실리콘 회로 기판: 신뢰성 높은 전자제품을 위한 장점과 설계 팁

실리콘 칩과 회로 기판

출처: Wikimedia Commons

왜 실리콘 회로 기판을 사용해야 할까요? 간단합니다. Si(실리콘)는 독특한 특성을 가진 단순한 원소입니다. 또한 특정 조건에서 절연체 역할을 하고 전기를 전도하기도 합니다.

따라서 스마트폰, 전자레인지부터 슈퍼컴퓨터까지 모든 것을 구동할 수 있습니다.

또한 실리콘은 도핑(doping) 과정을 거칩니다. 이는 전기적 특성을 수정하는 과정입니다. 결과적으로 실리콘을 사용하여 전기 신호를 증폭하는 트랜지스터를 만들 수 있습니다.

이 글에서는 보드, 특징, 이점 등에 대해 더 자세히 설명합니다.

시작해 보겠습니다!

실리콘 회로 기판이란?

SiCB(실리콘 회로 기판)는 표준 PCB와 비슷해 보입니다. 하지만 두 보드의 차이점은 전자가 실리콘 기판을 사용하는 반면 후자는 FR4를 사용한다는 것입니다.

또한 실리콘 회로 기판은 모든 실리콘 웨이퍼 파운드리에서 만들 수 있습니다. 파운드리에 따라 프론트엔드(Front-end-of-the-line) 또는 백엔드(Back-end-of-the-line) 공정을 사용하면 됩니다.

또한 SiCB의 크기는 인쇄 회로 기판과 집적 회로 소자 사이에 있습니다. PCB가 10×10인치 크기라면 표준 SiCB는 2×3인치, IC는 각 면이 0.5인치입니다.

또한 표준 FR4 PCB의 설계를 작은 SiCB(PCB 크기의 1/4 미만)로 변경할 수 있습니다. 패키지의 다이를 제거하고 트레이스 크기를 줄이면 됩니다.

SiCB에 HPC(고성능 컴퓨팅) 설계를 추가할 수 있나요? 네, 가능합니다. 하지만 다음 구성 요소를 추가해야 합니다:

• 클록 드라이버 / 칩 스케일 패키지 발진기

칩 스케일 발진기

출처: Researchgate

• I/O 커넥터

I/O 커넥터

출처: Wikiwand

• 메모리 다이 (8개)

메모리 다이

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• CPU 다이

CPU 다이

출처: Wikipedia

• 대형 FPGA 다이 (4개)

FPGA

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• 바이패스 커패시터

바이패스 커패시터

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이 구성 요소들로 회로 설계는 60mm × 70mm 치수와 3mm 미만의 두께를 가져야 합니다. 하지만 방열판을 위해 몇 mm 더 추가할 수 있습니다.

실리콘 회로 기판의 특징과 이점

실리콘 회로 기판은 다음과 같은 특징과 이점을 가집니다:

신호 전달(Signaling)

표준 PCB에 비해 SiCB에서 거리가 더 짧기 때문에 더 빠른 신호 전달 속도를 가집니다. 회로 기판의 패키지를 제거하면 정전기 용량과 기생 인덕턴스를 줄일 수 있습니다.

또한 이 회로 기판은 약 2×8미크론의 비교적 작은 와이어를 특징으로 합니다.

따라서 신호 환경에 대해 저항적일 수 있습니다. 결과적으로 전송 라인을 종단할 필요가 없어 복사 에너지와 EMI를 감소시킵니다.

또한 TSV(Through-Silicon Via)를 통해 고속 신호 전달을 할 수 있습니다. 하지만 100미크론을 초과하지 않도록 해야 합니다. 신호 무결성이 크게 저하될 수 있기 때문입니다.

저전력(Low Power)

표준 PCB와 SiCB를 비교하면 후자가 냉각 요구 사항이 감소했음을 알 수 있습니다. I/O 전력 요구 사항이 크게 감소했기 때문입니다.

흥미롭게도 패키지 부품 I/O 전력의 10% 미만인 I/O 전력을 가진 회로 기판을 볼 수 있습니다. 또한 SiCB 전기 연결을 위한 맞춤형 I/O를 설계하면 I/O 전력이 더 감소하는 것을 볼 수 있습니다.

신뢰성(Reliability)

이 장치는 실리콘 회로 기판과 베어 실리콘 다이의 온도 계수가 일치하기 때문에 향상된 신뢰성을 가집니다. 따라서 시스템 고장 걱정 없이 이 회로 패턴을 HPC에 사용할 수 있습니다.

SiCB 기반 시스템의 또 다른 장점은 부품이 적다는 것입니다. 따라서 FR4 기반 시스템에 비해 수리나 재작업을 빠르게 할 수 있습니다.

공급망 연결(Links Of Supply Chain)

의심할 여지 없이 SiCB 설계, 재작업, 테스트, 부품, 제조에는 사용 가능한 공급망 연결이 있습니다. 하지만 이들은 연결되어 있지 않아 체인이 작동하지 않습니다. 그러나 기술이 발전함에 따라 이러한 링크가 연결될 것입니다.

SiCB 설계 및 제작 방법

실리콘 회로 기판을 제작하는 데 필요한 단계는 다음과 같습니다:

1단계 – 설계로 시작

SiCB 설계를 시작하려면 IC 레이아웃 도구 또는 PCB 레이아웃 도구 중 하나를 선택할 수 있습니다. 또한 이 도구들 중 어느 것도 완벽하지는 않지만 완벽하게 작동합니다.

어떻게? PCB 도구는 라우팅에 이상적이지만 미크론 이하 치수에는 적합하지 않습니다.

또한 IC 출력 파일(GDSII)을 생성하지 않습니다.

반면 IC 설계 도구는 면적에 더 중점을 둡니다. 하지만 사용 편의성과 라우팅 성능이 부족합니다.

2단계 – 테스트된 부품 확보

공장이나 온라인에서 베어 다이 데이터시트를 쉽게 구할 수 있습니다. 하지만 부품이 다이 형태로 완전 테스트되었는지 확인하는 것이 중요합니다.

3단계 – SiCB 제작

반도체 IC 제조 기술로 SiCB를 제작할 수 있습니다. 하지만 문제는 파운드리가 레티클 제한을 가질 수 있다는 것입니다. 결국 작은 SiCB나 실리콘 인터포저만 얻게 될 수 있습니다.

큰 실리콘 회로 기판을 원한다면 레티클 스티칭(Reticle stitching)을 선택하세요. 또는 실리콘 웨이퍼 마스킹을 완료하는 구형 팹을 고려할 수도 있습니다.

인터포저를 제작하는 경우 약 2미크론 두께의 구리 두께 금속화를 할 수 있습니다. 하지만 이 공정은 SiCB에 이상적이지 않습니다. 최소 적정 크기가 약 5미크론이기 때문입니다.

또한 유리, 유기물, 세라믹 기판 등 다양한 기판 소재를 추가할 수 있습니다.

4단계 – 회로 기판 조립

고급 PCB 조립 업체를 사용하여 SiCB를 조립하세요.

그렇게 하면 우수한 ESD 제어 기능을 가진 자동화된 픽앤플레이스 머신이 필요합니다.

그런 다음 부품 조립을 위해 표면 실장 설계 규칙을 따르고 약 30~40미크론의 패드 피치로 작업하세요.

또한 SiCB와 다이 사이에 유사한 온도가 있으므로 베어 다이 언더필이 필요하지 않습니다. 기계적/열적 스트레스가 감소했기 때문입니다.

5단계 – 테스트 및 재작업

이 단계에서는 웨이퍼 프로빙 테스트 픽스처, 자체 테스트, 수정된 패키지, 플라잉 프로브 테스트를 결합하여 조립된 SiCB를 테스트할 수 있습니다. 또한 부품 교체가 필요하면 PCB 재작업 방법을 사용하세요.

마무리

실리콘 회로 기판은 표준 PCB와 유사하지만 실리콘 기판을 사용합니다. 또한 약 30~40미크론의 패드 피치를 허용합니다.

또한 이 장치에는 스택 3D 다이와 베어 다이 같은 의도된 구성 요소가 함께 제공됩니다. 파운드리에 따라 특정 공정으로 만들 수 있습니다. 또한 이 장치의 독특한 특징 덕분에 HPC 설계로도 통과할 수 있습니다. 실리콘 PCB 제작을 계획 중이신가요? 아니면 프로젝트에 가장 적합한 것을 원하시나요? 언제든 문의해 주세요.