Skleněné jádro PCB pro pokročilé balení

Skleněná deska plošných spojů (PCB) je pokročilý substrát, který místo jádra z organické pryskyřice, které se nachází v konvenčních substrátech BGA s flip-chipem, používá tenkou skleněnou fólii. Hlavním důvodem pro použití skla není novost, ale výkon: sklo nabízí koeficient tepelné roztažnosti mnohem bližší křemíku, mnohem nižší deformaci při velkých velikostech pouzdra a lepší rozměrovou stabilitu pro jemné propojení. Díky těmto vlastnostem jsou skleněné substráty stále relevantnější pro akcelerátory umělé inteligence, vysoce výkonné CPU, pouzdra chipletů a další pokročilé polovodičové sestavy, kde se organické substráty blíží svým mechanickým a směrovacím limitům. Širší materiálové a procesní pozadí se nachází v technologii skleněných desek plošných spojů.

Vyžádejte si cenovou nabídku na desku plošných spojů se skleněným jádrem

Co je to deska plošných spojů se skleněným jádrem?

Deska plošných spojů se skleněným jádrem je substrát pouzdra, ve kterém je centrální vrstva jádra vyrobena ze skla, nikoli z organického laminátu, jako je pryskyřice BT nebo modifikovaný FR-4. V pokročilém pouzdře polovodičů toto jádro funguje jako pevná strukturální páteř substrátu, která definuje rovinnost, stabilitu tloušťky a geometrii vertikálního propojení. Místo konvenčních vrtaných průchodů používá skleněné jádro průchody skrz sklo k vedení signálů a napájení skrz tloušťku substrátu.

Samotné sklo není aktivní elektrickou vrstvou. Jeho úloha je strukturální a rozměrová. Nad a pod skleněným jádrem se tvoří vrstvy pro redistribuci mědi a dielektrické nástavby, zatímco sklo poskytuje stabilní základnu potřebnou pro jemné uchycení čipů a konstrukci velkoformátových pouzder. V praxi se deska plošných spojů se skleněným jádrem liší od standardní pevné skleněné desky plošných spojů používané v obecné elektronice; je konkrétně určena pro pokročilé aplikace s substráty pouzder integrovaných obvodů, kde je kritická kompatibilita s křemíkem a kontrola deformace.

Proto se o deskách plošných spojů se skleněným jádrem stále častěji diskutuje spolu s pouzdry procesorů nové generace. S rostoucími velikostmi pouzder a zmenšováním rozteče výčnělků se materiál jádra stává limitujícím faktorem a sklo nabízí jiný výkonnostní strop než technologie organických substrátů.

Proč desky plošných spojů se skleněným jádrem nahrazují organické substráty pro balení

Organické substráty pro pouzdra podporují pouzdření polovodičů po celá desetiletí, ale pokročilá pouzdra pro umělou inteligenci a HPC nyní posouvají spolehlivé limity chování organických jader. Nejdůležitějším problémem je tepelně-mechanický nesoulad. Jádra organických substrátů mají obvykle koeficient tepelné roztažnosti mnohem vyšší než křemík, což vytváří napětí na rozhraní čip-substrát během přetavování a tepelného cyklování. S jemnější roztečí hrbolů se toto napětí stává obtížnějším absorbovat bez únavy pájky a problémů se spolehlivostí spoje.

Deska plošných spojů se skleněným jádrem tento problém řeší tím, že součinitel tepelné roztažnosti substrátu se výrazně blíží křemíku. To snižuje relativní posunutí během změny teploty a pomáhá udržovat spolehlivost pájeného spoje i při velkých rozměrech čipů. Druhou hlavní výhodou je kontrola deformace. Velké organické substráty mají tendenci se během montáže prohýbat kvůli asymetrické tepelné roztažnosti napříč soustavou. U pokročilých velikostí pouzder může tato deformace vytvářet otevřené spoje nebo nekonzistentní hrbolaté spoje. Sklo má mnohem lepší rozměrovou stabilitu, což umožňuje plošší panely a rovnoměrnější tvorbu propojení.

Třetím faktorem je hustota propojení. Organická jádra závisí na mechanicky vrtaných strukturách s většími minimálními rozměry, zatímco skleněná jádra mohou podporovat mnohem jemnější vertikální propojení. Pro moderní integraci čipů, kde se hustota směrování a velikost pouzdra zvyšují společně, je tato kombinace nižší deformace, lepší shody CTE a jemnějších propojení hlavním důvodem, proč se desky plošných spojů se skleněnými jádry přesouvají do komerčního prostředí.

Skleněné jádro PCB vs. organické jádro vs. skleněný interpozer

Skleněné desky plošných spojů se v poměru výkon-cena nacházejí mezi organickými substráty a křemíkovými nebo skleněnými meziprocesorovými řešeními. Ve srovnání se substrátem s organickým jádrem nabízí sklo menší deformaci, nižší absorpci vlhkosti, lepší rozměrovou stabilitu a mnohem bližší tepelnou shodu s křemíkem. Ve srovnání s křemíkovým meziprocesorem mohou skleněné substráty podporovat výrobu větších panelů a nižší celkové náklady, a zároveň umožňují mnohem jemnější zapojení a hustotu propojení než organické materiály.

Klíčovým rozdílem mezi deskou plošných spojů se skleněným jádrem a skleněným mezilehlým prvkem je funkční umístění v pouzdře. Substrát se skleněným jádrem je samotný substrát pouzdra, včetně vrstev a rozhraní pro připojení na úrovni desky. Skleněný mezilehlý prvek je pasivní redistribuční prvek umístěný mezi čipy a substrátem pro směrování s ultra vysokou hustotou. Pokud se zaměřujete spíše na architekturu mezilehlého prvku než na konstrukci substrátu, je role desky plošných spojů se skleněným mezilehlým prvkem jiná.

Struktura a návrh desek plošných spojů se skleněným jádrem

Typická deska plošných spojů se skleněným jádrem je postavena kolem tenké skleněné fólie, obvykle o tloušťce 0.1 mm až 0.3 mm, s průchozími skleněnými otvory vytvořenými skrz jádro a vyplněnými mědí pro vertikální propojení. Na obou stranách skla jsou přidány dielektrické a měděné redistribuční vrstvy, které vytvářejí strukturu pro směrování pouzdra. Horní strana obvykle podporuje připojení čipů s jemnou roztečí, zatímco spodní strana poskytuje pájecí kuličku nebo propojovací rozhraní na úrovni pouzdra.

Nejdůležitějším pravidlem pro vrstvení skla je symetrie. Sklo samo o sobě je rozměrově stabilní, ale celý substrát se může deformovat, pokud horní a spodní vrstva nejsou vyvážené. Hustota mědi, dielektrická tloušťka a počet vrstev by měly být na obou stranách přesně sladěny, aby tepelné namáhání zůstalo vyvážené během přetavování a vytvrzování podvrstvou. Z tohoto důvodu se návrh substrátu se skleněným jádrem netýká jen výběru skla jako materiálu, ale také řízení celkové architektury vrstvení kolem jádra.

Výběr materiálu je také důležitý. Borosilikátové sklo je běžně preferováno, protože poskytuje příznivou kombinaci tepelné stability, mechanických vlastností a kompatibility s procesem. Rozdíly mezi dostupnými materiály skleněných substrátů pro desky plošných spojů jsou důležité při výběru jádra pro vývoj pouzdra.

Úvahy o designu TGV a warpage

Návrh průchodů skrz sklo je jedním z klíčových inženýrských témat při vývoji desek plošných spojů se skleněným jádrem. Průměr, rozteč, poměr stran, kvalita měděné výplně, velikost kontaktní plošky a ochrana hran přímo ovlivňují vyrobitelnost a spolehlivost. Ve srovnání se standardním návrhem průchodů plošných spojů vyžadují struktury TGV přísnější kontrolu, protože okolní materiál je křehké sklo, nikoli organický laminát. Umístění průchodů příliš blízko k okraji substrátu nebo nadměrná lokální koncentrace napětí může během zpracování nebo jednotkového uspořádání způsobit citlivost na trhliny.

Z tohoto důvodu je návrh TGV úzce spjat s deformací a řízením napětí. Přestože sklo dramaticky snižuje deformaci na úrovni jádra ve srovnání s organickými materiály, hotový substrát je stále vystaven namáhání v důsledku nerovnováhy mědi, uchycení čipu, vytvrzování pod výplní a teplotních cyklů. Dobrý návrh desky plošných spojů se skleněným jádrem proto kombinuje jemné uspořádání TGV s vyváženým rozložením mědi, sladěnými vrstvami a mechanickým modelováním na úrovni pouzdra.

V praxi není cílem návrhu jen vytvořit vodivý průchod. Jde o to, aby celá struktura jádra a nástavby byla dostatečně stabilní pro jemné spojování flip-chip s jemnou roztečí po celé ploše pouzdra. Detaily procesu tvorby průchodů skrz sklo tento výsledek přímo ovlivňují.

Aplikace a nejčastější dotazy k deskám s plošnými spoji ze skleněného jádra

Skleněné desky plošných spojů (PCB) se zavádějí tam, kde konvenční substráty pouzder již neposkytují dostatečnou rovinnost, tepelné přizpůsobení ani hustotu směrování. Největší poptávka pochází od akcelerátorů umělé inteligence, vysoce výkonných CPU a architektur pouzder založených na čipech s velkými rozměry těla a velmi jemnou roztečí výstupků. Tato pouzdra potřebují substrát, který zůstává během montáže plochý a zároveň podporuje vysokou hustotu I/O a spolehlivé uchycení čipů. Skleněné jádro má také rostoucí význam ve vysokofrekvenčním a VF pouzdrech, kde na vysokých provozních frekvencích záleží na dielektrické stabilitě a rozměrové přesnosti. V těchto případech se elektrické chování vysokofrekvenčních skleněných struktur plošných spojů stává součástí diskuse o návrhu pouzder.

Jaká je hlavní výhoda desek plošných spojů se skleněným jádrem?

Hlavní výhodou je kombinace nízké deformace a kompatibility s tepelným rozptylem (CTE) s křemíkem. Díky tomu jsou skleněné substráty s jádry vhodnější než organická jádra pro velká polovodičová pouzdra s jemnou roztečí.

Je deska plošných spojů se skleněným jádrem totéž co skleněný mezikus?

Ne. Deska plošných spojů se skleněným jádrem je samotný substrát pouzdra, zatímco mezivrstva je samostatná redistribuční vrstva umístěná mezi čipy a substrátem.

Proč je deska plošných spojů se skleněným jádrem důležitá pro pouzdra umělé inteligence a čipů?

Protože tyto pouzdra kombinují velkou velikost substrátu, vysoký počet I/O a jemnou rozteč výstupků. Organické materiály se za těchto podmínek potýkají s udržením rovinnosti a spolehlivosti, zatímco sklo si vede lépe.

Nahrazuje skleněná deska plošných spojů křemíkové interpozice?

Ne v každém provedení. Skleněné jádro obvykle zaujímá střední cestu mezi levnějšími organickými substráty a výkonnějšími mezilehlými řešeními.

Je skleněná deska plošných spojů (PCB) již výrobní technologií?

Přechází z vývoje do rané fáze výroby pro pokročilé programy balení, zejména tam, kde je vyžadována velká velikost substrátu a jemná hustota propojení. Požadavky na projekt lze zaslat přímo prostřednictvím stránky s cenovou nabídkou.