シリコン回路基板:利点と設計方法

シリコン チップと回路基板

出典:ウィキメディア コモンズ

なぜシリコン回路基板を使用する必要があるのですか?シンプル、Si、またはシリコンは、ユニークな機能を持つ単純な要素です。また、絶縁体として機能し、特定の条件下で電気を伝導します。

そのため、スマートフォンから電子レンジ、スーパーコンピューターまで、あらゆるものに電力を供給できます。

また、シリコンは電気的特性を変更するプロセスであるドーピングを受けます。したがって、シリコンを使用して、電気信号を増幅するためのトランジスタを作成できます。

この記事では、ボード、機能、利点などについて詳しく説明します。

それでは始めましょう!

シリコン回路基板とは?

SiCB またはシリコン回路基板は、標準的な PCB のように見えます。ただし、両方のボードの違いは、前者はシリコン基板を使用し、後者は FR4 を使用することです。

また、どのシリコン ウェーハ ファウンドリでもシリコン回路基板を作成できます。行う必要があるのは、ファウンドリに基づいて、フロントエンドまたはバックエンドの処理を使用することだけです。

さらに、SiCB のサイズは、プリント回路基板と集積回路素子の間にあります。したがって、PCB の寸法は 10 x 10 インチであるため、標準の SiCB は 2 x 3 インチで、IC は各辺が 0.5 インチです。

さらに、標準の FR4 PCB の設計を小さな SiCB (PCB のサイズの 4 分の 1 未満) に変更できます。必要なのは、パッケージのサイコロを取り外してトレース サイズを小さくすることだけです。

HPC (高性能コンピューティング) 設計を SiCB に追加できますか?はい、できます。ただし、次のコンポーネントを追加する必要があります:

• クロック ドライバ/チップ スケール パッケージ オシレータ

チップ スケール オシレータ

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• I/O コネクタ

I/O コネクタ

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• メモリーダイス (8)

メモリーダイ

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• CPUダイ

CPUダイ

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• 大型 FPGA ダイス (4)

FPGA

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• バイパス コンデンサ

バイパス コンデンサ

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これらのコンポーネントを使用して、回路設計の寸法は 60mm x 70mm、厚さは 3mm 未満にする必要があります。ただし、ヒートシンクをさらにミリ単位で追加できます。

シリコン回路基板の機能と利点

シリコン回路基板には、次の機能と利点があります。

シグナリング

標準の PCB と比較して SiCB の距離が短いため、信号速度が速くなります。そのため、回路基板のパッケージを取り外すと、静電容量と寄生インダクタンスを減らすことができます。

また、これらの回路基板は、約 2 x 8 ミクロンの比較的小さなワイヤを備えています。

したがって、それらは抵抗力があり、シグナリング環境に最適です。その結果、伝送ラインを終端する必要がなくなり、放射エネルギーと EMI が減少します。

さらに、TSV を介して高速シグナリングを行うことができます。ただし、信号の完全性が大幅に低下する可能性があるため、100 ミクロンを超えないようにしてください。

ローパワー

標準の PCB と SiCB を比較すると、後者の方が冷却の必要性が少ないことがわかります。これは、I/O 電力要件が大幅に削減されたためです。

興味深いことに、I/O 電力がパッケージ化された部品の I/O 電力の 10% を下回る回路基板が見られる場合があります。また、SiCB 電気接続用のカスタム I/O を設計すると、I/O 電力がさらに低下することに気付くかもしれません。

信頼性

このデバイスは、シリコン回路基板とベア シリコン ダイスの温度係数が一致するため、信頼性が向上しています。したがって、システム障害を心配することなく、この回路パターンを HPC に使用できます。

SiCB ベースのシステムを使用するもう 1 つの利点は、部品が少ないことです。したがって、FR4 ベースのシステムと比較して、迅速に修理または再加工できます。

サプライ チェーンのリンク

間違いなく、SiCB の設計、リワーク、テスト、部品、および製造には、利用可能なサプライ チェーン リンクがあります。しかし、チェーンは接続されていないため機能しません。しかし、技術が進歩するにつれて、これらのリンクは結合されます。

SiCB の設計と構築方法

シリコン回路基板を構築するために必要な手順は次のとおりです:

ステップ 1 – 設計から始める

SiCB 設計を開始するには、IC レイアウト ツールまたは PCB レイアウト ツールのいずれかを選択できます。さらに、これらのツールはどれも適切ではありませんが、完全に機能することに注意することが重要です。

どのように？ PCB ツールは、ミクロン以下の寸法ではなく、ルーティングに最適です。

また、IC 出力ファイル (GDSII) を生成しません。

一方、IC 設計ツールはその領域により重点を置いています。しかし、使いやすさとルーティング パフォーマンスの両方に欠けています。

ステップ 2 – テスト済みのパーツを入手する

ベア ダイスのデータシートは、工場またはオンラインからすぐに入手できます。しかし、部品が金型で完全なテストを受けることが重要です。

ステップ 3 – SiCB を構築する

半導体IC製造技術でSiCBを作ることができます。しかし問題は、ファウンドリがレチクルの制限を持っている可能性があることです。そして、最終的に小さな SiCB またはシリコン インターポーザーだけになる可能性があります。

したがって、巨大なシリコン回路基板が必要な場合は、レチクル ステッチを選択してください。別の方法として、シリコン ウェーハのマスキングを完了する古いファブを検討することもできます。

インターポーザを製造している場合は、厚さ約 2 ミクロンの銅の厚さのメタライゼーションを行うことができます。ただし、このプロセスは SiCB には理想的ではありません。これは、適切な最小サイズが約 5 ミクロンであるためです。

さらに、ガラス、有機物、セラミック基板などのさまざまな基板材料を追加できます。

ステップ 4 – 回路基板を組み立てる

ハイエンド PCB アセンブリ ハウスを使用して SiCB を組み立てます。

そうすることで、優れた ESD 制御を備えた自動ピックアンドプレース マシンが必要になります。

次に、パーツ アセンブリの表面実装設計規則に従い、約 30 ～ 40 のパッド ピッチで作業します。

さらに、SiCB とダイの間には同様の温度があるため、ベア ダイ アンダーフィルは必要ありません。機械的ストレス/熱ストレスが減少したためです。

ステップ 5 – テストとやり直し

このステップでは、ウェーハ プロ​​ービング テスト フィクスチャ、セルフテスト、変更されたパッケージ、およびフライング プローブ テストを組み合わせて、組み立てた SiCB をテストできます。また、コンポーネントを交換する必要がある場合は、PCB リワーク方法を使用してください。

切り上げ

シリコン回路基板は、標準の PCB に似ていますが、シリコン基板を使用しています。さらに、約 30 ～ 40 ミクロンのパッド ピッチが可能です。

また、このデバイスには、スタックされた 3D ダイやベア ダイなどの目的のコンポーネントが付属しています。そして、鋳造所に基づいた特定の処理でそれらを作ることができます。さらに、このデバイスの独自の機能により、HPC 設計に合格することができます。シリコン PCB を構築する予定はありますか?それとも、プロジェクトに最適なものを入手したいですか?お気軽にお問い合わせください。