PCB so với Mô-đun Đa Chip, Chiplets và Vải Kết Nối Silicon (Cập nhật 2023)

Bài viết trong số ra tháng 9 năm 2019 của IEEE Spectrum đã tuyên bố rằng vải kết nối silicon, một phương pháp để kết nối các chiplet trên một mô-đun đa chip hoặc gói tiên tiến, sẽ loại bỏ PCB và SoC cồng kềnh cho nhiều ứng dụng, cụ thể là bo mạch chủ.

Đến nay là năm 2023, và dường như chưa ai từ bỏ PCB; nhu cầu về PCB vẫn mạnh mẽ như trước và vẫn dự kiến tăng trưởng với tốc độ CAGR hai chữ số. Điều này xảy ra bất chấp sự tăng trưởng dự kiến trong các loại PCB tiên tiến, cụ thể là UHDI boards và substrate-like PCBs.

Bài viết năm 2019 trên IEEE Spectrum ít nhất là lần thứ ba trong ba thập kỷ qua có tuyên bố "kết thúc của PCB". Các mô-đun đa chip có từ thời bộ nhớ Bubble của IBM vào những năm 1970, và bạn thậm chí có thể thiết kế những cái này sử dụng phần mềm thiết kế PCB tiêu chuẩn, miễn là bạn có thể xây dựng các footprint cho việc kết nối các điểm nổi trên vi mạch bán dẫn với mô-đun của mình. Một khi bạn phân tích các thách thức liên quan đến việc đưa các mô-đun đa chip vào dòng chính, sẽ dễ dàng hơn để thấy mối quan hệ tương lai giữa PCB và mạch tích hợp như thế nào.

Gói Tiên Tiến, Chiplets và Vải Kết Nối Silicon

Giờ đây, khi cuộc trò chuyện về sản xuất điện tử ở Mỹ và Châu Âu đã chuyển hướng sang đóng gói tiên tiến và sản xuất bán dẫn địa phương, nhiều công ty đang đưa hoạt động thiết kế chip vào nội bộ. Điều này có nghĩa là việc đóng gói sẽ trở thành lĩnh vực của các đội ngũ thiết kế này, và các nhà thiết kế PCB là nhóm có kỹ năng giải quyết các bố cục đóng gói tiên tiến liên quan đến việc tích hợp không đồng nhất các chip và mô-đun.

Vải kết nối silicon được dự định như một nền tảng kết nối hỗ trợ tích hợp không đồng nhất trong các gói tiên tiến cho các hệ thống cực lớn. Trong phương pháp đóng gói này, các die chưa đóng gói được gắn trực tiếp vào một wafer Si với khoảng cách kết nối dọc rất nhỏ (2 đến 10 micron). Khoảng cách giữa các die được dự định là < 100 micron, tạo ra các kết nối ngắn rất ngắn giữa các die. Gói cũng được dự định hỗ trợ tích hợp 3D với việc xếp chồng dọc các die vào một mô-đun duy nhất.

Cấu trúc của vải kết nối silicon. [Nguồn: UCLA CHIPS]

Vải này được dự định để thay thế cho các bộ chuyển đổi, bao bì, và PCB thông thường. Có thể bạn sẽ cho rằng tôi thiên vị, nhưng tôi hoài nghi rằng phương pháp đóng gói như vậy có thể thay thế PCB khi xem xét cấu trúc hiện tại của việc sản xuất và phân phối linh kiện. Đối với tôi, đây giống như một cấu trúc có thể được đặt lên một bộ chuyển đổi hoặc nền tảng bao bì, nhưng không phải là sự thay thế toàn bộ cho PCB. Tôi nói điều này bởi vì cấu trúc này cơ bản là cho phép tích hợp 2.5D hoặc tích hợp 3D trên một tấm wafer silicon.

Quá trình thiết kế cần đạt đến mức độ nào trong hệ thống phân cấp, và liệu những thiết bị này có bao giờ thay thế PCB làm phương pháp tiêu chuẩn để xây dựng điện tử không? Thực tế là các phương pháp đóng gói được sử dụng để kết nối các linh kiện không đồng nhất không nhằm mục đích thay thế PCB là giải pháp đóng gói cấp cao nhất. Tính linh hoạt và giá trị mà các linh kiện có sẵn trên thị trường trong PCB cung cấp là rất quan trọng và cần thiết cho kỹ sư. Cho đến khi mỗi mạch tích hợp có sẵn trên thị trường cũng có sẵn dưới dạng chiplet, công nghệ như vải kết nối silicon không có hy vọng nào thay thế hoàn toàn PCB.

Mặc dù tôi có sự hoài nghi về việc thay thế các gói và bảng mạch in bằng một kiến trúc kết nối hoàn toàn mới, đã có thêm nghiên cứu về hệ thống dựa trên vải kết nối silicon. Là một công nghệ đóng gói, hệ thống dựa trên vải kết nối silicon đối mặt với một số thách thức tương tự như đóng gói thông thường và PCB tiên tiến, đặc biệt là trong các lĩnh vực cung cấp điện, ổn định điện, và việc bao gồm dung lượng tích hợp trong vải. Hai bài báo gần đây về các chủ đề này được tìm thấy dưới đây.

• Safari, Yousef, Anja Kroon, và Boris Vaisband. "Cung Cấp Điện cho Ứng Dụng Quy Mô Cực Lớn trên Si-IF." Trong 2022 IEEE Hội nghị Quốc tế về Mạch và Hệ thống (ISCAS), tr. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., và Subramanian S. Iyer. "Tụ điện hố sâu trong vải kết nối silicon." Trong 2020 IEEE Hội nghị Công nghệ và Thành phần Điện tử lần thứ 70 (ECTC), tr. 2295-2301. IEEE, 2020.

Phán Quyết - PCB Vẫn Còn Đây để Tồn Tại

Vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật trong việc tích hợp các chiplet với các chức năng và vật liệu khác nhau trên một chất nền đơn lẻ hoặc mô-đun đa chip, vì vậy hiện tại, PCB vẫn sẽ được sử dụng. Các loại gói và mô-đun này nhắm đến các ứng dụng tiên tiến hơn so với những phần cứng sẵn có trên thị trường, vì vậy PCB vẫn sẽ được sử dụng trong phần lớn các ứng dụng.

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc mở rộng việc sử dụng các gói tiên tiến đến mức chúng đe dọa sự thống trị của PCB không liên quan đến việc xây dựng các gói tiên tiến. Thay vào đó, nó liên quan đến toàn bộ hệ sinh thái chiplet. Ngày nay, vào năm 2023, bạn không thể chỉ đến một nhà phân phối chiplet, đặt hàng một loạt các vi mạch bán dẫn và chờ chúng được gửi đến cơ sở đóng gói. Cơ sở sản xuất tồn tại ở Châu Á, nhưng một thị trường chiplet như vậy không tồn tại. Thay vào đó, các nhà cung cấp bộ vi xử lý lớn như Intel, NVIDIA và AMD, cũng như các nhà máy sản xuất lớn như TSMC, đang tập trung vào phương pháp này cho các sản phẩm tiên tiến nhất.

Dù cho hệ sinh thái chiplet phát triển đến mức các nhà thiết kế có thể lấy chiplet từ kệ hàng và sử dụng chúng để xây dựng các gói tích hợp đa dạng tùy chỉnh, điều này không có nghĩa là chúng ta sẽ hoàn toàn loại bỏ được PCB. Việc tích hợp mọi tính năng hoặc chức năng có thể vào một gói duy nhất không phải là điều thực tế. Đó là lý do tại sao chúng ta vẫn cần đến PCB để kết nối các thành phần được đóng gói theo truyền thống từ kệ hàng với các gói và mô-đun tiên tiến hơn.

Cho đến khi mọi chức năng có thể được tích hợp vào một tấm wafer duy nhất, các nhà thiết kế PCB vẫn sẽ có công việc thiết kế các hệ thống điện tử tiên tiến. Theo ý kiến của nhà nghiên cứu này, chúng ta sẽ thấy mạch tích hợp điện-quang (EPICs) được thương mại hóa mạnh mẽ trước khi chúng ta thấy sự tích hợp đa dạng như được tưởng tượng trong các mô-đun đa chip. Chúng ta thậm chí có thể thấy chiplet quang học được tích hợp vào các mô-đun đa chip và được kết nối với một dạng tương đương quang học của vải kết nối silicon. Ngành công nghiệp đang tổ chức các hội nghị về phát triển các tiêu chuẩn và chiến lược mở rộng cho việc thương mại hóa các thành phần silicon photonics, cũng như đánh giá trong các lĩnh vực khác như việc thích ứng các kỹ thuật mô phỏng SPICE cho mạch quang học.

Khi ngành điện tử tiếp tục tiến bộ vào các lĩnh vực như mô-đun đa chip và liên kết quang học, hãy tìm đến các công ty như Altium và các nền tảng thiết kế như Altium Designer® để có được các công cụ làm việc với những công nghệ mới này trong PCBs. Bộ công cụ trong Altium Designer nằm ở tiền cảnh của ngành công nghiệp EDA. Bạn sẽ có thể thiết kế các bảng mạch nhỏ gọn cho bất kỳ ứng dụng nào, quản lý dữ liệu thiết kế của mình và chuẩn bị sản phẩm mới cho sản xuất quy mô lớn.

Bây giờ bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ sắp xếp, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.