Circuits imprimés (PCB) vs. Modules multicircuits, Chiplets et Tissu d'interconnexion en silicium (Mise à jour 2023)

Un article dans le numéro de septembre 2019 de IEEE Spectrum affirmait que le tissu d'interconnexion en silicium, une méthode pour connecter des chiplets sur un module multicarte ou un emballage avancé, éliminerait les PCBs et les SoCs volumineux pour de nombreuses applications, en particulier les cartes mères.

Nous sommes maintenant en 2023, et personne ne semble avoir abandonné les PCBs ; la demande pour les PCBs reste aussi forte que jamais et est toujours projetée pour croître à un taux de croissance annuel composé à deux chiffres. Cela est malgré la croissance attendue dans les types avancés de PCBs, spécifiquement les cartes UHDI et les PCBs semblables à des substrats.

Cet article de 2019 dans IEEE Spectrum était au moins la troisième fois que l'affirmation de la "fin des PCBs" a été faite en autant de décennies. Les modules multicartes remontent à la mémoire à bulles d'IBM dans les années 1970, et vous pouvez même concevoir ces derniers en utilisant un logiciel de conception de PCB standard, tant que vous pouvez construire des empreintes pour les bosses de liaison sur les dies de semi-conducteurs de votre module. Une fois que vous avez dépassé les mots à la mode et analysé les défis impliqués dans l'intégration des modules multicartes dans le grand public, il est plus facile de voir à quoi ressemble la future relation entre les PCBs et les circuits intégrés.

Paquets Avancés, Chiplets et Tissu d'Interconnexion en Silicium

Maintenant que la conversation sur la fabrication électronique aux États-Unis et en Europe s'est orientée vers l'emballage avancé et la production locale de semi-conducteurs, de plus en plus d'entreprises internalisent leurs opérations de conception de puces. Cela signifie que l'emballage va devenir le domaine de ces équipes de conception, et les concepteurs de PCB sont le groupe ayant les compétences pour résoudre les agencements d'emballage avancés impliquant des puces et des modules intégrés de manière hétérogène.

Le tissu d'interconnexion en silicium était destiné à être une plateforme d'interconnexion supportant l'intégration hétérogène dans des emballages avancés pour des systèmes ultra-larges. Dans cette méthodologie d'emballage, les dies non emballés sont attachés directement à une plaquette de Si avec un pas d'interconnexion vertical très fin (de 2 à 10 microns). L'espacement entre les dies est destiné à être

Structure du tissu d'interconnexion en silicium. [Source : UCLA CHIPS]

Le tissu est destiné à remplacer les interposeurs, les emballages et les PCBs conventionnels. Traitez-moi de partial, mais je reste sceptique quant à l'idée qu'une telle méthode d'emballage puisse remplacer les PCBs compte tenu de la structure actuelle de la fabrication et de la distribution des composants. Pour moi, cela ressemble à une structure qui pourrait être placée sur un interposeur ou un substrat de paquet, mais qui ne remplacerait pas en gros les PCBs. Je dis cela parce que cette structure permet essentiellement une intégration 2.5D ou une intégration 3D sur une tranche de silicium.

Jusqu'à quel niveau de la hiérarchie de conception l'emballage doit-il atteindre, et ces dispositifs remplaceront-ils un jour les PCBs comme méthode standard de construction électronique ? La réalité est que les méthodologies d'emballage utilisées pour interconnecter des composants hétérogènes ne visent pas à remplacer les PCBs comme solution d'emballage de plus haut niveau. La modularité offerte par les composants disponibles sur étagère dans les PCBs apporte une valeur et une flexibilité significatives dont les ingénieurs ont besoin. Tant que chaque circuit intégré disponible sur étagère n'est pas également disponible sous forme de chiplet, des technologies comme le tissu d'interconnexion en silicium n'ont aucune chance de remplacer complètement les PCBs.

Malgré mon scepticisme concernant le remplacement des boîtiers ET des cartes de circuits imprimés par une architecture d'interconnexion totalement nouvelle, des recherches supplémentaires ont été menées sur les systèmes à base de tissu d'interconnexion en silicium. En tant que technologie d'emballage, les systèmes à base de tissu d'interconnexion en silicium rencontrent certains des mêmes défis que l'emballage conventionnel et les PCB avancés, particulièrement dans les domaines de la distribution d'énergie, la stabilité de l'énergie, et l'inclusion de capacité embarquée dans le tissu. Deux articles récents sur ces sujets sont présentés ci-dessous.

• Safari, Yousef, Anja Kroon, et Boris Vaisband. "Power Delivery for Ultra-Large-Scale Applications on Si-IF." Dans 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., et Subramanian S. Iyer. "Deep trench capacitors in silicon interconnect fabric." Dans 2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp. 2295-2301. IEEE, 2020.

Le Verdict - Les PCB Restent d'Actualité

Il existe encore de nombreux défis techniques liés à l'intégration de chiplets avec différentes fonctionnalités et matériaux sur un seul substrat ou module multicarte, donc pour le moment, les PCBs sont là pour rester. Ces types de paquets et de modules ciblent des applications plus avancées que celles pouvant être servies avec du matériel disponible sur étagère, donc les PCBs seront encore utilisés dans la majorité des applications.

L'un des plus grands défis pour élargir l'utilisation des paquets avancés au point où ils menacent la dominance des PCBs n'a rien à voir avec la construction de paquets avancés. Au contraire, cela a tout à voir avec l'écosystème des chiplets. Aujourd'hui, en 2023, vous ne pouvez pas simplement aller chez un distributeur de chiplets, commander une sélection de dies semi-conducteurs et les faire livrer à une installation de conditionnement. La capacité de fabrication existe en Asie, mais un tel marché de chiplets est inexistant. Au lieu de cela, les principaux fournisseurs de processeurs comme Intel, NVIDIA et AMD, ainsi que les grandes fonderies comme TSMC, se concentrent sur cette approche pour les produits les plus avancés.

Même si l'écosystème des chiplets se développe au point que les concepteurs puissent prendre des chiplets prêts à l'emploi et les utiliser pour construire des emballages intégrés hétérogènes personnalisés, cela ne signifie pas que nous aurons une élimination complète des PCBs. Il n'est tout simplement pas pratique d'intégrer chaque fonction ou caractéristique possible dans un seul emballage. C'est pourquoi nous continuons à avoir besoin de PCBs pour connecter les composants traditionnellement emballés disponibles sur étagère avec des emballages et modules plus avancés.

Tant que chaque fonction ne pourra pas être intégrée dans une seule tranche de silicium, les concepteurs de PCB auront toujours du travail pour concevoir des systèmes électroniques avancés. Selon l'opinion de ce chercheur, nous verrons les circuits intégrés électroniques-photoniques (EPICs) devenir fortement commercialisés avant de voir l'intégration hétérogène envisagée dans les modules multicircuits. Nous pourrions même voir des chiplets photoniques intégrés dans des modules multicircuits et connectés avec un analogue photonique du tissu d'interconnexion en silicium. L'industrie organise des conférences sur le développement de normes et de stratégies d'escalade pour la commercialisation des composants de photonique sur silicium, ainsi que l'évaluation dans d'autres domaines comme l'adaptation des techniques de simulation SPICE aux circuits photoniques.

Alors que l'électronique continue de progresser dans des domaines tels que les modules multicouches et les interconnexions optiques, tournez-vous vers des entreprises comme Altium et des plateformes de conception telles que Altium Designer® pour des outils permettant de travailler avec ces nouvelles technologies dans les PCBs. La suite d'outils dans Altium Designer se situe à la pointe de l'industrie EDA. Vous serez capable de concevoir des cartes compactes pour toute application, de gérer vos données de conception et de préparer de nouveaux produits pour une fabrication à grande échelle.

Maintenant, vous pouvez télécharger un essai gratuit d'Altium Designer et en savoir plus sur les meilleurs outils de mise en page, de simulation et de planification de production de l'industrie. Parlez dès aujourd'hui à un expert Altium pour en savoir plus.