Placas de Circuito de Silicio: Ventajas y Consejos de Diseño para Electrónica Confiable

Chip de silicio y placa de circuito

Fuente: Wikimedia Commons

¿Por qué deberías usar una placa de circuito de silicio? Simple, Si, o silicio es un elemento simple con características únicas. Además, actúa como aislante y conduce electricidad bajo ciertas condiciones.

Así, puede alimentar cualquier cosa, desde smartphones, hornos de microondas, hasta supercomputadoras.

Además, el silicio sufre dopaje—un proceso de modificación de las propiedades eléctricas. En consecuencia, puedes usar silicio para hacer transistores para amplificar señales eléctricas.

Este artículo explica más sobre la placa, las características, beneficios y más.

¡Así que comencemos!

¿Qué es una Placa de Circuito de Silicio?

Los SiCBs o placas de circuito de silicio se parecen a los PCB estándar. Pero la diferencia entre ambas placas es que la primera usa un sustrato de silicio mientras que la segunda usa FR4.

Además, puedes crear placas de circuito de silicio en cualquier fundición de obleas de silicio. Todo lo que necesitas hacer es usar el procesamiento front-end-of-the-line o back-end-of-the-line, basado en tu fundición.

Además, los tamaños de los SiCBs se encuentran entre las placas de circuito impreso y los elementos de circuito integrado. Así, ya que el PCB tiene una dimensión de 10 x 10 pulgadas, un SiCB estándar es de 2 x 3 pulgadas, y los ICs son media pulgada en cada lado.

Además, puedes cambiar el diseño de un PCB FR4 estándar a un SiCB pequeño (menos de un cuarto del tamaño del PCB). Todo lo que necesitas hacer es eliminar los dados del paquete y disminuir los tamaños de traza.

¿Puedes agregar un diseño HPC (computación de alto rendimiento) al SiCB? Sí, puedes. Pero tienes que agregar los siguientes componentes:

• Drivers de reloj / oscilador chip-scale-package

Oscilador chip scale

Fuente: Researchgate

• Conectores I/O

Conectores I/O

Fuente: Wikiwand

• Dados de memoria (8)

Memory Die

Fuente: Wikipedia Commons

• Die CPU

CPU Die

Fuente: Wikipedia

• Dados FPGA grandes (4)

FPGA

Fuente: Wikipedia Commons

• Capacitores de bypass

Capacitor de Bypass

Fuente: Wikimedia Commons

Tu diseño de circuito debería tener una dimensión de 60mm x 70mm y un espesor de menos de 3mm con estos componentes. Pero puedes agregar más milímetros para un disipador de calor.

Características y Beneficios de la Placa de Circuito de Silicio

La placa de circuito de silicio tiene las siguientes características y beneficios:

Señalización

Debido a la distancia más corta en los SiCBs comparado con un PCB estándar, tiene una velocidad de señalización más rápida. Así, eliminar el paquete de la placa de circuito ayuda a reducir su capacitancia e inductancia parásita.

Además, estas placas de circuito cuentan con alambres relativamente pequeños de aproximadamente 2 x 8 micrones.

Por lo tanto, pueden ser resistivas, perfectas para un entorno de señalización. En consecuencia, es posible que no necesites terminar líneas de transmisión, disminuyendo la energía radiada y EMI.

Además, puedes hacer señalización de alta velocidad a través de un TSV. Pero asegúrate de que no exceda 100 micrones porque puede costar mucha integridad de señal.

Bajo Consumo

Si comparas el PCB estándar con el SiCB, notarás que este último tiene necesidades de enfriamiento reducidas. Y eso es porque hay una reducción significativa en los requisitos de potencia I/O.

Curiosamente, puedes ver una placa de circuito con potencia I/O menor al 10% de la potencia I/O de la parte empaquetada. Además, puedes notar una mayor disminución en la potencia I/O si diseñas un I/O personalizado para las conexiones eléctricas del SiCB.

Fiabilidad

Este dispositivo tiene una fiabilidad mejorada porque los coeficientes de temperatura en la placa de circuito de silicio y los dados de silicio desnudos coinciden. Así que puedes usar este patrón de circuito para HPC sin preocuparte por fallos del sistema.

Otra ventaja de usar un sistema basado en SiCB es sus pocas piezas. Por lo tanto, puedes repararlo o retrabajarlo rápidamente comparado con el sistema basado en FR4.

Eslabones de la Cadena de Suministro

Sin duda, el diseño SiCB, retrabajo, prueba, partes y fabricación tienen eslabones de cadena de suministro disponibles. Pero la cadena no es funcional porque no están conectados. Pero estos eslabones se unirán a medida que la tecnología avance.

Cómo Diseñar y Construir un SiCB

Aquí están los pasos que necesitas para construir una placa de circuito de silicio:

Paso 1 – Comenzar con el Diseño

Para comenzar el diseño SiCB, puedes optar por una herramienta de layout IC o una herramienta de layout PCB. Además, es vital notar que ninguna de estas herramientas es apropiada, pero funcionarán perfectamente.

¿Cómo? Las herramientas PCB son ideales para enrutamiento, no para dimensiones por debajo de un micrón.

Y no producen archivos de salida IC (GDSII).

Por otro lado, las herramientas de diseño IC se centran más en el área. Pero carece tanto de facilidad de uso como de rendimiento de enrutamiento.

Paso 2 – Obtener las Partes Probadas

Puedes obtener rápidamente hojas de datos de dados desnudos de fábricas o en línea. Pero es vital asegurar que las partes pasen por pruebas completas en forma de dado.

Paso 3 – Construir el SiCB

Puedes construir los SiCBs con tecnología de fabricación de IC semiconductores. Pero el problema es que las fundiciones pueden tener limitaciones de retícula. Y puedes terminar con solo SiCBs pequeños o interpositores de silicio.

Así que, si quieres una placa de circuito de silicio grande, opta por el stitching de retícula. Alternativamente, puedes considerar fabs más antiguos porque completan el enmascaramiento de obleas de silicio.

Si estás fabricando un interpositor, puedes hacer metalización de espesor de cobre que sea de aproximadamente 2 micrones de espesor. Sin embargo, este proceso no es ideal para SiCBs porque su tamaño mínimo apropiado es de aproximadamente 5 micrones.

Además, puedes agregar diferentes materiales de sustrato como vidrio, orgánicos y sustratos cerámicos.

Paso 4 – Ensamblar la Placa de Circuito

Ensambla los SiCBs usando casas de ensamblaje PCB de alta gama.

Al hacerlo, necesitarás una máquina pick-and-place automatizada con excelente control ESD.

Luego, sigue las reglas de diseño de montaje superficial para el ensamblaje de partes y trabaja con pasos de pad de aproximadamente 30 a 40.

Además, ya que hay una temperatura similar entre el SiCB y el die, no necesitas underfill de die desnudo. Debido a la disminución del estrés mecánico/térmico.

Paso 5 – Probar y Retrabajar

En este paso, puedes probar tus SiCBs ensamblados combinando fixtures de prueba de sondeo de oblea, auto-prueba, paquete modificado y prueba de sonda voladora. Además, si necesitas reemplazar componentes, usa métodos de retrabajo PCB.

Conclusión

Las placas de circuito de silicio son similares a los PCB estándar pero con un sustrato de silicio. Además, permiten un paso de pad de aproximadamente 30 a 40 micrones.

Además, este dispositivo viene con componentes previstos como el dado 3D apilado y dado desnudo. Y puedes fabricarlos con procesamiento específico basado en la fundición. Además, debido a las características únicas de este dispositivo, puede calificar para un diseño HPC. ¿Planeas construir un PCB de silicio? ¿O quieres obtener el mejor para tu proyecto? Por favor, siéntete libre de contactarnos.