Кремниевые печатные платы: преимущества и рекомендации по проектированию надежной электроники

Источник: Wikimedia Commons

Почему стоит использовать кремниевую печатную плату (SiCB)? Кремний (Si) — элемент с уникальными свойствами: может быть диэлектриком и проводником в зависимости от условий. Питание от смартфонов и микроволновок до суперкомпьютеров.

Легирование (допирование) меняет электрические свойства, позволяя создавать транзисторы для усиления сигналов.

Статья охватывает устройство, преимущества, этапы проектирования и сборки SiCB.

Что такое кремниевская печатная плата?

SiCB внешне похожи на обычные печатные платы, но используют кремниевую подложку вместо FR4. Изготавливаются на любом заводе по кремниевым вейферах: front-end-of-line (FEOL) или back-end-of-line (BEOL) процесс.

Размеры SiCB — между обычными платами (10×10 дюймов) и кристаллами IC (0,5 дюйма). Типичный SiCB — 2×3 дюйма. Можно уменьшить стандартную FR4-плату в 4+ раз, убрав корпуса кристаллов и уменьшив трассы.

Можно ли интегрировать HPC (high-performance computing)? Да, добавив:

• Драйверы тактирования / чип-масштабные генераторы
• I/O разъёмы
• Кристаллы памяти (8 шт.)
• CPU кристалл
• Крупные FPGA кристаллы (4 шт.)
• Обходные конденсаторы

Источник: ResearchGate

Источник: Wikiwand

Источник: Wikipedia Commons

Источник: Wikipedia

Источник: Wikipedia Commons

Источник: Wikimedia Commons

Размер платы: 60×70 мм, толщина <3 мм (с запасом под радиатор).

Особенности и преимущества SiCB

Сигнальные характеристики

Короткие межсоединения → выше скорость сигналов. Удаление корпусов снижает паразитную индуктивность и ёмкость. Тонкие трассы (~2×8 мкм) создают резистивную среду — не требуется терминирование линий, снижается EMI.

Высокоскоростная передача через TSV (through-silicon via) возможна, но длина <100 мкм для сохранения целостности сигнала.

Низкое потребление

I/O мощность SiCB — <10% от упакованных аналогов. Кастомные I/O снижают её ещё сильнее. Меньше тепло → меньше охлаждение.

Надежность

Коэффициенты температурного расширения (CTE) SiCB и голых кристаллов совпадают — нет термомеханических напряжений. Подходит для HPC без риска отказов. Меньше компонентов → проще ремонт и переработка vs FR4.

Цепочки поставок

Проектирование, тестирование, детали, производство — звенья существуют, но пока не интегрированы. Со временем цепочка замкнётся.

Проектирование и сборка SiCB

Шаг 1 — Проектирование

Инструменты: IC layout (под микроны, выдают GDSII) или PCB layout (лучшая трассировка, но нет GDSII). Компромисс: оба работают, но не идеально.

Шаг 2 — Испытанные кристаллы (Known Good Die)

Даташиты bare die доступны у фабрик/онлайн. Критически важно: 100% тестирование в виде кристаллов.

Шаг 3 — Изготовление SiCB

Технология полупроводникового производства. Ограничение ретикулы (маски) → мелкие платы или интерпозеры. Для больших — reticle stitching или старые фэбры с полноразмерной маскировкой.

Металлизация меди ~2 мкм для интерпозеров, для SiCB нужно ≥5 мкм. Возможны альтернативные подложки: стекло, органика, керамика.

Шаг 4 — Сборка

Высококлассные PCB-ассемблеры. Автоматизированный pick-and-place с ESD-контролем. Правила surface mount, шаг пэдов 30–40 мкм. Подложка и кристалл с одинаковым CTE → не нужен underfill (нет термомеханического стресса).

Шаг 5 — Тестирование и переработка

Комбинация: wafer probing, self-test, modified package, flying probe. Замена компонентов — стандартные методы PCB rework.

Резюме

SiCB — это печатные платы на кремниевой подложке с шагом пэдов 30–40 мкм. Компоненты: bare die, 3D stacking. Изготавливаются FEOL/BEOL процессами. Уникальные свойства делают их идеальными для HPC.

Планируете SiCB? Хотите лучшее решение? Свяжитесь с нами.