Trendy v balení polovodičů: Od tradičních desek plošných spojů k vestavěným substrátům

Úvod

Balení polovodičů prochází zásadní transformací, neboť desky plošných spojů s vestavěnými substráty překlenují mezeru mezi tradičními deskami plošných spojů a pokročilým pouzdrem integrovaných obvodů. Vzhledem k tomu, že se Moorův zákon blíží fyzikálním limitům, průmysl přesunul pozornost od zmenšování rozměrů tranzistorů k inovativním architekturám pouzder. Technologie vestavěných substrátů představuje kritický inflexní bod, kde se konvenční výrobní možnosti desek plošných spojů sbližují s požadavky na přesnost polovodičové úrovně.

Tento vývoj je poháněn požadavky heterogenní integrace, kde více čipů – logika, paměť a specializované procesory – musí komunikovat s minimální latencí a maximální efektivitou. Pochopení tohoto technologického posunu je zásadní pro výrobce elektroniky a konstruktéry, kteří se připravují na aplikace nové generace v oblasti umělé inteligence, automobilového průmyslu a vysoce výkonných výpočtů.

Vývoj od desek plošných spojů k pokročilému substrátu pro balení

Od diskrétní k integrované architektuře

Tradiční desky plošných spojů sloužily jako pasivní propojovací platformy, které směrovaly signály mezi zabalenými čipy namontovanými na jejich povrchu. Tento diskrétní přístup oddělil proces balení čipů od osazování desky, což vytvořilo inherentní omezení v integritě signálu a tvarovém faktoru. Přechod na technologii zabudovaných substrátových desek plošných spojů zásadně mění toto paradigma integrací čipů přímo do vrstev substrátu, eliminací ztrát rozhraní a umožněním kompaktních trojrozměrných architektur.

Vývoj materiálů v zabudovaných substrátech desek plošných spojů

Přechod od laminátu FR-4 k pokročilým pryskyřičným systémům představuje zásadní prvek pro aplikace se zabudovanými substráty. Konvenční FR-4, ačkoli je pro tradiční desky cenově dostupný, postrádá rozměrovou stabilitu a dielektrické vlastnosti potřebné pro polovodičové propojení s jemnou roztečí. Moderní konstrukce desek plošných spojů s zabudovanými substráty používají Ajinomoto Build-up Film (ABF), bismaleimid-triazinovou (BT) pryskyřici a specializované pryskyřicí potažené měděné materiály (RCC), které poskytují vynikající koeficient tepelné roztažnosti odpovídající křemíku.

Strukturální srovnání napříč generacemi

Ve společnosti Highleap Electronics jsme pozorovali, že požadavky zákazníků se přesouvají od standardních desek HDI k embedded substrátům pro pouzdrové použití, které vyžadují řízené tolerance impedance pod 5 % a specifikace rovinnosti povrchu měřené v mikrometrech.

Klíčové faktory stojící za přijetím desek plošných spojů s vestavěnými substráty

Miniaturizace se setkává s explozí I/O

Moderní systémy na čipech obsahují miliardy tranzistorů, ale čelí problému s hustotou I/O, který konvenční propojení vodiči nedokáže vyřešit. Špičkový procesor pro mobilní aplikace může vyžadovat více než 1 000 připojení na ploše menší než 100 milimetrů čtverečních. Technologie vestavěných substrátových desek plošných spojů umožňuje tuto hustotu prostřednictvím vrstev s jemnou roztečí a propojení plošných polí, které podporují rozteč výčnělků až 40 mikrometrů.

Požadavky na tepelný a elektrický výkon

Vysoce výkonné výpočty a akcelerátory umělé inteligence rozptylují v kompaktních pouzdrech hustotu výkonu přesahující 500 wattů. Tradiční přístupy k balení vytvářejí tepelná úzká hrdla a zhoršují integritu signálu, což omezuje výkon. Vestavěné substráty řeší obě výzvy současně:

• Minimální zpoždění signálu – Vzdálenosti mezi čipy a propojením měřené v mikrometrech umožňují přenosové rychlosti v řádu gigahertzů
• Vynikající tepelná vazba – Přímé umístění v blízkosti tepelných rovin snižuje odpor mezi spojem a pouzdrem o 30–50 %
• Nižší parazitární účinky – Snížená kapacita a indukčnost minimalizují odrazy signálu a přeslechy

Požadavky heterogenní integrace

Polovodičový průmysl přijal architektury čipů, kde se specializované čipy kombinují v jednom pouzdře. Tento přístup „systém v pouzdře“ vyžaduje zabudovanou substrátovou desku plošných spojů, která funguje jako aktivní propojovací struktura, směruje tisíce vysokorychlostních diferenciálních párů a zároveň zajišťuje čistou distribuci energie. Automobilové aplikace jsou příkladem tohoto trendu, integrují procesory pro fúzi senzorů, akcelerátory umělé inteligence a bezpečnostně kritické řídicí jednotky v rámci unifikovaných pouzder.

Konvergence dodavatelského řetězce

výrobci PCB historicky fungovaly odděleně od společností zabývajících se balením polovodičů, ale dynamika trhu nyní upřednostňuje vertikální integraci. Přední výrobci desek plošných spojů, včetně společnosti Highleap Electronics, rozšiřují své kapacity s cílem řešit požadavky na úrovni balení, zatímco tradiční dodavatelé OSAT zavádějí techniky na úrovni desek plošných spojů. Tato konvergence vytváří příležitosti pro výrobce, kteří mohou propojit obě oblasti a nabídnout efektivnější dodavatelské řetězce a zkrácenou dobu uvedení na trh.

Vzestup technologie vestavěných substrátových desek plošných spojů

Definování architektury vestavěného substrátu

Technologie desek plošných spojů s vestavěným substrátem integruje polovodičové čipy do vrstev jádra vícevrstvé struktury, místo aby je montovala na povrch. Samotný substrát se stává součástí pouzdra, přičemž čip je umístěn v přesné dutině nebo je plně zapouzdřen v dielektrických vrstvách. Tato architektura umožňuje tenčí celkové pouzdro, lepší tepelné propojení a ochranu choulostivých povrchů čipů během následných montážních operací.

Základní technické prvky

1. Proces vkládání čipů

Proces zalévání začíná přesným vytvořením dutiny v jádrových materiálech, čehož se dosahuje laserovou ablací nebo CNC frézováním s tolerancemi pod 25 mikrometrů. Čipy procházejí operacemi pick-and-place pomocí specializovaného zařízení schopného přesnosti umístění s přesností submikrometrů. Ve společnosti Highleap Electronics zahrnuje náš proces zalévání systémy vidění v reálném čase a silovou zpětnou vazbu, které zajišťují konzistentní umístění čipů napříč výrobními objemy.

2. Tvorba laserových mikroprůchodek

Návrhy desek plošných spojů s vestavěnými substráty se pro vytvoření spojení mezi vestavěnými čipy a vnějšími vrstvami propojení značně spoléhají na laserem vrtané mikrootvory. Systémy s CO2 nebo UV laserem vytvářejí otvory o průměru od 25 do 75 mikrometrů s poměrem stran obvykle omezeným na 1:1 pro spolehlivé mědění. Vrstvené a střídavě uspořádané konfigurace mikrootvorů vytvářejí trojrozměrné propojovací sítě, které umožňují únik z plošek čipů s jemnou roztečí.

3. Architektura vrstvy redistribuce

Struktury RDL na zabudovaných substrátech fungují podobně jako pouzdra na úrovni destiček a využívají fotolitografii s jemnými linkami k vytváření vzorů směrování s šířkou a roztečí čar pod 10 mikrometrů. Více vrstev RDL vytváří komplexní propojovací sítě, často s využitím semiaditivní procesy (SAP) nebo modifikované semiaditivní procesy (mSAP) pro rozměrovou kontrolu.

Výhody výkonu vestavěných substrátových desek plošných spojů

Přístup s plošnými spoji s vestavěným substrátem přináší měřitelné zlepšení výkonu v několika ohledech:

• Zlepšení integrity signálu – Zpoždění šíření se ve srovnání s alternativami pro povrchovou montáž snižují 5–10×
• Tepelný výkon – Tepelný odpor mezi spojem a okolím klesá o 30–50 % díky integraci přímé tepelné cesty
• Snížení tvarového faktoru – Tloušťka pouzdra se u mobilních a nositelných aplikací snižuje o 40 % nebo více
• Mechanická spolehlivost – Vestavěné čipy zabraňují vystavení ohybu na úrovni desky a tepelným šokům

Nově vznikající architektury obalů využívající vestavěné substráty

2.5D integrace s křemíkovými interpozitory

2.5D pouzdro umisťuje více čipů vedle sebe na křemíkový interpozer s jemným vedením a průchodkami skrz křemík. Interpozer se montuje na podkladovou desku plošných spojů s vestavěným substrátem, která zajišťuje napájení, rozvod signálu k externím připojením a tepelný management. Tento hybridní přístup kombinuje možnosti křemíku s ultra vysokou hustotou vedení s cenově efektivní plochou a počtem vrstev organických vestavěných substrátů.

3D stohování pomocí technologie TSV

Skutečné 3D pouzdro integrovaných obvodů vertikálně stohuje více aktivních čipů s přímými propojeními TSV procházejícími křemíkovými substráty. Vestavěná deska plošných spojů se substrátem v 3D konfiguracích slouží jako základ pouzdra, řídí dodávku energie do všech stohovaných vrstev a směruje signály, které vycházejí z vertikálního substrátu. Tepelné výzvy se v 3D strukturách zintenzivňují, což vede k návrhům substrátů, které zahrnují tepelné průchody, rozvaděče tepla nebo vestavěné chladicí kanály.

Vývoj vějířovitého balení

Fan-out wafer-level packageing (FOWLP) eliminuje tradiční substráty tím, že vytváří RDL struktury přímo na rekonstituovaných waferech nebo velkých panelech. S tím, jak se však fan-out pouzdra škálují do větších rozměrů a vyšší složitosti, se stále více podobají vestavěným substrátovým deskám plošných spojů co do struktury a výrobních požadavků. Pokročilé fan-out konstrukce zahrnují více RDL vrstev a vestavěné pasivní prvky, čímž se stírá rozdíl mezi jednotlivými přístupy.

Vestavěná substrátová deska plošných spojů jako technologie můstků

Technologie vestavěných substrátů zaujímá klíčové místo mezi konvenčním vějířovým uspořádáním a tradičními organickými substráty. Poskytuje možnosti přesného směrování a vkládání, které se blíží výkonu vějířového uspořádání, a zároveň zachovává mechanickou robustnost, flexibilitu v počtu vrstev a možnosti tepelného řízení pouzder založených na substrátech. Pro aplikace vyžadující velké velikosti čipů, více heterogenních čipů nebo integraci diskrétních součástek nabízejí vestavěné substráty optimální poměr ceny a výkonu.

Materiálové a výrobní výzvy u vestavěných substrátů desek plošných spojů

Pokročilé pryskyřičné systémy pro jemné frézování

Dosažení šířky čar a roztečí pod 10 mikrometrů při výrobě zabudovaných substrátů na deskách plošných spojů vyžaduje materiály s výjimečnou rozměrovou stabilitou a nízkou drsností povrchu. ABF zůstává průmyslovým standardem pro mnoho aplikací a nabízí vynikající vlastnosti laserového vrtání a spolehlivou adhezi k měděné fólii. Nově vznikající pryskyřice s nízkou dielektrickou konstantou (nízká Dk) a nízkým ztrátovým činitelem (nízká Df) splňují požadavky na integritu signálu při frekvencích přesahujících 50 GHz s hodnotami Dk pod 3.0 a Df pod 0.005.

Řízení procesu šířky a rozteče čar

Udržování rovnoměrnosti šířky a rozteče čar 10 mikrometrů napříč výrobními panely vyžaduje přesné řízení procesů fotolitografie a pokovování mědí. Semiaditivní a modifikované semiaditivní procesy nahrazují tradiční subtraktivní leptání a používají tenké vrstvy měděných zárodků a galvanické pokovování k vytvoření vodičů s minimálním podřezáváním. Ve společnosti Highleap Electronics používáme automatizované optické kontrolní systémy s rozlišením submikrometrů k ověřování rozměrové shody v průběhu výroby.

Materiály pro tepelný management v zabudovaných substrátech

Vysoce výkonné vestavěné desky plošných spojů integrují specializované funkce pro řízení teploty:

• Integrace měděných mincí – Rozvaděče tepla od 0.3 do 3 milimetrů zajišťují přímé tepelné cesty od čipů k externím chladičům
• Vyplněné tepelné průchody – Prostupy s vysokým poměrem stran a měděnou pastou zajišťují efektivní přenos tepla vrstvami substrátu
• Jádra s odpovídajícím CTE – Kompozitní materiály minimalizují deformaci, přičemž nesoulad CTE je udržován pod 5 ppm/°C

Požadavky na adaptaci výrobců desek plošných spojů

Tradiční výrobci desek plošných spojů vstupující na trh se zabudovanými substráty čelí značným nedostatkům v procesních možnostech. Systémy laserového vrtání musí dosahovat velikostí bodů a přesnosti polohování o řád lepších hodnot než standardní výroba HDI. Procesy pokovování vyžadují přesné řízení hustoty proudu, aby se dosáhlo rovnoměrného rozložení mědi v mikrootvorových strukturách s poměry stran blížícími se 1:1. Specifikace rovinnosti na úrovni panelu se zpřísňují z typické rovinnosti 50 mikrometrů na požadavky na jednociferné mikrometry pro montáž s jemnou roztečí.

Výhled do budoucna: Konvergence desek plošných spojů s vestavěným substrátem

Rozpuštění hranic odvětví

Hranice mezi Výroba DPS a polovodičové pouzdra se s pokrokem technologie zabudovaných substrátů pro desky plošných spojů (PCB) nadále rozpouštějí. Přední výrobci vyvíjejí plány směrem k pouzdrování na úrovni panelů, které využívá litografii a depoziční techniky podobné polovodičům na velkoplošné substráty, což by potenciálně mohlo snížit náklady na pouzdro o 40–60 %. Architektury RDL-on-substrát kombinují počet a plochu vrstev organického substrátu s ultrajemnými vrstvami pro přerozdělení.

Zrychlení trhu s umělou inteligencí a automobilovým průmyslem

Umělá inteligence a automobilové aplikace urychlují zavádění desek plošných spojů s vestavěnými substráty díky jedinečným požadavkům na výkon a spolehlivost. Trénovací systémy umělé inteligence vyžadují maximální šířku pásma paměti a minimální latenci, čehož lze dosáhnout pouze pokročilým pouzdrem s vestavěnými čipy a ultrakrátkými propojeními. Automobilová elektronika vyžaduje výjimečnou spolehlivost v širokém teplotním rozsahu a zároveň splnění přísných cenových cílů, které tradiční keramická pouzdra nemohou splnit.

Strategické umístění pro růst

S postupující konvergencí budou výrobci elektroniky, kteří zvládnou výrobu desek plošných spojů s vestavěnými substráty, dosahovat rostoucí hodnoty v dodavatelském řetězci. Tato technologie nepředstavuje pouze postupné zlepšení, ale zásadní restrukturalizaci způsobu, jakým elektronické systémy integrují polovodičové, pasivní a propojovací funkce. Společnosti, které úspěšně kombinují rozsah výroby desek plošných spojů s přesností na úrovni balení, budou definovat novou generaci možností elektronických produktů.