PCB kontra moduły wieloukładowe, chiplety i tkanina połączeniowa krzemowa (aktualizacja 2023)

Artykuł w wydaniu z września 2019 roku IEEE Spectrum twierdził, że tkanina połączeniowa krzemowa, metoda łączenia chipletów na wieloukładowym module lub zaawansowanym opakowaniu, wyeliminuje PCB i masywne SoC dla wielu zastosowań, szczególnie płyt głównych.

Jest teraz 2023 rok, i nikt jeszcze nie zrezygnował z PCB; popyt na PCB pozostaje tak silny jak zawsze i nadal przewiduje się jego wzrost na poziomie dwucyfrowego CAGR. Dzieje się tak pomimo oczekiwanego wzrostu zaawansowanych typów PCB, szczególnie płyt UHDI oraz płyt podobnych do substratu.

Ten artykuł z 2019 roku w IEEE Spectrum był przynajmniej trzecim przypadkiem, gdy twierdzono o "końcu PCB" w ciągu tylu samych dekad. Moduły wieloukładowe sięgają czasów pamięci bąbelkowej IBM z lat 70., a nawet można je projektować za pomocą standardowego oprogramowania do projektowania PCB, pod warunkiem, że można zbudować ślady dla wypukłości połączeniowych na półprzewodnikowych kostkach do modułu. Gdy przebrnie się przez modne słowa i przeanalizuje wyzwania związane z wprowadzeniem modułów wieloukładowych do głównego nurtu, łatwiej jest zobaczyć, jak będzie wyglądała przyszła relacja między PCB a układami scalonymi.

Zaawansowane opakowania, Chiplety i Tkanina Połączeniowa Krzemowa

Teraz, gdy rozmowa na temat produkcji elektroniki w USA i Europie przesunęła się w kierunku zaawansowanych opakowań i lokalnej produkcji półprzewodników, więcej firm przenosi swoje operacje projektowania układów scalonych do wewnątrz firmy. Oznacza to, że pakowanie stanie się domeną tych zespołów projektowych, a projektanci PCB to grupa z umiejętnościami potrzebnymi do rozwiązania zaawansowanych układów pakowania obejmujących heterogenicznie zintegrowane układy scalone i moduły.

Tkanina połączeniowa krzemowa została zaprojektowana jako platforma łącząca wspierająca heterogeniczną integrację w zaawansowanych opakowaniach dla ultra dużych systemów. W tej metodologii pakowania, nieopakowane kości są bezpośrednio przyłączane do krzemowego wafla z bardzo drobnym pionowym rozstawem połączeń (od 2 do 10 mikronów). Przewiduje się, że odstępy między kośćmi będą mniejsze niż 100 mikronów, co daje bardzo krótkie połączenia między kośćmi. Opakowanie ma również wspierać integrację 3D z pionowym układaniem kości w pojedynczy moduł.

Struktura tkaniny połączeniowej krzemowej. [Źródło: UCLA CHIPS]

Materiał ten ma na celu zastąpienie konwencjonalnych interposerów, obudów i PCB. Można mnie uznać za stronniczego, ale jestem sceptycznie nastawiony do tego, że taka metodologia pakowania zastąpi PCB, biorąc pod uwagę obecną strukturę produkcji i dystrybucji komponentów. Dla mnie wygląda to na strukturę, którą można by umieścić na interposerze lub podłożu obudowy, ale nie na całkowite zastąpienie PCB. Mówię to, ponieważ ta struktura umożliwia zasadniczo integrację 2,5D lub 3D na krzemowym wafelu.

Jak wysoko w hierarchii projektowania musi sięgać pakowanie, i czy te urządzenia kiedykolwiek zastąpią PCB jako standardową metodę budowy elektroniki? Rzeczywistość jest taka, że metody pakowania używane do łączenia heterogenicznych komponentów nie mają na celu zastąpienia PCB jako najwyższego poziomu rozwiązania pakującego. Modularność oferowana przez komponenty dostępne od ręki na PCB zapewnia znaczącą wartość i elastyczność, której potrzebują inżynierowie. Dopóki każdy dostępny od ręki układ scalony nie będzie również dostępny jako chiplet, technologie takie jak tkanina krzemowa do połączeń nie mają szans na całkowite zastąpienie PCB.

Pomimo mojego sceptycyzmu co do zastępowania obudów I płytek drukowanych całkowicie nową architekturą połączeń, przeprowadzono dodatkowe badania nad systemami opartymi na tkaninie połączeń krzemowych. Jako technologia pakowania, systemy oparte na tkaninie połączeń krzemowych napotykają na niektóre z tych samych wyzwań, co konwencjonalne pakowanie i zaawansowane PCB, szczególnie w obszarach dostarczania mocy, stabilności mocy, oraz włączenia pojemności osadzonej w tkaninie. Poniżej znajdują się dwa niedawne artykuły na te tematy.

• Safari, Yousef, Anja Kroon, i Boris Vaisband. "Dostarczanie mocy dla aplikacji w skali ultra-dużej na Si-IF." W 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), s. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., i Subramanian S. Iyer. "Kondensatory w głębokich rowkach w tkaninie połączeń krzemowych." W 2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), s. 2295-2301. IEEE, 2020.

Werdykt - PCB nadal pozostają na swoim miejscu

Wciąż istnieje wiele wyzwań technicznych związanych z integracją chipletów o różnych funkcjonalnościach i materiałach na pojedynczym substracie lub module wieloukładowym, więc na razie PCB będą nadal stosowane. Tego typu pakiety i moduły są przeznaczone do bardziej zaawansowanych zastosowań niż te, które można obsłużyć za pomocą niektórych gotowych urządzeń, więc PCB będą nadal używane w większości aplikacji.

Jednym z największych wyzwań w rozszerzaniu użycia zaawansowanych pakietów do punktu, w którym zagrażają one dominacji PCB, nie ma nic wspólnego z budowaniem zaawansowanych pakietów. Zamiast tego, wszystko sprowadza się do ekosystemu chipletów. Dzisiaj, w 2023 roku, nie można po prostu udać się do dystrybutora chipletów, zamówić wybór półprzewodnikowych matryc i mieć je wysłane do zakładu pakującego. Możliwości produkcyjne istnieją w Azji, ale taki rynek chipletów nie istnieje. Zamiast tego, główni dostawcy procesorów, tacy jak Intel, NVIDIA i AMD, oraz główne fabryki, takie jak TSMC, skupiają się na tym podejściu dla najbardziej zaawansowanych produktów.

Nawet jeśli ekosystem chipletów rozwinie się do punktu, w którym projektanci będą mogli wybierać chiplety z półki i używać ich do budowy niestandardowych heterogenicznie zintegrowanych pakietów, nie oznacza to całkowitej eliminacji PCB. Po prostu nie jest praktyczne integrowanie każdej możliwej funkcji lub cechy w jednym pakiecie. Dlatego nadal potrzebujemy PCB do łączenia komponentów pakowanych tradycyjnie z bardziej zaawansowanymi pakietami i modułami.

Dopóki każda funkcja nie będzie mogła być zintegrowana w jednym krzemie, projektanci PCB nadal będą mieli pracę przy projektowaniu zaawansowanych systemów elektronicznych. W opinii tego badacza, zobaczymy zintegrowane obwody elektroniczno-fotoniczne (EPICs) stające się mocno komercjalizowane, zanim zobaczymy heterogeniczną integrację przewidywaną w modułach wieloukładowych. Możemy nawet zobaczyć chiplety fotoniczne zintegrowane w modułach wieloukładowych i połączone z fotonicznym odpowiednikiem tkaniny łączącej krzem. Branża organizuje konferencje na temat opracowywania standardów i strategii skalowania dla komercjalizacji komponentów fotoniki krzemowej, jak również oceny w innych obszarach, takich jak dostosowywanie technik symulacji SPICE do obwodów fotonowych.

W miarę jak elektronika rozwija się w obszarach takich jak moduły wieloukładowe i łącza optyczne, warto zwrócić uwagę na firmy takie jak Altium oraz platformy projektowe takie jak Altium Designer® w poszukiwaniu narzędzi do pracy z tymi nowymi technologiami w PCB. Zestaw narzędzi w Altium Designer znajduje się na czele branży EDA. Będziesz mógł projektować kompaktowe płytki do każdego zastosowania, zarządzać danymi projektowymi oraz przygotowywać nowe produkty do pełnoskalowej produkcji.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.