente viene fatto sul wafer stesso.
L'affidabilità che ne deriva per i componenti incapsulati a livello di wafer è decisamente superiore rispetto a quelli incapsulati con processi successivi a quello di produzione del wafer. L'elevata affidabilità consegue anche dal mancato utilizzo di fili di connessione sostituiti direttamente dalla connessione diretta tra chip e scheda tramite protuberanze sferiche. In tal modo il package implementa una modalità di collegamento tra chip e scheda assolutamente trasparente, in quanto non ci sono elementi interposti, quindi non ci sono deviazioni dal comportamento ideale del dispositivo. In particolare, sono minimizzati gli effetti di perdita per inserzione e di mancato isolamento tra i pin adiacenti.
Il wafer chip-scale packaging
Il Wafer chip-scale packaging (WCSP) è un'altra soluzione di miniaturizzazione del packaging che, pur essendo stata introdotta per la funzionalità logica, ha trovato un notevole successo per l'incapsulamento della funzionalità analogica (regolatori RF LDO, amplificatori di varia tipologia, convertitori analogico/digitale, ecc.).
Texas Instruments ha recentemente esteso la tecnologia di incapsulamento WCSP NanoStar a particolari funzioni analogiche come gli amplificatori, i sottosistemi di conversione dei dati o i regolatori come per esempio il TPS793285 LDO. Questo è stato incapsulato in un package NanoStar a 5 punti (ball) di contatto di 0.84x1.348 mm. Grazie a questa tecnologia di packaging avanzato applicata all'elettronica analogica è possibile ottenere un considerevole ridimensionamento del package in linea con quanto correntemente viene offerto per l'elettronica digitale. In tal modo la flessibilità in fase di progettazione aumenta come pure l'affidabilità in quanto, diversamente dai componenti con incapsulamento plastico, non richiede preparazioni preventive e può essere montato utilizzando la tecnologia standard di montaggio superficiale (SMT) senza sottoriempimento.
Oltre all'amplificatore in radio frequenza, altri dispositivi analogici sono stati incapsulati con questa tipologia di packaging, per esempio il regolatore TPS693285 LDO o l'amplificatore in classe audio TPA2010D1 ad alta efficienza (2 Watt). Per quest'ultimo il package misura appena 1,45x1,45 mm e ha 9 punti di contatto (ball), offrendo in tal modo enormi vantaggi nell'embedding di prodotti come i telefoni cellulari, i cercapersone, i PDA, le macchine fotografiche, ecc., ove l'audio di qualità è sempre più apprezzato (oltre che utile).
Questo package, per i sistemi embedded è particolarmente significativo per l'incapsulamento di dispositivi di conversione, nello specifico il TLV5614, un QUAD DAC che si interfaccia direttamente (senza componentistica aggiuntiva) ai DSP della famiglia TMS320 di Texas Instruments. Anche in questo caso le dimensioni sono straordinariamente piccole (2 mm x 2,7 mm) se paragonate a quelle del componente digitale cui va a connettersi (DSP).
Il Lead Frame Chip Scale Package
Il Lead Frame Chip Scale Package (LFCSP) è una soluzione di packaging vantaggiosa per i componenti analogici abbastanza prossima alle caratteristiche dei chip scale package (CSP). Con questo tipo di package Analog Device ha per esempio incapsulato tuta la serie di amplificatori RD/IF applicabili dalla bassa frequenza fino a 6 GHz (AD835x, ADL532x, ADM552x, ADM553x, ADM554x, ADM557x).
I punti di contatto di I/O di questo package sono posizionati esternamente sul bordo, per cui il contatto con il PCB viene ottenuto tramite saldatura di tali contatti perimetrici. Il package LFCSP è ideale per i dispositivi portatili e tutte quelle applicazioni in cui il requisito primario è costituito dal peso e dalle dimensioni. Rispetto ai package plastici, il package LFCSP offre numerosi vantaggi tra cui una minore occupazione di spazio sul PCB, migliori caratteristiche elettriche conseguenti l'eliminazione dei piedini, una minore resistenza termica grazie al contatto diretto con il PCB.
