PCB frente a Módulos Multichip, Chiplets y Tejido de Interconexión de Silicio (Actualización 2023)

Un artículo en la edición de septiembre de 2019 de IEEE Spectrum afirmaba que el tejido de interconexión de silicio, un método para conectar chiplets en un módulo multichip o paquete avanzado, eliminaría las PCBs y los SoCs voluminosos para muchas aplicaciones, específicamente para las placas base.

Ahora estamos en 2023, y parece que nadie ha abandonado las PCBs todavía; la demanda de PCBs sigue siendo tan fuerte como siempre y todavía se proyecta que crezca a un CAGR de dos dígitos. Esto es a pesar del crecimiento esperado en tipos avanzados de PCBs, específicamente tableros UHDI y PCBs tipo sustrato.

Ese artículo de 2019 en IEEE Spectrum fue al menos la tercera vez que se ha hecho la afirmación del "fin de las PCBs" en tantas décadas. Los módulos multichip se remontan a la memoria Bubble de IBM en los años 70, e incluso puedes diseñar estos usando software estándar de diseño de PCBs, siempre y cuando puedas construir huellas para los bultos de unión en los dados de semiconductores a tu módulo. Una vez que se analizan los desafíos involucrados en llevar los módulos multichip a la corriente principal, es más fácil ver cómo será la relación futura entre las PCBs y los circuitos integrados.

Paquetes Avanzados, Chiplets y Tejido de Interconexión de Silicio

Ahora que la conversación sobre la fabricación de electrónicos en EE. UU. y Europa se ha desplazado hacia el empaquetado avanzado y la producción local de semiconductores, más empresas están incorporando sus operaciones de diseño de chips internamente. Esto significa que el empaquetado se convertirá en el dominio de estos equipos de diseño, y los diseñadores de PCB son el grupo con las habilidades para resolver diseños de empaquetado avanzado que involucran chips y módulos integrados de manera heterogénea.

La tela de interconexión de silicio fue concebida como una plataforma de interconexión que soporta la integración heterogénea en paquetes avanzados para sistemas ultra grandes. En esta metodología de empaquetado, los dados sin empaquetar se adjuntan directamente a un wafer de Si con un paso de interconexión vertical muy fino (de 2 a 10 micrones). Se pretende que el espaciado entre dados sea < 100 micrones, proporcionando interconexiones muy cortas entre los dados. El paquete también está diseñado para soportar la integración 3D con el apilamiento vertical de dados en un único módulo.

Estructura de la tela de interconexión de silicio. [Fuente: UCLA CHIPS]

El tejido está destinado a reemplazar los interposers convencionales, paquetes y PCBs. Llámame parcial, pero soy escéptico de que tal metodología de empaquetado reemplace a los PCBs dada la estructura actual de fabricación y distribución de componentes. Para mí, esto parece una estructura que podría colocarse sobre un interposer o substrato de paquete, pero no sería un reemplazo total para los PCBs. Digo esto porque esta estructura esencialmente permite la integración 2.5D o la integración 3D en una oblea de silicio.

¿Hasta qué punto en la jerarquía de diseño tiene que llegar el empaquetado, y estos dispositivos alguna vez reemplazarán a los PCBs como el método estándar de construcción de electrónicos? La realidad es que las metodologías de empaquetado utilizadas para interconectar componentes heterogéneos no tienen la intención de reemplazar a los PCBs como la solución de empaquetado de más alto nivel. La modularidad ofrecida por los componentes disponibles en el mercado en los PCBs proporciona un valor significativo y flexibilidad que los ingenieros necesitan. Hasta que cada circuito integrado disponible en el mercado también esté disponible como un chiplet, tecnologías como el tejido de interconexión de silicio no tienen esperanza de reemplazar completamente a los PCBs.

A pesar de mi escepticismo sobre reemplazar los paquetes Y las placas de circuito impreso con una arquitectura de interconexión totalmente nueva, ha habido investigaciones adicionales sobre sistemas basados en tejido de interconexión de silicio. Como tecnología de empaquetado, los sistemas basados en tejido de interconexión de silicio enfrentan algunos de los mismos desafíos que el empaquetado convencional y las PCB avanzadas, particularmente en áreas de entrega de energía, estabilidad de energía, e inclusión de capacitancia embebida en el tejido. A continuación, se encuentran dos artículos recientes sobre estos temas.

• Safari, Yousef, Anja Kroon y Boris Vaisband. "Entrega de energía para aplicaciones a escala ultra grande en Si-IF." En 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., y Subramanian S. Iyer. "Capacitores de trinchera profunda en tejido de interconexión de silicio." En 2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp. 2295-2301. IEEE, 2020.

El Veredicto - Las PCBs Siguen Aquí para Quedarse

Todavía existen muchos desafíos técnicos involucrados en integrar chiplets con diferentes funcionalidades y materiales en un único sustrato o módulo multichip, por lo que, por el momento, las PCBs están aquí para quedarse. Estos tipos de paquetes y módulos apuntan a aplicaciones más avanzadas de lo que puede ofrecerse con algunos hardware disponibles en el mercado, por lo que las PCBs seguirán utilizándose en la mayoría de las aplicaciones.

Uno de los mayores desafíos para ampliar el uso de paquetes avanzados hasta el punto en que amenacen la dominancia de las PCBs no tiene nada que ver con la construcción de paquetes avanzados. En cambio, tiene que ver con todo el ecosistema de chiplets. Hoy, en 2023, no puedes simplemente ir a un distribuidor de chiplets, ordenar una selección de obleas de semiconductores y hacer que las envíen a una instalación de empaquetado. La capacidad de fabricación existe en Asia, pero tal mercado de chiplets es inexistente. En cambio, los principales proveedores de procesadores como Intel, NVIDIA y AMD, así como las principales fábricas como TSMC, están enfocados en este enfoque para los productos más avanzados.

Aunque el ecosistema de chiplets se desarrolle hasta el punto de que los diseñadores puedan tomar chiplets de estantería y usarlos para construir paquetes integrados heterogéneos personalizados, esto no significa que tendremos una eliminación completa de las PCBs. Simplemente no es práctico integrar cada posible característica o función en un único paquete. Es por eso que seguimos necesitando PCBs para conectar componentes empaquetados tradicionalmente de estantería con paquetes y módulos más avanzados.

Hasta que cada función pueda ser integrada en una única oblea, los diseñadores de PCBs seguirán teniendo trabajos diseñando sistemas electrónicos avanzados. En opinión de este investigador, veremos circuitos integrados electrónicos-fotónicos (EPICs) volverse altamente comercializados antes de ver la integración heterogénea prevista en módulos multichip. Incluso podríamos ver chiplets fotónicos integrados en módulos multichip y conectados con un análogo fotónico del tejido de interconexión de silicio. La industria está organizando conferencias sobre el desarrollo de estándares y estrategias de escalado para la comercialización de componentes de fotónica de silicio, así como la evaluación en otras áreas como la adaptación de técnicas de simulación SPICE a circuitos fotónicos.

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