PCB 대비 멀티칩 모듈, 칩렛, 실리콘 인터커넥트 패브릭 (2023 업데이트)

2019년 9월 IEEE Spectrum에 실린 한 기사에서 실리콘 인터커넥트 패브릭, 즉 멀티칩 모듈이나 고급 패키지에서 칩렛을 연결하는 방법이 PCB와 덩치 큰 SoC를 많은 응용 분야에서, 특히 마더보드에서 없앨 것이라고 주장했습니다.

이제 2023년이 되었지만, 아직까지 PCB를 버린 사람은 없는 것 같습니다; PCB에 대한 수요는 여전히 강력하며, 특히 UHDI 보드와 기판과 유사한 PCB와 같은 고급 PCB 유형의 예상 성장에도 불구하고 여전히 두 자릿수 CAGR로 성장할 것으로 예측됩니다.

그 2019년 IEEE Spectrum의 기사는 지난 수십 년 동안 세 번째로 "PCB의 종말" 주장이 제기된 적이 있습니다. 멀티칩 모듈은 1970년대 IBM의 버블 메모리로 거슬러 올라가며, 반도체 다이에 본딩 범프 아웃을 모듈에 구축할 수 있다면 표준 PCB 설계 소프트웨어를 사용하여 이러한 것들을 설계할 수도 있습니다. 멀티칩 모듈을 주류로 가져오는 데 관련된 도전을 분석하고 유행어를 뚫고 볼 때, PCB와 집적 회로 간의 미래 관계가 어떻게 될지 보는 것이 더 쉽습니다.

고급 패키지, 칩렛, 그리고 실리콘 인터커넥트 패브릭

미국과 유럽에서 전자 제조 대화가 고급 패키징과 현지 반도체 생산으로 전환되면서 더 많은 회사들이 칩 설계 작업을 내부로 가져오고 있습니다. 이는 패키징이 이러한 설계 팀의 영역이 될 것이며, PCB 설계자들은 이종 통합 칩과 모듈을 포함하는 고급 패키징 레이아웃을 해결할 수 있는 기술을 가진 그룹입니다.

실리콘 인터커넥트 패브릭은 초대형 시스템을 위한 고급 패키지에서 이종 통합을 지원하는 인터커넥트 플랫폼으로 의도되었습니다. 이 패키징 방법론에서는, 패키지되지 않은 다이들이 매우 미세한 수직 인터커넥트 피치(2에서 10 마이크론)를 가진 Si 웨이퍼에 직접 부착됩니다. 다이 간 간격은 < 100 마이크론으로 의도되어, 다이들 사이의 매우 짧은 인터커넥트를 제공합니다. 이 패키지는 또한 다이들을 단일 모듈로 수직 적층하는 3D 통합을 지원하도록 의도되었습니다.

실리콘 인터커넥트 패브릭의 구조. [출처: UCLA CHIPS]

이 직물은 기존의 인터포저, 패키지, 그리고 PCB를 대체하기 위해 고안되었습니다. 제가 편견이 있을 수도 있지만, 현재의 부품 제조 및 배포 구조를 고려할 때 이러한 패키징 방법론이 PCB를 대체할 것이라고는 회의적입니다. 저에게 이것은 인터포저나 패키지 기판에 올려놓을 수 있는 구조처럼 보이지만, PCB를 전면적으로 대체할 것은 아닌 것 같습니다. 이 구조는 본질적으로 실리콘 웨이퍼에서 2.5D 통합이나 3D 통합을 가능하게 하기 때문에 이렇게 말합니다.

디자인 계층 구조에서 패키징이 얼마나 높이 올라가야 하며, 이러한 장치들이 전자 제품을 구축하는 표준 방법으로 PCB를 대체할 수 있을까요? 현실은 이종 구성 요소를 연결하는 데 사용되는 패키징 방법론이 최고 수준의 패키징 솔루션으로서 PCB를 대체할 의도가 없다는 것입니다. PCB의 현장 구성 요소에서 제공하는 모듈성은 엔지니어들이 필요로 하는 상당한 가치와 유연성을 제공합니다. 모든 현장 구성 집적 회로가 칩렛으로도 제공되지 않는 한, 실리콘 인터커넥트 직물과 같은 기술은 PCB를 완전히 대체할 희망이 없습니다.

패키지와 인쇄 회로 기판을 완전히 새로운 연결 구조로 대체하는 것에 대한 나의 회의적인 태도에도 불구하고, 실리콘 연결 패브릭 기반 시스템에 대한 추가 연구가 있었습니다. 패키징 기술로서, 실리콘 연결 패브릭 기반 시스템은 전통적인 패키징 및 고급 PCB와 마찬가지로 특히 전력 전달, 전력 안정성, 그리고 패브릭에 내장된 용량의 포함과 같은 분야에서 일부 동일한 도전에 직면합니다. 이 주제에 대한 최근 논문 두 편이 아래에 있습니다.

• Safari, Yousef, Anja Kroon, 그리고 Boris Vaisband. "Si-IF에서 초대규모 애플리케이션을 위한 전력 전달." 2022 IEEE 국제 회로 및 시스템 심포지엄(ISCAS)에서, pp. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., 그리고 Subramanian S. Iyer. "실리콘 연결 패브릭에서의 깊은 트렌치 커패시터." 2020 IEEE 제70회 전자 부품 및 기술 컨퍼런스(ECTC)에서, pp. 2295-2301. IEEE, 2020.

결론 - PCB는 여전히 유지될 것입니다

다양한 기능과 재료를 가진 칩렛을 단일 기판이나 멀티칩 모듈에 통합하는 것에는 여전히 많은 기술적 도전이 있으므로, 현재로서는 PCB가 계속해서 사용될 것입니다. 이러한 유형의 패키지와 모듈은 일부 현장에서 구할 수 있는 하드웨어로는 충족될 수 없는 더 진보된 응용 프로그램을 목표로 하므로, PCB는 대부분의 응용 프로그램에서 여전히 사용될 것입니다.

고급 패키지 사용을 넓혀 PCB의 우위를 위협할 수 있는 지점까지 도달하는 데 있어 가장 큰 도전 중 하나는 고급 패키지를 구축하는 것과는 전혀 관련이 없습니다. 대신, 이는 모두 칩렛 생태계와 관련이 있습니다. 오늘날인 2023년에는 칩렛 유통업체에 가서 반도체 다이스를 선택하여 포장 시설로 배송하도록 주문할 수 없습니다. 아시아에는 제조 능력이 존재하지만, 이러한 칩렛 마켓플레이스는 존재하지 않습니다. 대신, Intel, NVIDIA, AMD와 같은 주요 프로세서 벤더와 TSMC와 같은 주요 파운드리들이 가장 진보된 제품을 위해 이 접근 방식에 집중하고 있습니다.

칩렛 생태계가 설계자들이 선반에서 칩렛을 집어 사용하여 맞춤형 이종 통합 패키지를 구축할 수 있는 지점까지 발전하더라도, 이것이 PCB의 완전한 제거를 의미하지는 않습니다. 단일 패키지로 모든 가능한 기능이나 기능을 통합하는 것은 단순히 실용적이지 않습니다. 그래서 우리는 전통적으로 포장된 구성 요소를 더 진보된 패키지와 모듈에 연결하기 위해 PCB가 계속 필요합니다.

모든 기능을 단일 웨이퍼에 통합할 수 있게 될 때까지, PCB 설계자들은 여전히 고급 전자 시스템을 설계하는 일자리를 가질 것입니다. 이 연구자의 의견으로는, 우리가 다중칩 모듈에서 구상된 이종 통합을 보기 전에 전자-광학 통합 회로(EPICs)가 대규모로 상업화되는 것을 볼 것입니다. 우리는 심지어 광학 칩렛이 다중칩 모듈에 통합되어 실리콘 인터커넥트 패브릭의 광학 아날로그로 연결되는 것을 볼 수도 있습니다. 업계는 실리콘 광자 부품을 상업화하기 위한 표준 개발 및 확장 전략에 대한 회의를 개최하고 있으며, 광자 회로에 SPICE 시뮬레이션 기술을 적용하는 것과 같은 다른 영역에서의 평가도 진행하고 있습니다.

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