Substrát ABF: Materiály, výrobní proces, aplikace a integrace desek plošných spojů

Pro inženýry, kteří hodnotí pokročilé výpočetní techniky, sítě, umělou inteligenci, akcelerátory, procesory nebo jiné aplikace s vysokým počtem I/O, je nezbytné porozumět vztahu mezi dielektrickými materiály ABF, substráty integrovaných obvodů, propojením pouzder, strukturami HDI a deskami plošných spojů na systémové úrovni.

Co je substrát ABF?

ABF je zkratka pro Ajinomoto Build-up Film , což je technologie dielektrické fólie vyvinutá pro aplikace v oblasti pouzder polovodičů s vysokou hustotou.

Substrát ABF se obvykle skládá z jádrové struktury kombinované s několika nanesenými dielektrickými a měděnými propojovacími vrstvami. V těchto nanesených vrstvách jsou vytvořeny jemné měděné stopy a mikroprůchodky, které vytvářejí husté vedení mezi polovodičovým pouzdrem a externí deskou plošných spojů.

Tato konstrukce se zásadně liší od běžné vícevrstvé desky plošných spojů.

Tradiční deska plošných spojů (PCB) je obvykle optimalizována z hlediska mechanické robustnosti, vyrobitelnosti, elektrického výkonu, tepelných požadavků a nákladů na úrovni základní desky. Substrát pouzdra ABF musí naproti tomu pojmout extrémně husté propojení bezprostředně sousedící s polovodičovým zařízením.

Substrát proto funguje jako elektrický a mechanický most mezi dvěma velmi odlišnými prostředími:

Tato mezilehlá role je důvodem, proč je technologie ABF úzce spjata s technologií substrátů integrovaných obvodů (IC) spíše než s běžnou výrobou desek plošných spojů (PCB).

Proč se ABF používá pro pokročilé pouzdra integrovaných obvodů?

Hlavním důvodem, proč je ABF důležitá, je to, že pokročilá polovodičová pouzdra vyžadují hustotu propojení, kterou konvenční technologie PCB nemohou efektivně zajistit.

Moderní procesory, grafické procesory (GPU), akcelerátory umělé inteligence, síťová zařízení a další polovodičové pouzdra s vysokým počtem I/O mohou obsahovat velmi velké množství elektrických spojení v relativně malé ploše pouzdra.

Substrát balení proto musí poskytovat:

• Jemné měděné vedení
• Vysoká hustota propojení
• Více vrstev nástavby
• Laserově tvarované mikrootvory
• Řízená dielektrická tloušťka
• Stabilní elektrické vlastnosti
• Spolehlivá rozhraní mezi mědí a dielektrikem
• Řízené rozměrové chování
• Kompatibilita s procesy balení polovodičů

Nástavbové struktury ABF umožňují zvýšit hustotu trasování vertikálně i horizontálně.

Místo snahy vést každé spojení konvenční silnou strukturou desky plošných spojů mohou inženýři kolem jádra substrátu vytvořit další dielektrické a měděné vrstvy a k propojení sousedních vrstev použít mikroprůchodky.

Tento přístup umožňuje mnohem větší hustotu směrování v rámci omezené velikosti pouzdra.

Výsledek je obzvláště cenný pro polovodičové součástky, kde se hustota I/O pouzder stala jedním z hlavních omezení celkové architektury systému.

Substrát ABF vs. konvenční deska plošných spojů

Je důležité nepoužívat pojmy ABF PCB a ABF substrát pouzdra zaměnitelně.

Přestože oba používají měděné vodiče a dielektrické materiály, jejich konstrukční cíle a výrobní požadavky se liší.

Konvenční deska plošných spojů může propojit procesor, paměť, napájecí obvody, konektory a další komponenty přes relativně velkou desku.

Substrát pouzdra ABF plní jinou funkci: zajišťuje extrémně husté propojení bezprostředně pod nebo kolem polovodičového pouzdra.

Toto rozlišení také vysvětluje, proč se tyto technologie často objevují společně v pokročilých elektronických systémech.

Jak fungují stavební konstrukce ABF

Zjednodušenou strukturu substrátu ABF lze chápat jako sekvenci dielektrických a měděných vrstev vybudovaných kolem jádra.

Výrobní koncept obecně zahrnuje několik hlavních fází:

Přesný postup procesu se liší v závislosti na architektuře substrátu, možnostech výrobce, konstrukčních pravidlech a požadavcích na pouzdro.

Dielektrické nánosy

Fólie ABF poskytuje izolační vrstvu mezi vodivými měděnými strukturami.

Dielektrikum musí poskytovat požadované elektrické vlastnosti a zároveň podporovat přesnou výrobu a spolehlivé propojení.

Tloušťka a vlastnosti každé dielektrické vrstvy ovlivňují geometrii trasy, formování průchodů, impedanční chování, kapacitu a mechanické vlastnosti.

Laserové mikrootvory

Jedním z určujících rysů pokročilých substrátů pro nanášení je použití laserem tvarovaných mikrootvorů.

Na rozdíl od velkých konvenčních průchozích otvorů mohou mikrootvory spojovat sousední vrstvy a zároveň zabírat podstatně menší plochu.

To umožňuje směrovacím kanálům procházet hustě osídlenými oblastmi balíčků.

Geometrie mikrootvorů, rozměry přistávací plochy, kvalita měděného pokovení a přesnost zarovnání jsou proto pro výtěžnost substrátu zásadní.

Pokud jde o související technologii desek plošných spojů, náš průvodce strukturami desek plošných spojů s vysokou hustotou propojení poskytuje užitečné informace o tom, jak miniaturní vertikální propojení zvyšují hustotu směrování.

Metalizace mědi

Po dielektrickém vytvoření a laserovém vrtání musí být vytvořeny vodivé měděné struktury.

V závislosti na výrobním procesu lze kombinovat procesy tvorby semenné vrstvy, bezproudového mědění, galvanického pokovování a strukturování k vytvoření požadované vodivé geometrie.

U pokročilých rozměrů substrátů se řízení procesu stává stále důležitějším, protože relativně malé odchylky v tloušťce mědi, šířce čar, rozteči nebo registraci mohou ovlivnit elektrický a výrobní výkon.

Výzvy při výrobě substrátů ABF

Výroba substrátů ABF je podstatně náročnější než konvenční výroba vícevrstvých desek plošných spojů.

Problém není způsoben jedním jediným procesem. Je výsledkem interakce extrémně jemných geometrií, několika cyklů navařování, chování materiálu, zpracování mědi, laserového vrtání, registrace, kontroly a řízení výtěžnosti.

Jemné vzorování

S klesající šířkou čar a mezerami se malé odchylky stávají úměrně významnějšími.

Procesní odchylka, která by na konvenční desce plošných spojů byla nevýznamná, se může stát nepřijatelnou, pokud se geometrie vodiče měří v mnohem menším měřítku.

Výrobci proto potřebují přísně kontrolované procesy zobrazování, pokovování, leptání, registrace a kontroly.

Registrace mezi vrstvami

Každá další vrstva nástavby zavádí další požadavek na zarovnání.

Mikroproudítka musí správně dosednout na podkladový měděný prvek a horní vzor vedení musí být také zarovnaný s okolní strukturou.

Chyby registrace se proto mohou hromadit v průběhu celé výrobní sekvence.

Přes spolehlivost

Mikroprůchodky musí udržovat spolehlivé elektrické a mechanické spojení i během následného zpracování a provozu.

Špatná tvorba provazců, nedostatečné nanášení mědi, dutiny, praskliny nebo nadměrné napětí mohou přispívat k problémům se spolehlivostí.

Vztah mezi laserovým vrtáním, odstraňováním nečistot, tvorbou semen, pokovováním a následnými tepelnými cykly musí být proto pečlivě řízen.

Materiálová a rozměrová stabilita

Substráty obalů jsou během výroby, montáže a provozu vystaveny tepelnému a mechanickému namáhání.

Rozdíly v koeficientu tepelné roztažnosti, chování při vlhkosti, dielektrických vlastnostech, rozložení mědi a konstrukci vrstev mohou ovlivnit rozměrovou stabilitu a spolehlivost pouzdra.

Z tohoto důvodu nelze výběr materiálu oddělit od kompletní struktury substrátu.

Technologie substrátu ABF a HDI

Substráty ABF a desky plošných spojů HDI sdílejí několik důležitých výrobních konceptů, ale neměly by být považovány za identické technologie.

Oba mohou použít:

• Vytváření dielektrických vrstev
• Laserové vrtání
• Mikrovias
• Měděná tenká linie
• Sekvenční zpracování
• Směrování s vysokou hustotou

Substrát pouzdra ABF však pracuje na úrovni polovodičového pouzdra, kde mohou být požadavky na hustotu propojení a rozměry podstatně náročnější.

Technologie HDI zůstává na straně základních desek velmi relevantní.

Například špičkový výpočetní systém může obsahovat:

Substrát pouzdra a systémová deska plošných spojů proto musí elektricky i mechanicky spolupracovat.

To je jeden z důvodů, proč pokročilí výrobci desek plošných spojů stále více potřebují odborné znalosti v oblasti struktur s vysokou hustotou, spíše než pouze v oblasti konvenční vícevrstvé výroby.

Sekvenční sestavování je obzvláště důležité při navrhování složitých struktur HDI. Inženýři se o tomto přístupu mohou dozvědět více v našem článku o návrhu vrstev desek plošných spojů HDI.

Elektrické vlastnosti substrátů ABF

Výběr substrátu ABF se netýká jen fyzické hustoty směrování.

Elektrický výkon se stává stále důležitějším, protože rozhraní pouzder podporují vyšší datové rychlosti a větší počet signálů.

Dielektrické vlastnosti

Dielektrická konstanta a disipační charakteristiky dielektrického systému ovlivňují šíření signálu, kapacitu, impedanci a ztráty.

Relevantní vlastnosti musí být vyhodnoceny společně se skutečnou strukturou obalu, nikoli jako izolovaná čísla materiálu.

Integrita signálu

Krátká propojení automaticky neodstraňují problémy s integritou signálu.

Při vysokých datových rychlostech mohou vodivé spoje pouzdra, propojky, přechody, referenční roviny a spojení desek plošných spojů přispívat k:

• Vložený útlum
• Návrat ztráty
• Přeslech
• Reflections
• Šikmo
• Impedanční diskontinuity

Substrát pouzdra proto tvoří součást kompletního vysokorychlostního kanálu.

Jakmile signál opustí substrát pouzdra a vstoupí do desky plošných spojů systému, musí soustava desek plošných spojů a materiálový systém i nadále splňovat elektrické požadavky.

Pro aplikace na systémové úrovni si inženýři mohou prohlédnout naše zdroje týkající se vysokorychlostní výroby desek plošných spojů a vysokorychlostních materiálů pro desky plošných spojů.

Integrita napájení

Pokročilé procesory a akcelerátory mohou také vytvářet náročné požadavky na napájení.

Podklad pouzdra musí pojmout husté napájecí a zemnící připojení a zároveň zachovat přijatelné elektrické a tepelné vlastnosti.

To se stává obzvláště důležitým u vysoce výkonných výpočetních systémů, kde jsou hustota výkonu procesoru, vysokorychlostní rozhraní, šířka pásma paměti a tepelný design úzce propojeny.

Aplikace substrátu ABF

Substráty ABF jsou primárně spojovány s pokročilým pouzdrem polovodičů, kde je vyžadována vysoká hustota propojení.

CPU a GPU

Vysoce výkonné procesory vyžadují velký počet propojení pouzder a husté směrování substrátů.

Substráty pouzder na bázi ABF mohou poskytnout jemnou propojovací strukturu potřebnou mezi polovodičovým pouzdrem a externím systémem.

AI akcelerátory

Hardware pro výpočetní techniku ​​s umělou inteligencí klade značné nároky na I/O operace procesoru, paměťová rozhraní, napájení a vysokorychlostní komunikaci.

S rostoucí složitostí architektur akcelerátorů se hustota propojení na úrovni pouzder stává stále důležitější.

Externí deska plošných spojů (PCB) pak musí poskytovat odpovídající elektrickou, mechanickou, tepelnou a energetickou infrastrukturu kolem pouzdra.

Síťový a datový hardware

Vysokorychlostní přepínací a síťová zařízení mohou vyžadovat husté propojení pouzder spolu s náročným směrováním základních desek.

Substrát pouzdra a deska plošných spojů musí spolupracovat, aby zachovaly integritu signálu v celém kanálu.

ASIC a zakázková výpočetní zařízení

Integrované obvody specifické pro danou aplikaci mohou mít vysoce přizpůsobené požadavky na pouzdro.

Architektura substrátu může vyžadovat přizpůsobení specifickým uspořádáním I/O, napájecím doménám, vysokorychlostním rozhraním a mechanickým omezením.

Architektury založené na chipletech

Architektury čipů kladou dodatečné nároky na propojení pouzder, protože více polovodičových čipů může komunikovat prostřednictvím společné struktury pouzdra.

S vývojem architektur pouzder se substrát stává stále důležitější součástí celkového propojovacího systému.

Substrát ABF a pouzdro BGA

Technologie ABF je úzce spjata s pokročilými strukturami pouzder, včetně pouzder typu BGA s vysokým počtem I/O.

Substrát pouzdra distribuuje signály z polovodičového čipu na externí svorky pouzdra, které se pak mohou připojit k desce plošných spojů systému.

To vytváří několik úrovní propojení:

Přechod mezi těmito úrovněmi musí být pečlivě navržen.

Pro inženýry pracující s rozhraním na úrovni desek plošných spojů je užitečné porozumět substrátům BGA a strukturám pouzder .

Jakmile je pouzdro BGA umístěno na základní desku, důležitá je také geometrie pájeného spoje, návrh kontaktních plošek, tepelný profil, umístění součástek a kontrola.

Návrh desky plošných spojů s využitím pouzdra založeného na ABF

Systémová deska plošných spojů musí být navržena tak, aby doplňovala pouzdro, a nikoli aby s ním bylo zacházeno jako s izolovanou součástí.

Rozdělení a únikové cesty

Balíčky s vysokým počtem I/O mohou vytvářet extrémně husté oblasti únikových směrování.

Návrhář desek plošných spojů může potřebovat kombinovat jemné zapojení BGA, struktury s průchodkami v kontaktní plošce, mikroprůchodky, zapuštěné průchodky a pečlivě plánované přiřazení vrstev.

Cílem není jen osadit všechny konektory na desku. Architektura směrování musí také zachovat vyrobitelnost a elektrický výkon.

Výběr stohu

Skládání desek plošných spojů ovlivňuje:

• Impedance signálu
• Kontinuita referenční roviny
• Distribuce energie
• Přeslech
• Tepelné chování
• Prostřednictvím architektury
• Složitost výroby

U vysokorychlostních procesorů a síťových desek by měl být během vývoje stackupu zvážen přechod z pouzdra na desku plošných spojů.

Napájení

Velké procesory a akcelerátory mohou vyžadovat značné množství proudu přes relativně malé oblasti pouzdra.

Deska plošných spojů proto potřebuje vhodnou strukturu napájecí roviny, rozložení mědi, uspořádání propojení, strategii oddělení a tepelný návrh.

Výrobní tolerance

Vysoce složité rozhraní pouzdra může zvýšit citlivost výroby desek plošných spojů na akumulaci tolerancí.

Rozměry plošek, registrace pájecí masky, umístění propojení, tloušťka mědi, přesnost vrtání a registrace vrstev by měly být porovnány se skutečnou výrobní kapacitou.

Důkladná kontrola návrhu desek plošných spojů pro výrobu může identifikovat problémy s vyrobitelností ještě před zahájením výroby.

Substrát ABF vs. jiné technologie substrátů integrovaných obvodů

ABF není jediný materiál nebo konstrukce používaná pro polovodičové substráty.

Různé typy obalů mohou vyžadovat různé technologie substrátů.

Vhodná volba závisí na faktorech, jako jsou:

• Počet I/O
• Velikost balíčku
• Hustota směrování
• Rychlost signálu
• Tepelné požadavky
• Cílová cena
• Mechanická omezení
• Objem výroby
• Architektura polovodičového pouzdra

ABF je zvláště spojován s pokročilými organickými substráty s vysokou hustotou, ale pro různé třídy obalů mohou být vhodnější jiné přístupy k substrátům.

Proto by výběr substrátu měl začínat architekturou pouzdra a elektrickými požadavky, spíše než pouhým výběrem nejmodernějšího dostupného materiálu.

Aspekty spolehlivosti substrátu ABF

Spolehlivost musí být vyhodnocena v celém pouzdře a systému desky.

Termální cyklistika

Opakované změny teploty způsobují mechanické namáhání, protože různé materiály se roztahují a smršťují různou rychlostí.

Substrát pouzdra, polovodičové pouzdro, pájené spoje a deska plošných spojů je proto třeba hodnotit jako kombinovanou strukturu.

Vlhkosti

Organické dielektrické materiály mohou interagovat s vlhkostí, což může ovlivnit chování při zpracování a spolehlivost.

Podmínky manipulace s vlhkostí a skladování je proto třeba kontrolovat podle požadavků na materiál a proces balení.

Spolehlivost Microvia

Mikroprocesorové struktury musí zůstat elektricky a mechanicky spolehlivé během výroby a provozu, a to jak při tepelných cyklech.

Kvalita mědi, její geometrie, pokovování, dielektrická rozhraní a tepelné namáhání, to vše přispívá k výkonu.

Spolehlivost mezi pouzdrem a deskou plošných spojů

I když samotný substrát ABF funguje správně, může v celé sestavě docházet k poruchám na rozhraní mezi pouzdrem a deskou plošných spojů.

Pájené spoje BGA, deformace desek plošných spojů, tepelný nesoulad, profil sestavy a mechanické zatížení – to vše může ovlivnit spolehlivost v provozu.

Pro aplikace BGA si inženýři mohou také prohlédnout naše informace o osazování desek plošných spojů BGA a souvisejících aspektech kontroly a pájení.

Jak vyhodnotit projekt substrátu ABF

Při hodnocení projektu souvisejícího s ABF je užitečné rozdělit požadavky do čtyř úrovní.

1. Požadavky na polovodičové pouzdro

• Velikost matrice
• Počet I/O
• Rozměry balení
• Rozteč I/O
• požadavky na napájení
• Požadavky na vysokorychlostní rozhraní
• Architektura balíčku

2. Požadavky na substrát

• Konstrukce jádra
• Počet vrstev nátěru
• Dielektrický systém
• Minimální řádek/mezera
• Rozměry mikrootvorů
• Rozměry podložky
• Tloušťka mědi
• povrchová úprava
• Registrační požadavky
• Požadavky na deformaci

3. Požadavky na systémovou desku plošných spojů

• Počet vrstev PCB
• Skládání
• Materiálový systém
• Řízená impedance
• Strategie úniku z BGA
• Průchozí struktura
• Váha mědi
• Tepelné požadavky
• Distribuce energie
• povrchová úprava

4. Požadavky na montáž

• Specifikace BGA komponent
• Pájecí pasta
• Návrh šablony
• Profil přetavení
• Požadavky na oblast zájmu
• Rentgenová kontrola
• Elektrické testování
• Požadavky na přepracování
• Návaznost

Oddělení těchto čtyř úrovní usnadňuje identifikaci původu problému.

Problém na úrovni pouzdra by neměl být automaticky považován za problém s výrobou desek plošných spojů a omezení směrování na úrovni desek plošných spojů by nemělo být automaticky přičítáno substrátu ABF.

Substrát ABF v řetězci výroby pokročilé elektroniky

Technologie ABF ilustruje, jak se pouzdra polovodičů a výroba desek plošných spojů stále více propojují.

Moderní vysoce výkonná výpočetní platforma může zahrnovat několik výrobních technologií:

Každá fáze má jiné technické požadavky, ale elektrická a mechanická rozhraní mezi nimi musí zůstat kompatibilní.

Pro výrobce desek plošných spojů to znamená, že pochopení pouzder polovodičů je stále cennější, a to i v případě, že skutečná odpovědnost za výrobu je zaměřena na desku na systémové úrovni.

Deska plošných spojů (PCB) již není jen pasivní platformou kolem procesoru. Tvoří součást kompletní elektrické, tepelné a mechanické architektury.

Proč je DFM důležitý pro projekty desek plošných spojů související s ABF

Pouzdra založená na ABF mohou vytvářet extrémně hustá rozhraní PCB.

Snaha řešit tato rozhraní až po dokončení rozvržení desky plošných spojů může vést k zbytečným úpravám.

Kontrola DFM by ideálně měla začít před uvolněním výroby.

Cílem je zachovat zamýšlený elektrický návrh a zároveň zajistit, aby bylo možné fyzickou desku vyrábět konzistentně.

To je obzvláště důležité, když návrh kombinuje pokročilé balíčky se strukturami HDI, protože teoreticky směrovatelný návrh může být v produkčním měřítku stále nepraktický.

Od ABF balíčku po hotovou desku plošných spojů (PCBA)

Samotný substrát ABF je pouze jednou částí kompletního produktu.

Jakmile je pokročilé pouzdro připojeno k desce plošných spojů systému, výrobní proces pokračuje osazováním součástek, pájením, kontrolou, testováním a potenciálně integrací na úrovni systému. Na úrovni desky plošných spojů zůstává montáž HDI na rozhraní základní desky odděleným výrobním úkolem od výroby substrátu pouzdra.

Zdatný výrobní partner by proto měl rozumět vztahu mezi holou deskou plošných spojů a finální sestavou.

U projektů vyžadujících jak výrobu desek plošných spojů, tak i montáž součástek mohou služby montáže desek plošných spojů pomoci propojit fáze výroby a montáže v rámci koordinovaného výrobního procesu.

To se stává obzvláště cenným u desek s procesory s vysokou hustotou, kde nelze specifikace výroby desek plošných spojů a parametry montáže posuzovat nezávisle na sobě.

Substrát ABF: Klíčové poznatky

Technologie substrátů ABF zaujímá důležité místo mezi pouzdrem polovodičů a výrobou desek plošných spojů na systémové úrovni.

Nejdůležitější body jsou:

• ABF znamená Ajinomoto Build-up Film, technologie organického dielektrika hojně používaná v pokročilých substrátech pro pouzdra.
• An Substrát pouzdra ABF není jen konvenční deska plošných spojů vyrobená z jiného laminátu.
• Jeho primárním účelem je zajistit velmi husté elektrické propojení mezi polovodičovým pouzdrem a externím systémem.
• Základem této technologie jsou nanášené vrstvy, laserové mikrootvory, jemné měděné vedení a přesná registrace.
• Substráty ABF jsou silně spojeny s polovodičovými aplikacemi s vysokým počtem I/O, jako jsou procesory, akcelerátory, ASIC a pokročilá síťová zařízení.
• Substrát pouzdra a systémová deska plošných spojů musí být posuzovány společně z hlediska integrity signálu, napájení, tepelného chování a spolehlivosti.
• Technologie desek plošných spojů s vysokou hustotou, jako je HDI, se stávají obzvláště důležitými na rozhraní mezi pouzdrem a deskou.
• Proveditelnost výroby by měla být posouzena včas, protože jemné geometrie a těsné tolerance mohou významně ovlivnit výtěžnost a náklady.
• Konečný produkt závisí nejen na kvalitě substrátu, ale také na výrobě, montáži, kontrole a testování desek plošných spojů.

Často kladené otázky o substrátech ABF