Chiplet

Ein Chiplet ist eine diskrete integrierte Schaltung (Die), die als eine Komponente innerhalb eines Multi-Chip-Moduls funktioniert. Anstatt einen einzelnen monolithischen Chip herzustellen, verteilen Hersteller die Funktionalität auf zwei oder mehr kleinere Chiplets, die auf einem gemeinsamen Substrat oder Interposer montiert sind. Jeder Chiplet übernimmt ein spezifisches Subsystem, ob das Verarbeitung, Speicher, Analog-Wandlung oder Stromversorgungsmanagement ist. Chiplets werden mit Lötkugeln, Drahtbonden oder direkten Chiplet-zu-Chiplet-Verbindungstechnologien auf dem Substrat befestigt.

In Stromerzeugungs- und Stromverteilungsanlagen ermöglichen Chiplets das modulare Design von Steuerelektronik. Ein einzelnes Modul könnte einen Prozessor-Chiplet, einen Gate-Treiber-Chiplet, einen Analog-Sensor-Interface-Chiplet und isolierte Kommunikations-Chiplets enthalten, die alle über hochfrequente Verbindungen auf dem Interposer miteinander kommunizieren. Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, Chiplets aus verschiedenen Fertigungsprozessen in einem Modul zu kombinieren, wobei ältere Technologien für analoge Schaltungen und neuere für digitale Logik verwendet werden, ohne alles zusammen neu zu entwickeln.

Der wirtschaftliche Vorteil liegt in der Ausbeute und den Kosten pro Funktionseinheit. Ein großer monolithischer Chip riskiert einen Totalverlust, wenn während der Fertigung ein einzelner Fehler auftritt. Kleinere Chiplets haben einzeln höhere Ausbeuten, und ein Fehler in einem Chiplet verschwendet nicht die anderen. Für elektronische Komponenten in hohen Stückzahlen mit Utility-Grade bedeutet das niedrigere Verschrottungsquoten und schnellere Anlaufzeiten. Chiplets ermöglichen es Herstellern auch, bewährte Designs wiederzuverwenden und über Produktfamilien hinweg einzusetzen.

Herausforderungen bei der Chiplet-Integration

Der Hauptkompromiss liegt in der Komplexität der Verbindungen und des Testens. Chiplets müssen über das Interposer-Substrat miteinander kommunizieren, und die Signalintegrität an diesen Schnittstellen erfordert sorgfältige Impedanzabstimmung und Wärmemanagement. Substratdicke, Routingdichte und die Art der Chiplet-zu-Substrat-Verbindung (Mikro-Lötkugeln, Through-Silicon-Vias, falls verwendet, oder Standard-Lötkugeln) beeinflussen alle die Leistung. Das Testen wird aufwendiger, weil jeder Chiplet einzeln getestet werden muss und anschließend noch einmal als Teil des zusammengebauten Moduls.

Der Begriff Chiplet wurde gebräuchlich, als fortschrittliches Packaging für hochzuverlässige Anwendungen kosteneffektiv wurde. In Stromwandler im Utility-Scale verwenden Wechselrichter und Solid-State-Transformatoren zunehmend Chiplet-basierte Module, weil das modulare Design thermische Belastung aufnimmt, die Qualifizierung vereinfacht und inkrementelle Technologie-Updates ermöglicht. Das Interposer-Substrat selbst kann organisch, keramisch oder Silizium sein, je nach den thermischen und elektrischen Anforderungen der Anwendung sowie der Betriebsspannung und Frequenz des Moduls.