Leiterplatten im Vergleich zu Multichip-Modulen, Chiplets und Silizium-Verbindungsstruktur (Update 2023)

Ein Artikel in der September-Ausgabe 2019 von IEEE Spectrum behauptete, dass Silizium-Interconnect-Gewebe, eine Methode zur Verbindung von Chiplets auf einem Multichip-Modul oder einem fortschrittlichen Paket, PCBs und sperrige SoCs für viele Anwendungen, insbesondere Motherboards, überflüssig machen würde.

Wir schreiben das Jahr 2023, und niemand scheint sich bisher von PCBs verabschiedet zu haben; die Nachfrage nach PCBs ist nach wie vor stark und soll weiterhin mit einer zweistelligen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) steigen. Dies geschieht trotz des erwarteten Wachstums bei fortschrittlichen PCB-Typen, insbesondere UHDI-Platinen und substratähnlichen PCBs.

Der Artikel von 2019 in IEEE Spectrum war mindestens das dritte Mal, dass die Behauptung vom "Ende der PCBs" in ebenso vielen Jahrzehnten gemacht wurde. Multichip-Module gibt es seit IBMs Bubble-Speicher in den 1970er Jahren, und man kann diese sogar mit Standard-PCB-Designsoftware entwerfen, solange man Footprints für Bonding-Bump-Outs auf Halbleiterdies zu Ihrem Modul erstellen kann. Wenn man die Schlagworte beiseite lässt und die Herausforderungen analysiert, die mit der Einführung von Multichip-Modulen in den Mainstream verbunden sind, lässt sich leichter erkennen, wie die zukünftige Beziehung zwischen PCBs und integrierten Schaltkreisen aussehen könnte.

Fortgeschrittene Pakete, Chiplets und Silizium-Interconnect-Gewebe

Nun, da sich das Gespräch über die Elektronikfertigung in den USA und Europa auf fortschrittliche Verpackungstechniken und lokale Halbleiterproduktion verlagert hat, bringen mehr Unternehmen ihre Chip-Design-Operationen ins eigene Haus. Das bedeutet, dass das Verpacken zum Aufgabenbereich dieser Designteams wird, und PCB-Designer sind die Gruppe mit den Fähigkeiten, um fortgeschrittene Verpackungslayouts zu lösen, die heterogen integrierte Chips und Module beinhalten.

Das Silizium-Interconnect-Gewebe wurde als eine Interconnect-Plattform konzipiert, die die heterogene Integration in fortschrittlichen Paketen für ultra-große Systeme unterstützt. Bei dieser Verpackungsmethodik werden ungepackte Dies direkt auf einen Si-Wafer mit sehr feinem vertikalen Interconnect-Pitch (2 bis 10 Mikrometer) angebracht. Der Abstand zwischen den Dies soll < 100 Mikrometer betragen, was sehr kurze Interconnects zwischen den Dies ermöglicht. Das Paket soll auch die 3D-Integration mit vertikaler Stapelung von Dies in einem einzigen Modul unterstützen.

Struktur des Silizium-Interconnect-Gewebes. [Quelle: UCLA CHIPS]

Das Gewebe soll herkömmliche Interposer, Gehäuse und Leiterplatten ersetzen. Nennen Sie mich voreingenommen, aber ich bin skeptisch, dass eine solche Verpackungsmethode Leiterplatten ersetzen könnte, angesichts der aktuellen Struktur der Komponentenherstellung und -verteilung. Für mich sieht dies wie eine Struktur aus, die auf einen Interposer oder ein Gehäusesubstrat aufgebracht werden könnte, aber kein Großhandelsersatz für Leiterplatten wäre. Ich sage dies, weil diese Struktur im Wesentlichen eine 2,5D-Integration oder 3D-Integration auf einem Siliziumwafer ermöglicht.

Wie weit muss die Verpackungshierarchie reichen, und werden diese Geräte jemals Leiterplatten als Standardmethode zum Aufbau von Elektronik ersetzen? Die Realität ist, dass Verpackungsmethoden, die für die Verbindung heterogener Komponenten verwendet werden, nicht dazu bestimmt sind, Leiterplatten als höchste Verpackungslösung zu ersetzen. Die Modularität, die von Komponenten auf Leiterplatten angeboten wird, bietet einen erheblichen Wert und Flexibilität, die Ingenieure benötigen. Solange nicht jeder integrierte Schaltkreis auch als Chiplet verfügbar ist, haben Technologien wie Silizium-Verbindungsstoffe keine Chance, Leiterplatten vollständig zu ersetzen.

Trotz meiner Skepsis bezüglich des Ersatzes von Gehäusen UND gedruckten Schaltungen durch eine völlig neue Verbindungsarchitektur, gab es zusätzliche Forschungen zu auf Silizium-Interconnect-Gewebe basierenden Systemen. Als Verpackungstechnologie stehen Systeme, die auf Silizium-Interconnect-Gewebe basieren, vor einigen der gleichen Herausforderungen wie herkömmliche Verpackungen und fortschrittliche PCBs, insbesondere in Bereichen der Stromversorgung, Stromstabilität und der Einbindung von eingebetteter Kapazität in das Gewebe. Zwei kürzlich erschienene Artikel zu diesen Themen finden Sie unten.

• Safari, Yousef, Anja Kroon und Boris Vaisband. "Stromversorgung für Ultra-Großanwendungen auf Si-IF." In 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), S. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., und Subramanian S. Iyer. "Tieftrench-Kondensatoren in Silizium-Interconnect-Gewebe." In 2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), S. 2295-2301. IEEE, 2020.

Das Urteil - PCBs bleiben weiterhin bestehen

Es gibt immer noch viele technische Herausforderungen bei der Integration von Chiplets mit unterschiedlichen Funktionen und Materialien auf einem einzigen Substrat oder Multichip-Modul, daher bleiben PCBs vorerst bestehen. Diese Arten von Paketen und Modulen zielen auf fortgeschrittenere Anwendungen ab, als mit einigen Hardwareprodukten von der Stange bedient werden können, daher werden PCBs weiterhin in der Mehrheit der Anwendungen verwendet.

Eine der größten Herausforderungen bei der Erweiterung der Nutzung fortgeschrittener Pakete bis zu dem Punkt, an dem sie die Dominanz von PCBs bedrohen, hat nichts mit dem Bau fortgeschrittener Pakete zu tun. Stattdessen hat es alles mit dem Chiplet-Ökosystem zu tun. Heute, im Jahr 2023, kann man nicht einfach zu einem Chiplet-Distributor gehen, eine Auswahl an Halbleiter-Dies bestellen und diese zu einer Verpackungsanlage schicken lassen. Die Fertigungskapazität existiert in Asien, aber ein solcher Chiplet-Marktplatz ist nicht vorhanden. Stattdessen konzentrieren sich die großen Prozessorhersteller wie Intel, NVIDIA und AMD sowie die großen Fabs wie TSMC auf diesen Ansatz für die fortschrittlichsten Produkte.

Auch wenn sich das Chiplet-Ökosystem so weit entwickelt, dass Designer Chiplets aus dem Regal nehmen und diese verwenden können, um benutzerdefinierte heterogen integrierte Pakete zu bauen, bedeutet dies nicht, dass wir eine vollständige Eliminierung von PCBs haben werden. Es ist einfach nicht praktikabel, jede mögliche Funktion oder Eigenschaft in ein einzelnes Paket zu integrieren. Deshalb benötigen wir weiterhin PCBs, um traditionell verpackte Komponenten aus dem Regal mit fortschrittlicheren Paketen und Modulen zu verbinden.

So lange nicht jede Funktion in einen einzigen Wafer integriert werden kann, werden PCB-Designer weiterhin Jobs haben, um fortgeschrittene elektronische Systeme zu entwerfen. In der Meinung dieses Forschers werden wir elektronisch-photonic integrierte Schaltkreise (EPICs) stark kommerzialisiert sehen, bevor wir die heterogene Integration sehen, die in Multichip-Modulen vorgestellt wird. Wir könnten sogar photonic Chiplets in Multichip-Modulen sehen, die mit einem photonic Analogon eines Silizium-Interconnect-Gewebes verbunden sind. Die Industrie hält Konferenzen ab, um Standards und Skalierungsstrategien für die Kommerzialisierung von Silizium-Photonik-Komponenten zu entwickeln, sowie Bewertungen in anderen Bereichen wie die Anpassung von SPICE-Simulationstechniken an photonic Schaltkreise.

Da die Elektronik weiter in Bereiche wie Multichip-Module und optische Verbindungen vorstößt, sollten Sie sich an Unternehmen wie Altium und Designplattformen wie Altium Designer® wenden, um Werkzeuge für die Arbeit mit diesen neuen Technologien in PCBs zu erhalten. Das Werkzeugset in Altium Designer befindet sich an der Spitze der EDA-Branche. Sie werden in der Lage sein, kompakte Platinen für jede Anwendung zu entwerfen, Ihre Design-Daten zu verwalten und neue Produkte für die großangelegte Fertigung vorzubereiten.

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