シリコン回路基板：信頼性の高いエレクトロニクスのための利点と設計のヒント

シリコンチップと回路基板

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なぜシリコン回路基板を使用すべきでしょうか？ 簡単です。Si、またはシリコンは独自の特徴を持つ単純な元素です。また、特定の条件下では絶縁体として働き、電気を伝導します。

したがって、スマートフォン、電子レンジ、スーパーコンピュータまであらゆるものに電力を供給できます。

また、シリコンはドーピングを経験します。これは電気的特性を変更するプロセスです。したがって、シリコンを使用して電気信号を増幅するトランジスタを作成できます。

この記事では、基板、特徴、利点などについてさらに説明します。

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に似ています。しかし、両者の違いは、前者がシリコン基板を使用し、後者がFR4を使用することです。

また、シリコン回路基板は任意のシリコンウェハファウンドリで作成できます。必要なのは、フロントエンドオブラインまたはバックエンドオブライン処理を使用することです。これはあなたのファウンドリに基づきます。

さらに、SiCBのサイズはプリント基板と集積回路要素の間にあります。PCBの寸法が10×10インチであるのに対し、標準的なSiCBは2×3インチ、ICは各辺が半インチです。

また、標準的なFR4 PCBの設計を小さなSiCB（PCBの4分の1未満のサイズ）に変更できます。必要なのは、パッケージのダイスを取り除き、トレースサイズを減らすことです。

HPC（ハイパフォーマンス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。しかし、以下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発振器

チップスケール発振器

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• I/Oコネクタ

I/Oコネクタ

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• メモリダイス (8)

メモリダイ

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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で、回路設計は60mm×70mmの寸法と3mm未満の厚さを持つべきです。しかし、ヒートシンクのためにさらに数ミリ追加できます。

シリコン回路基板の特徴と利点

シリコン回路基板には以下の特徴と利点があります：

信号伝送

標準的なPCBと比較してSiCBの距離が短いため、より高速な信号伝送速度を持ちます。したがって、回路基板のパッケージを取り除くことは、その容量と寄生インダクタンスを減らすのに役立ちます。

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

したがって、それらは抵抗性が高く、信号伝送環境に最適です。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を減らす可能性があります。

さらに、TSVを介して高速信号伝送が可能です。しかし、100ミクロンを超えないようにしてください。なぜなら、信号品質に多大なコストがかかる可能性があるからです。

低消費電力

標準的なPCBとSiCBを比較すると、後者は冷却の必要性が減少していることがわかります。それはI/O電力要件が大幅に減少しているためです。

興味深いことに、パッケージ部品のI/O電力の10%未満のI/O電力を持つ回路基板が見られるかもしれません。また、SiCB電気接続用にカスタムI/Oを設計すると、I/O電力がさらに減少することがわかります。

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せずにHPCでこの回路パターンを使用できます。

SiCBベースシステムを使用するもう一つの利点は、部品が少ないことです。したがって、FR4ベースシステムと比較して、迅速に修理またはリワークできます。

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、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、それらが接続されていないため、チェーンは機能しません。しかし、技術の進歩に伴い、これらのリンクは結合されるでしょう。

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以下の通りです：

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、これらのツールのどれも適切ではないことに注意することが重要ですが、完璧に機能します。

どうやって？ PCBツールはルーティングに最適ですが、ミクロン以下の寸法には対応していません。

また、IC出力ファイル（GDSII）を生成しません。

一方、IC設計ツールは面積に重点を置きます。しかし、使いやすさとルーティング性能の両方が欠けています。

ステップ2 – テスト済み部品を入手する

ベアダイのデータシートは工場やオンラインから迅速に入手できます。しかし、部品がダイ形態で完全にテスト済みであることを確認することが重要です。

ステップ3 – SiCBを構築する

SiCBは半導体IC製造技術で構築できます。しかし、問題はファウンドリにレティクルの制限があることです。その結果、小さなSiCBまたはシリコンインターポーザーしか得られない可能性があります。

大きなシリコン回路基板が必要な場合は、レティクルステッチングを選択してください。あるいは、シリコンウェハマスクを完了する古いファブを検討することもできます。

インターポーザーを製造する場合、約2ミクロン厚の銅厚メタライゼーションを行うことができます。しかし、このプロセスはSiCBには理想的ではありません。なぜなら、彼らの最小適切なサイズは約5ミクロンだからです。

さらに、ガラス、有機物、セラミック基板などの異なる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組み立て工場を使用して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、部品組み立てのための表面実装設計ルールに従い、約30〜40のパッドピッチで作業します。

また、SiCBとダイの間で温度が類似しているため、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/熱ストレスが減少するためです。

ステップ5 – テストとリワーク

このステップでは、ウェーハプロービングテスト治具、セルフテスト、修正パッケージ、フライングプローブテストを組み合わせて組み立て済みSiCBをテストできます。また、部品を交換する必要がある場合は、PCBリワーク方法を使用します。

まとめ

シリコン回路基板は標準的なPCBに似ていますが、シリコン基板を使用します。また、約30〜40ミクロンのパッドピッチを許容します。

また、このデバイスにはスタック3Dダイやベアダイなどの意図したコンポーネントが付属します。また、ファウンドリに基づいた特定の処理で作成できます。さらに、このデバイスの独自の特徴により、HPC設計として通用します。シリコンPCBの構築を計画していますか？ 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？ お気軽にご連絡ください。