Placas de Circuito de Silício: Vantagens e Dicas de Design para Eletrônica Confiável

Chip de silício e placa de circuito

Fonte: Wikimedia Commons

Por que você deveria usar uma placa de circuito de silício? Simples, Si, ou silício é um elemento simples com características únicas. Também atua como isolante e conduz eletricidade sob certas condições.

Então, pode alimentar qualquer coisa, desde smartphones, fornos de micro-ondas, até supercomputadores.

Além disso, o silício passa por doping — um processo de modificação das propriedades elétricas. Consequentemente, você pode usar silício para fazer transistores para amplificar sinais elétricos.

Este artigo explica mais sobre a placa, as características, benefícios e mais.

Então, vamos começar!

O que é uma Placa de Circuito de Silício?

SiCBs ou placas de circuito de silício parecem PCBs padrão. Mas a diferença entre ambas as placas é que a primeira usa um substrato de silício enquanto a última usa FR4.

Além disso, você pode criar placas de circuito de silício em qualquer fundição de wafer de silício. Tudo que você precisa fazer é usar o processamento front-end-of-the-line ou back-end-of-the-line — baseado na sua fundição.

Além disso, os tamanhos de SiCBs ficam entre placas de circuito impresso e elementos de circuito integrado. Então, como o PCB tem dimensão de 10 x 10 polegadas, um SiCBs padrão é 2 x 3 polegadas, e CIs são meia polegada em cada lado.

Além disso, você pode mudar o design de um PCB FR4 padrão para um SiCB pequeno (menos de um quarto do tamanho do PCB). Tudo que você precisa fazer é remover os dados do pacote e diminuir os tamanhos dos traços.

Você pode adicionar um design HPC (computação de alto desempenho) ao SiCB? Sim, você pode. Mas você tem que adicionar os seguintes componentes:

• Drivers de clock / oscilador chip-scale-package

Oscilador chip scale

Fonte: Researchgate

• Conectores I/O

Conectores I/O

Fonte: Wikiwand

• Dados de memória (8)

Memory Die

Fonte: Wikipedia Commons

• CPU die

CPU Die

Fonte: Wikipedia

• Dados FPGA grandes (4)

FPGA

Fonte: Wikipedia Commons

• Capacitores de bypass

Capacitor de Bypass

Fonte: Wikimedia Commons

Seu design de circuito deve ter dimensão de 60mm x 70mm e espessura menor que 3mm com estes componentes. Mas você pode adicionar mais milímetros para um dissipador de calor.

Características e Benefícios da Placa de Circuito de Silício

A placa de circuito de silício tem as seguintes características e benefícios:

Sinalização

Devido à distância menor em SiCBs comparado a um PCB padrão, ele tem velocidade de sinalização mais rápida. Então, remover o pacote da placa de circuito ajuda a reduzir sua capacitância e indutância parasita.

Além disso, estas placas de circuito apresentam fios relativamente pequenos de cerca de 2 x 8 mícrons.

Portanto, eles podem ser resistivos, perfeitos para um ambiente de sinalização. Consequentemente, você pode não precisar terminar linhas de transmissão, diminuindo energia radiada e EMI.

Além disso, você pode fazer sinalização de alta velocidade via TSV. Mas certifique-se de que não exceda 100 mícrons porque pode custar muita integridade de sinal.

Baixo Consumo de Energia

Se você comparar o PCB padrão ao SiCB, notará que este último tem necessidades de resfriamento reduzidas. E isso porque há uma redução significativa nos requisitos de potência I/O.

Curiosamente, você pode ver uma placa de circuito com potência I/O menor que 10% da potência I/O da parte encapsulada. Além disso, você pode notar mais redução na potência I/O se projetar um I/O personalizado para as conexões elétricas do SiCB.

Confiabilidade

Este dispositivo tem confiabilidade aprimorada porque os coeficientes de temperatura na placa de circuito de silício e dados de silício nus combinam. Então, você pode usar este padrão de circuito para HPC sem se preocupar com falha do sistema.

Outra vantagem de usar um sistema baseado em SiCB é suas poucas peças. Portanto, você pode reparar ou retrabalhar rapidamente comparado ao sistema baseado em FR4.

Elos da Cadeia de Suprimentos

Sem dúvida, o design SiCB, retrabalho, teste, peças e fabricação têm elos de cadeia de suprimentos disponíveis. Mas a cadeia não é funcional porque não estão conectados. Mas esses elos se juntarão à medida que a tecnologia avança.

Como Projetar e Construir um SiCB

Aqui estão os passos que você precisa para construir uma placa de circuito de silício:

Passo 1 – Comece com o Design

Para iniciar o design SiCB, você pode optar por uma ferramenta de layout de CI ou uma ferramenta de layout de PCB. Além disso, é vital notar que nenhuma dessas ferramentas é apropriada, mas funcionarão perfeitamente.

Como? Ferramentas de PCB são ideais para roteamento, não dimensões abaixo de um mícron.

E eles não produzem arquivos de saída de CI (GDSII).

Por outro lado, ferramentas de design de CI focam mais na área. Mas falta facilidade de uso e desempenho de roteamento.

Passo 2 – Obter as Peças Testadas

Você pode obter rapidamente datasheets de dados nus de fábricas ou online. Mas é vital garantir que as peças passem por testes completos na forma de die.

Passo 3 – Construir o SiCB

Você pode construir os SiCBs com tecnologia de fabricação de CI semicondutor. Mas o problema é que as fundições podem ter limitações de retículo. E você pode acabar com apenas SiCBs pequenos ou interpositores de silício.

Então, se você quiser uma placa de circuito de silício gigante, opte por costura de retículo (reticle stitching). Alternativamente, você pode considerar fabs mais antigas porque completam mascaramento de wafer de silício.

Se você estiver fabricando um interposer, pode fazer metalização de espessura de cobre que é cerca de 2 mícrons de espessura. No entanto, este processo não é ideal para SiCBs porque seu tamanho mínimo apropriado é aproximadamente 5 mícrons.

Além disso, você pode adicionar diferentes materiais de substrato como vidro, orgânicos e substratos cerâmicos.

Passo 4 – Montar a Placa de Circuito

Monte os SiCBs usando casas de montagem de PCB de alta qualidade.

Ao fazer isso, você precisará de uma máquina automatizada pick-and-place com excelente controle ESD.

Então, siga as regras de design de montagem superficial para a montagem das peças e trabalhe com pitches de pad de cerca de 30 a 40.

Além disso, como há temperatura similar entre o SiCB e o die, você não precisa de underfill de die nu. Por causa do estresse mecânico/térmico diminuído.

Passo 5 – Testar e Retrabalhar

Neste passo, você pode testar seus SiCBs montados combinando fixtures de teste de wafer probing, auto-teste, pacote modificado e teste de flying probe. Além disso, se você precisar substituir componentes, use métodos de retrabalho de PCB.

Conclusão

Placas de circuito de silício são similares aos PCBs padrão mas com substrato de silício. Além disso, permitem um pitch de pad de cerca de 30 a 40 mícrons.

Também, este dispositivo vem com componentes pretendidos como die 3D empilhado e die nu. E você pode fabricá-los com processamento específico baseado na fundição. Além disso, devido às características únicas deste dispositivo, ele pode servir para um design HPC. Você planeja construir um PCB de silício? Ou quer obter o melhor para seu projeto? Por favor, sinta-se à vontade para nos contatar.