האם קטן יותר הוא טוב יותר ?

תכנון RF/מיקרוגל יכול להיות מאתגר בלשון המעטה.  אפילו עם החידושים המרשימים בתוכנות CAD (computer aided design) משלושת העשורים האחרונים, העובדה נשארת בעינה: הדמיות CAD הינן הדמיות בלבד ולא תחזיות מדויקות לגמרי של הביצוע הממשי.

כפי שכתב וויליאם קמדן ב-Remains of a Greater Work Concerning Britain –

“The proof of a pudding is in the eating”. ומה שהיה נכון לשנת 1605 נכון גם כיום – כדי להעריך במדויק מעגל או תכנון מערכת, יש לבנות אותו ולבדוק את ביצועיו.

מהנדסים בדרך כלל מתייחסים לאב הטיפוס הראשוני של מערכת כ”breadboard”. בימים של שפורפרות הריק, axial lead ורכיבי עופרת רדיאלית,   breadboardsנבנו ע”י שימוש בקופסאות מתכת כבסיס. הרכיבים היו מחוברים באופן מובנה זה לזה באמצעות רכיבים פאסיביים, תלויים מכאנית ע”י הלידים שלהם. ניתן היה לבחון במהירות ביצועי מעגל, ושינויים לתכנון היו גם כן מהירים; קח מלחם; פרק רכיב והרכב חיבורים חדשים כדי להוסיף רכיב חדש. זאת ללא צורך במיקרוסקופים או במלקט – פלייר דק וקטר אלכסוני היו המכשירים השולטים.

תמונה:  מעגל שפורפרות הריק

טרנזיסטורים בדידים, שנתפשו כטכנולוגיה הנוטה להשתבש, לא הביאו בתחילה לשינויים גדולים בטכניקות breadboards. חלקים אשר זוודו במארזי TO-3,  TO-5 ואפילו TO-92 היו עדיין גדולים מספיק כדי שיראו בעין בלתי מזוינת, וניתן היה לטפל בהן בקצות האצבעות (זאת לפני שפריקה אלקטרו-סטטית הוכרה פוטנציאלית כקטלנית למוליכים למחצה, כמובן).

 מעגלים משולבים (ICs) הובילו לשינויים משמעותיים בתהליך בניית אב טיפוס.

המעגלים המשולבים הכילו יותר פונקציות מעגל בנפחים קטנים מתמיד. כמו כן הובילו לשיטת breadboards הידועה כ- “dead bug”.  מעגלים משולבים במארזים כפולי שורה (DIPs) מוקמו הפוך על גבי לוח מעגל גולמי (בד”כ מחומר אפוקסי-פיברגלס לא מוליך), מצופה בנחושת משני הצדדים, כאשר הלידים פונים כלפי מעלה, בדמיון מסוים לחרקים מתים הפוכים על גבם. הרכיבים החיצוניים ביתרת המעגל הולחמו ישירות ללידים האלו וללוח המעגל, אשר שרת בצורה אופיינית כבסיס המעגל וכ”מגש” התומך במעגל. שינוי הרכיבים, אפילו שינוי מבנה המעגל, נעשה בקלות גם כאשר הפלייר הוחלף במלקט. בצורתם הסופית, המעגלים נבנו על לוחות מעגלים מודפסים ייעודיים תוך שימוש בטכנולוגיית through-hole , כאשר הלידים של הרכיבים יוצאים מחורים בלוח המעגל המודפס ומולחמים לתבניות המוליך בחיבורים הפנימיים בצד התחתון של הלוח.

תמונה: מארז מעגל משולב 16-pin DIP

מוצרי צריכה, במיוחד טלפונים סלולאריים, הניעו את המגמה לכיוון המזעור. הקטנת המעגל תואמת למגמה הדומה בחוק Moore, הקובע כי מספר הטרנזיסטורים ליחידת איזור של מטריצת מעגל משולב יוכפל כל שנתיים. ההקטנה היתה התועלת העיקרית של תעשיית האלקטרוניקה העכשווית אשר התקדמה משפורפרות ריק לטרנזיסטורים בדידים למעגלים משולבים בטכנולוגית through-hole, אולם קצב המזעור הואץ בפראות כאשר טכניקות ההרכבה והאריזה  surface mount הפכו לזמינות. מערכי מעגלים מודפסים לא הוגבלו עוד למינימום קוטרי through-hole. חלקים יכלו להיות משובצים הרבה יותר ביחד, ועוד חשוב יותר, ניתן היה להשתמש בחלק התחתון של לוח מעגל מודפס להטמעה של מעגלים נוספים ולהכיל עוד רכיבים.

 בצד ההתקדמות הטכנולוגית ישנו גם חסרון. ה- Breadboards מתקדמת במהירות אל הבלתי אפשרי כתוצאה מהקטנת הגודל הפיזי של הרכיבים האלקטרוניים. לרכיבים מודרניים רבים אין מגעים חיצוניים. במקום זאת, ישנן טרמינלים חשמליים הממוקמים כה קרוב זה לזה כך שאין זה אפשרי וירטואלית להלחים ידנית כבל למשנהו ללא נגיעה בטרמינלים השכנים. הרכיבים הינם כה קטנים שלא ניתן להלחים אותם ללוח מעגל עם מלחם או כלים ידניים אחרים.

מאחר והדרישה הצרכנית למזעור נוסף אינה מראה סימנים של הפוגה, ישנו לחץ מתמשך להקטין את גודל האריזות של רכיבים אלקטרוניים.  לרכיבי RF, הפחתת גודל האריזה מתקדמת במהירות לגבול שלה, שהינו אפקטיבית גודל פרוסת המוליך למחצה שמכילה האריזה. לדוגמה SKY13323-378LF הינה מטריצת מתג single-pole double-throw המזוודת במארז 1x1x0.45 mm בעל 6 לידים. גובה הליד במארז זה הינו 350 מיקרונים בלבד.

האפקט של מגמה זו למוליכים למחצה במארזים ההולכים וקטנים עד כדי העלמות הינו ביטול יכולת המהנדס לגשת במיידי למעבדה ולבדוק את רעיונותיו המבריקים. כיום יש לתכנן מראש את המעגלים תוך לקיחה בחשבון של הזמן והמשאבים ב- breadboard  מודפס חדש, רכישה של הלוח, הרכבת רכיבי המעגל על הלוח, החייבים להתרחש לפני שהבדיקה יוצאת לפועל. התהליך הזה דורש זמן ומשאבים יקרים.

 סימולציית מעגל תופסת בגדול את מקומה של גישת “בנה ובדוק”. סימולטורי מעגל מאפשרים למתכנן לבחון  תמורות רבות של מבנה מעגל במהירות רבה. לסימולאטורים מאפיין משותף: תוצאות הסימולציה שהם מייצרים יהיו טובים עד כדי מודלי הרכיבים שבהם משתמשים. לרכיבים רבים, המודלים הללו הינם מורכבים ומדויקים בצורה מרשימה. לעומת זאת, מודלים מקיפים לרכיבים אחרים הנמצאים בשימוש נרחב פשוט אינם קיימים, או אם הם קיימים, הינם בעלי ערך מועט. מי שערך סימולציה לסף רמת הדחיסה (1-dB) של דיודת PIN limiter והשווה לתוצאות הביצועים המדודות, לדוגמה, יסכים, כי סימולציה של מעגל כזה אינה מדויקת. מתכנן מעגל חכם יזכור תמיד שסימולציות נקראות “סימולציות” ולא “מידע ביצוע ממשי” מסיבה טובה מאד.

אתגר נוסף למזעור הרכיבים הינו הקירור. ידוע כי משך השימוש במכשיר מוליך למחצה הינו ביחס פרופורציונאלי הפוך לטמפרטורה שלו. הגדלה של צפיפות רכיבי המעגל גורמת לסמיכות הולכת וגדלה של רכיבים מוליכים למחצה ופאסיביים המפזרים חום, כך שהסבירות לחימום הדדי גוברת. הפחתת הגודל הפיזי של הרכבות מעגלים משמעותה פחות פני שטח מהם יכול החום לצאת באמצעות קרינה או הסעת חום. הקטנת גודל מטריצת אלמנט מוליך למחצה מקטין את איזור ה- cross section ובכך מונע את הולכת זרם החימום ומגדיל את ההתנגדות התרמית. מתכנני המעגלים והמערכות מצליחים לייצר מוצרים בעלי אמינות מצוינת, אולם לתהליך המזעור ישנם גבולות.

הצעד הבא של המזעור הינו בהעלמת המארז. מעגלי מיקרוגל היברידים מיוצרים ללא מארז מזה עשורים, כך שהרעיון אינו חדש. יתרונות השיטה המבנית מגיעים בעיקר ממחסור במארזי מוליכים למחצה – ישנם מעט מאד היגבים פרזיטיים שיש להתמודד עימם, והמעגלים יכולים להיות מאד קומפקטים. ברמה כזו של מכשירים, חיבור חשמלי מתקיים אופיינית בין פרוסת מוליך למחצה וקו תמסורת של המעגל ההיברידי באמצעות כבלי חיבור. כבלי החיבור האלו הינם אופיינית בקוטר 0.7 עד 1.0 מיל, כך שהם מאד עדינים ובמעגלי RF/מיקורגל עשויים בד”כ מזהב טהור, שהוא כמובן יקר. במקרים רבים, כבלי החיבור חייבים להימצא תחת בקרה ישירה של מפעיל אנושי מיומן, כך שטכנולוגיית החיבורים הפנימיים הזו אינה אופטימאלית למוצרים בנפח גבוה מאד ובעלות צרכנית נמוכה, כגון

טלפונים סלולאריים, מצלמות דיגיטליות וכדומה.

תמונה: קטן הינו טוב יותר – שבב  0201 flipבדיודת RF/מיקרוגל

דיודות שבב flip  פותרות את רוב הבעיות הללו. הן מוליכים למחצה נטולי אריזה בעלות טרמינלים משולבים הניתנים להלחמה, באמצעותם יכולים המכשירים להיות מחוברים ישירות לתשתית של מודול רב שבבי (MCM) או למעגל מודפס. ההיגבים הפרזיטיים קטנים מאד בשל העדר מארז. ההתנגדות  תרמית נמוכה בשל מסלולים תרמיים מצומת הדיודה לכל אחד מהטרמינלים. הדיודות המוצגות כאן מתאימות ל- 0201 .

שבב flip 0201 הינו קטן כל כך (0.25 X 0.25 mm), אולם החדשות  הטובות הן שהגודל הזערורי וההעדר הוירטואלי של היגבים פרזיטיים משמשים כמודל מדויק מאד, ובכך סימולציית מעגל מדויקת מאד הינה ברת יישום.

אכן, קטן יותר יכול להיות טוב יותר.