PCBs vs. Módulos Multichip, Chiplets e Tecido de Interconexão de Silício (Atualização 2023)

Um artigo na edição de setembro de 2019 da IEEE Spectrum afirmava que o tecido de interconexão de silício, um método para conectar chiplets em um módulo multichip ou pacote avançado, eliminaria PCBs e SoCs volumosos para muitas aplicações, especificamente placas-mãe.

Estamos em 2023, e parece que ninguém abandonou os PCBs ainda; a demanda por PCBs permanece tão forte quanto sempre e ainda está projetada para crescer a uma taxa composta de crescimento anual de dois dígitos. Isso apesar do crescimento esperado em tipos avançados de PCBs, especificamente placas UHDI e PCBs semelhantes a substratos.

Aquele artigo de 2019 na IEEE Spectrum foi pelo menos a terceira vez que a afirmação do "fim dos PCBs" foi feita em tantas décadas. Módulos multichip remontam à memória Bubble da IBM nos anos 1970, e você pode até mesmo projetá-los usando software padrão de design de PCB, desde que você possa construir footprints para bonding bump-outs em dies semicondutores para o seu módulo. Uma vez que você analisa além dos termos técnicos e analisa os desafios envolvidos em trazer módulos multichip para o mainstream, fica mais fácil ver como será a relação futura entre PCBs e circuitos integrados.

Pacotes Avançados, Chiplets e Tecido de Interconexão de Silício

Agora que a conversa sobre fabricação de eletrônicos nos EUA e na Europa mudou para embalagens avançadas e produção local de semicondutores, mais empresas estão trazendo suas operações de design de chips para dentro de casa. Isso significa que a embalagem se tornará o domínio dessas equipes de design, e os designers de PCB são o grupo com as habilidades para resolver layouts de embalagens avançadas envolvendo chips e módulos integrados de forma heterogênea.

O tecido de interconexão de silício foi planejado como uma plataforma de interconexão que suporta a integração heterogênea em embalagens avançadas para sistemas ultra grandes. Nessa metodologia de embalagem, dies não embalados são fixados diretamente em um wafer de Si com um espaçamento vertical de interconexão muito fino (2 a 10 microns). O espaçamento entre os dies pretende ser

Estrutura do tecido de interconexão de silício. [Fonte: UCLA CHIPS]

O tecido é destinado a substituir interposers convencionais, embalagens e PCBs. Me chame de tendencioso, mas sou cético de que tal metodologia de embalagem substituiria PCBs, dado a atual estrutura de fabricação e distribuição de componentes. Para mim, isso parece uma estrutura que poderia ser colocada em um interposer ou substrato de embalagem, mas não seria uma substituição total para PCBs. Digo isso porque essa estrutura essencialmente possibilita a integração 2.5D ou integração 3D em um wafer de silício.

Até que ponto na hierarquia de design a embalagem precisa alcançar, e esses dispositivos algum dia substituirão PCBs como o método padrão de construir eletrônicos? A realidade é que as metodologias de embalagem usadas para interconectar componentes heterogêneos não têm a intenção de substituir PCBs como a solução de embalagem de nível mais alto. A modularidade oferecida por componentes prontos para uso em PCBs fornece um valor significativo e flexibilidade que os engenheiros precisam. Até que todo circuito integrado pronto para uso também esteja disponível como um chiplet, tecnologias como tecido de interconexão de silício não têm esperança de substituir completamente PCBs.

Apesar do meu ceticismo em substituir pacotes E placas de circuito impresso por uma arquitetura de interconexão totalmente nova, houve pesquisas adicionais sobre sistemas baseados em tecido de interconexão de silício. Como uma tecnologia de embalagem, os sistemas baseados em tecido de interconexão de silício enfrentam alguns dos mesmos desafios que as embalagens convencionais e PCBs avançados, particularmente nas áreas de entrega de energia, estabilidade de energia, e inclusão de capacitância embutida no tecido. Dois artigos recentes sobre esses tópicos são encontrados abaixo.

• Safari, Yousef, Anja Kroon, e Boris Vaisband. "Entrega de Energia para Aplicações em Escala Ultra-Larga em Si-IF." Em 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., e Subramanian S. Iyer. "Capacitores de trincheira profunda em tecido de interconexão de silício." Em 2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp. 2295-2301. IEEE, 2020.

O Veredito - PCBs Ainda Vão Permanecer

Ainda existem muitos desafios técnicos envolvidos na integração de chiplets com diferentes funcionalidades e materiais em um único substrato ou módulo multichip, então, por enquanto, as PCBs continuam sendo essenciais. Esse tipo de pacote e módulo visa aplicações mais avançadas do que aquelas que podem ser atendidas por algum hardware disponível no mercado, então as PCBs ainda serão usadas na maioria das aplicações.

Um dos maiores desafios para ampliar o uso de pacotes avançados a ponto de ameaçar a dominância das PCBs não tem nada a ver com a construção de pacotes avançados. Em vez disso, tem tudo a ver com o ecossistema de chiplets. Hoje, em 2023, você não pode simplesmente ir a um distribuidor de chiplets, encomendar uma seleção de dies semicondutores e tê-los enviados para uma instalação de embalagem. A capacidade de fabricação existe na Ásia, mas um mercado de chiplets como esse é inexistente. Em vez disso, os principais fornecedores de processadores como Intel, NVIDIA e AMD, bem como as grandes fábricas como a TSMC, estão focados nessa abordagem para os produtos mais avançados.

Mesmo que o ecossistema de chiplets se desenvolva a ponto de os designers poderem pegar chiplets prontos e usá-los para construir pacotes customizados integrados de forma heterogênea, isso não significa que teremos a eliminação completa das PCBs. Simplesmente não é prático integrar cada possível recurso ou função em um único pacote. É por isso que continuamos a precisar de PCBs para conectar componentes tradicionalmente embalados disponíveis no mercado com pacotes e módulos mais avançados.

Até que cada função possa ser integrada em um único wafer, os designers de PCB ainda terão empregos projetando sistemas eletrônicos avançados. Na opinião deste pesquisador, veremos circuitos integrados eletrônico-fotônicos (EPICs) se tornarem fortemente comercializados antes de vermos a integração heterogênea imaginada em módulos multichip. Podemos até ver chiplets fotônicos integrados em módulos multichip e conectados com um análogo fotônico de tecido de interconexão de silício. A indústria está realizando conferências sobre o desenvolvimento de padrões e estratégias de escalonamento para a comercialização de componentes de fótons de silício, bem como avaliação em outras áreas como a adaptação de técnicas de simulação SPICE para circuitos fotônicos.

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