SiP auf Zynq-Basis macht’s möglich

Embedded Computer auf einem Chip

25. April 2022, 9:00 Uhr | Heinz Arnold

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

SiPs retten Moore’s Law

Doch Octavo Systems hatte sich von Anfang an viel mehr vorgenommen: nichts weniger, als Moore’s Law weiter Geltung zu verschaffen. Als Gene Frantz, Masood Murtuza und Bill Heye im Jahr 2013 Octavo Systems gründeten, war schon abzusehen, dass die monolithische Integration in vielen Bereichen an ihre Grenzen gelangen würde.

Der Ausweg, der den Gründern vorschwebte: Systems in Package zu entwerfen. Nach außen sollten sie aussehen wie Standard-IC-Gehäuse, die die Anwender von Prozessoren, ASICs, FPGAs und SoCs kennen. Die Systeme in den SiPs sollten genauso leistungsfähig sein wie diskret auf Leiterplatten aufgebaute Systeme (Systems on Board) und die höher integrierten »Systems on Module« (SoMs). SoMs haben den Vorteil, dass sie relativ klein sind. Sie werden aber nach denselben Methoden gefertigt, nach denen Leiterplatten seit Jahrzehnten bestückt werden.

Die SiP stellen die Integration jedoch auf eine neue Ebene: Auf einem Substrat – es kann sich um herkömmliches FR4-Material oder je nach Anforderungen um alternative Materialien handeln –, werden die wesentlichen ICs als Bare Dies aufgebracht; ICs können aber auch in gehäuster Form auf das Substrat gesetzt werden, beispielsweise EEPROMs und LDOs. Damit können die ICs in den für sie jeweils am besten geeigneten Prozesstechniken gefertigt werden, was in einer hohen Leistungsfähigkeit resultiert, die bei der monolithischen Integration nicht immer möglich ist.

Die elektrischen Verbindungen können über Wire Bonding oder Flip-Chip-Technik realisiert werden. Auf dem OSDZU3 sind beispielsweise der Arm Cortex-A und die PMICs von Infineon in Form von Bare Dies über Wire Bonding integriert. »Wir verwenden die aus der IC-Fertigung bekannten Techniken, um die SiPs zu realisieren, das ist ein großer Unterschied zu den SoMs«, erklärt Sheridan. Dazu arbeitet das Unternehmen eng mit Packaging-Partnern und führenden OSATs (»Outsourced Semiconductor and Test«-Unternehmen) zusammen.

Octavo
Der Aufbau des »OSDZU3«
© Octavo

Ein Embedded System in einem Chip

Das Ergebnis: Anders als ein SoM, das eine eigene Baugruppe auf einer kleinen Leiterplatte bildet, die wiederum auf die Mutterplatine gesteckt wird, sitzt das SiP in einem daran gemessen winzigen Standard-Gehäuse. Zudem sind die Komponenten in einer Mold-Masse eingeschlossen und vor Umwelteinflüssen geschützt, was die Zuverlässigkeit gegenüber diskret aufgebauten Systemen erhöht. »Den größten Teil zur höheren Zuverlässigkeit tragen die Verbindungen bei, weil sie im SiP verkapselt sind. Das verhilft dem Zielsystem zu höherer Qualität und Zuverlässigkeit«, erklärt Erik Welsh.

Das SiP-Gehäuse lässt sich auf die Leiterplatte setzen wie jeder andere komplexe Chip auch; vor allem lässt es sich einfacher handhaben als ein SoM. Die Designmethode führt nicht nur zu kleinen Bauformen und spart Zeit sowie Kosten, sondern beschleunigt die Markteinführung und senkt die Cost of Ownership insgesamt. Gleichzeitig müssen keinerlei Kompromisse hinsichtlich Performance und Flexibilität eingegangen werden.

Auch der Leiterplattenaufbau vereinfacht sich

Weil in einem SiP weniger Komponenten Einsatz finden als in einem diskret aufgebauten SoM, vereinfacht sich auch der Aufbau des Substrats: Gegenüber diskreten Systemen kann sich die Zahl der erforderlichen Layer der Leiterplatte um 33 bis 50 Prozent verringern. Also kosten auch die Leiterplatten deutlich weniger. So kommt das neue OSDZU3 mit nur zwei Layern aus. Die Design Rules sind entspannt: Die Leiterbahnbreiten und -zwischenräume betragen 0,127 mm (5 mil), das Rastermaß der Balls (der Anschlusskügelchen auf der Unterseite des OSDZU3-Gehäuses) beträgt 1 mm, was wiederum dafür sorgt, dass sich das SiP einfach verarbeiten lässt.

Das Gesamtsystem vereinfacht sich ebenfalls: Würde das OSDZU3 als SoM aufgebaut, so wäre eine Leiterplatte mit sechs Layern erforderlich, die auf eine weitere sechslagige Carrier-Karte gesteckt werden müsste – was außerdem zusätzliche Steckverbinder erfordert. Dagegen muss ein OSDZU3 nur auf eine vierlagige Leiterplatte gesetzt werden.

Was die Anwender zudem freuen dürfte: Über die Partnerschaft mit Designlinx Solutions ist gewährleistet, dass sie die gewohnte AMD-Xilinx-Entwicklungsumgebung nutzen können, am Design Flow ändert sich nichts.

Zusätzlich zu den OSDZU3-SiPs bietet Octavo Systems die Referenzplattform »OSDZU3-REF«. Sie verfügt über Schnittstellen wie USB-C, USB 3.0, SATA-Host, 1-Gbit/s-Ethernet und einen FMC-LP-Anschluss. Außerdem unterstützt sie Displays über DisplayPort und einen LVDS-Touchdisplay-Anschluss. Die Referenzplattform wird mit einer PetaLinux-Distribution und Demos geliefert, die DesignLinx entwickelt hat.
Derzeit erhalten Kunden über das Beta-Programm Zugang zu den Produkten der OSDZU3-Familie. Ab dem dritten Quartal 2022 liefert Octavo die entsprechenden Referenz-Boards aus (OSDZU3-REF). Im vierten Quartal startet die Stückzahlproduktion.


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