硅电路板：可靠电子设计的优势与技巧

硅芯片与电路板

来源：Wikimedia Commons

为什么要使用硅电路板？简单来说，Si（硅）是一种具有独特特性的简单元素。它既可作为绝缘体，也可在特定条件下导电。

因此，它可以为智能手机、微波炉到超级计算机等任何设备供电。

此外，硅经过掺杂——一种修改电气性能的工艺。因此，您可以利用硅制造晶体管以放大电信号。

本文将进一步解释该板卡的特性、优势等。

让我们开始吧！

什么是硅电路板？

SiCB（硅电路板）外观类似标准 PCB。但两者的区别在于前者使用硅基板，而后者使用 FR4。

此外，您可以在任何硅晶圆厂制造硅电路板。您只需根据晶圆厂使用前道（FEOL）或后道（BEOL）工艺即可。

此外，SiCB 的尺寸介于印刷电路板和集成电路元件之间。标准 PCB 尺寸为 10×10 英寸，标准 SiCB 为 2×3 英寸，而 IC 则为每边半英寸。

另外，您只需移除封装的裸芯片并减小走线尺寸，即可将标准 FR4 PCB 设计转换为小尺寸 SiCB（小于 PCB 的四分之一）。

您可以向 SiCB 添加 HPC（高性能计算）设计吗？可以。但您必须添加以下组件：

• 时钟驱动器/芯片级封装振荡器

芯片级封装振荡器

来源：Researchgate

• I/O 连接器

I/O 连接器

来源：Wikiwand

• 存储裸芯片 (8)

存储裸芯片

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• CPU 裸芯片

CPU 裸芯片

来源：Wikipedia

• 大型 FPGA 裸芯片 (4)

FPGA

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• 旁路电容

旁路电容

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您的电路设计应具有 60mm × 70mm 的尺寸和小于 3mm 的厚度。但您可以为散热器额外增加几毫米。

硅电路板的特性与优势

硅电路板具有以下特性和优势：

信令

由于 SiCB 上的距离比标准 PCB 更短，其信令速度更快。因此，移除电路板的封装有助于降低其寄生电容和电感。

此外，这些电路板具有相对较小的导线，约为 2×8 微米。

因此，它们可以是电阻性的，非常适合信令环境。因此，您可能不需要终端传输线，从而减少辐射能量和 EMI。

此外，您可以通过 TSV 进行高速信令。但请确保不超过 100 微米，否则可能损失大量信号完整性。

低功耗

如果将标准 PCB 与 SiCB 相比，您会注意到后者的冷却需求减少。这是因为 I/O 功耗需求显著降低。

有趣的是，您可能看到 I/O 功耗低于封装部分 I/O 功耗的 10%。此外，如果您为 SiCB 电气连接设计定制 I/O，I/O 功耗可能进一步降低。

可靠性

该器件具有增强的可靠性，因为硅电路板和裸硅芯片的温度系数匹配。因此，您可以将此电路模式用于 HPC，无需担心系统故障。

使用基于 SiCB 系统的另一个优势是其零部件少。因此，与基于 FR4 的系统相比，您可以更快地进行维修或返工。

供应链环节

毫无疑问，SiCB 的设计、返工、测试、零部件和制造都有可用的供应链环节。但该链条不可行，因为它们未连接。但随着技术进步，这些环节将会连接。

如何设计和构建 SiCB

以下是构建硅电路板所需的步骤：

步骤 1 – 从设计开始

开始 SiCB 设计时，您可以选择 IC 布局工具或 PCB 布局工具。此外，重要的是要注意，这两种工具都不完美，但都能完美工作。

原因？PCB 工具适合布线，但不适合微米以下尺寸。且它们不生成 IC 输出文件 (GDSII)。

另一方面，IC 设计工具更关注面积。但缺乏易用性和布线性能。

步骤 2 – 获取测试过的零件

您可以从工厂或在线快速获取裸芯片数据手册。但必须确保零件在裸芯片形式下经过完整测试。

步骤 3 – 构建 SiCB

您可以使用半导体 IC 制造技术构建 SiCB。但问题在于晶圆厂可能有掩膜版限制。您可能只能得到小尺寸 SiCB 或硅中介层。

因此，如果您需要大尺寸硅电路板，可选择掩膜版拼接。或者，您可以考虑老旧晶圆厂，因为它们能完成硅晶圆掩膜。

如果您制造中介层，可以进行约 2 微米厚的铜厚金属化。然而，此工艺不适合 SiCB，因为其最小合适尺寸约为 5 微米。

此外，您可以添加不同的基板材料，如玻璃、有机材料和陶瓷基板。

步骤 4 – 组装电路板

使用高端 PCB 组装厂组装 SiCB。

这样做，您需要具有优异 ESD 控制的自动拾放机。然后，遵循表面贴装设计规则进行零件组装，焊盘间距约为 30 至 40 微米。

此外，由于 SiCB 和裸芯片温度相似，您不需要裸芯片底部填充。因为机械应力/热应力减小。

步骤 5 – 测试与返工

在此步骤中，您可以通过结合晶圆探针测试夹具、自测试、改良封装和飞针测试来测试组装好的 SiCB。此外，如果需要更换组件，可使用 PCB 返工方法。

总结

硅电路板类似于标准 PCB，但采用硅基板。此外，它们允许约 30 至 40 微米的焊盘间距。

此外，该器件带有预期组件，如堆叠 3D 裸芯片和裸芯片。您可以根据晶圆厂进行特定工艺制造。此外，由于该器件的独特特性，它可用于 HPC 设计。您计划构建硅 PCB 吗？或者想为您的项目获取最佳方案？请随时联系我们。