ABF-substrat: Materialer, fremstillingsproces, anvendelser og printkortintegration

For ingeniører, der evaluerer avanceret databehandling, netværk, AI, acceleratorer, processorer eller andre applikationer med høj I/O-indhold, er det afgørende at forstå forholdet mellem ABF dielektriske materialer, IC-substrater, pakkeforbindelser, HDI-strukturer og systemniveau-PCB'er.

Hvad er et ABF-substrat?

ABF står for Ajinomoto Build-up Film , en dielektrisk filmteknologi udviklet til halvlederemballageapplikationer med høj densitet.

Et ABF-substrat består generelt af en kernestruktur kombineret med flere opbyggede dielektriske lag og kobberforbindelseslag. Fine kobberspor og mikroviaer dannes i disse opbyggede lag for at skabe den tætte routing, der kræves mellem halvlederpakken og det eksterne printkort.

Denne konstruktion er fundamentalt anderledes end et konventionelt flerlags-PCB.

Et traditionelt printkort er normalt optimeret omkring mekanisk robusthed, fremstillingsevne, elektrisk ydeevne, termiske krav og omkostninger på systemkortniveau. Til sammenligning skal et ABF-pakkesubstrat kunne rumme ekstremt tætte forbindelser umiddelbart ved siden af ​​en halvlederkomponent.

Substratet fungerer derfor som en elektrisk og mekanisk bro mellem to meget forskellige miljøer:

Denne mellemliggende rolle er grunden til, at ABF-teknologi er tæt forbundet med IC-substratteknologi snarere end almindelig PCB-fremstilling.

Hvorfor bruges ABF til avanceret IC-pakning?

Hovedårsagen til, at ABF er vigtig, er, at avancerede halvlederpakker kræver sammenkoblingsdensiteter, som konventionelle PCB-teknologier ikke effektivt kan levere.

Moderne processorer, GPU'er, AI-acceleratorer, netværksenheder og andre halvlederpakker med høj I/O-kapacitet kan indeholde et meget stort antal elektriske forbindelser inden for et relativt lille pakkeområde.

Emballagesubstratet skal derfor indeholde:

• Fin kobberføring
• Høj sammenkoblingstæthed
• Flere opbygningslag
• Laserformede mikrovias
• Kontrolleret dielektrisk tykkelse
• Stabile elektriske egenskaber
• Pålidelige kobber-til-dielektriske grænseflader
• Kontrolleret dimensionel adfærd
• Kompatibilitet med halvlederpakningsprocesser

ABF-opbygningsstrukturer gør det muligt at øge routingtætheden både vertikalt og horisontalt.

I stedet for at forsøge at føre hver forbindelse gennem en konventionel tyk printkortstruktur, kan ingeniører bygge yderligere dielektriske og kobberlag omkring et kernesubstrat og bruge mikrovias til at forbinde tilstødende lag.

Denne tilgang muliggør en meget større routingtæthed inden for et begrænset pakkefodaftryk.

Resultatet er særligt værdifuldt for halvlederkomponenter, hvor pakke-I/O-tætheden er blevet en af ​​de største begrænsninger for den overordnede systemarkitektur.

ABF-substrat vs. konventionelt printkort

Det er vigtigt ikke at bruge udtrykkene ABF PCB og ABF-pakkesubstrat i flæng.

Selvom begge bruger kobberledere og dielektriske materialer, er deres designmål og fremstillingskrav forskellige.

Et konventionelt printkort kan forbinde en processor, hukommelse, strømkredsløb, stik og andre komponenter på tværs af et relativt stort printkort.

Et ABF-pakkesubstrat udfører en anden opgave: det sørger for den ekstremt tætte forbindelse umiddelbart under eller omkring halvlederpakken.

Denne sondring forklarer også, hvorfor teknologierne ofte optræder sammen i avancerede elektroniske systemer.

Sådan fungerer ABF-opbygningsstrukturer

En forenklet ABF-substratstruktur kan forstås som en sekvens af dielektriske og kobberlag bygget omkring en kerne.

Produktionskonceptet omfatter generelt flere hovedfaser:

Det nøjagtige procesforløb varierer afhængigt af substratarkitektur, producentens kapacitet, designregler og emballagekrav.

Dielektrisk opbygning

ABF-film danner det isolerende lag mellem ledende kobberstrukturer.

Dielektrikummet skal have de nødvendige elektriske egenskaber, samtidig med at det understøtter fremstilling med fine features og pålidelig sammenkobling.

Tykkelsen og egenskaberne af hvert dielektrisk lag påvirker routingsgeometrien via dannelse, impedansadfærd, kapacitans og mekaniske egenskaber.

Lasermikrovias

Et af de definerende træk ved avancerede opbygningssubstrater er brugen af ​​laserformede mikrovias.

I modsætning til store konventionelle gennemgående huller kan mikrovias forbinde tilstødende opbygningslag, mens de optager væsentligt mindre areal.

Dette tillader routingkanaler at passere gennem tætbefolkede pakkeområder.

Microvia-geometri, landingspladens dimensioner, kobberbelægningskvalitet og justeringsnøjagtighed er derfor afgørende for substratudbyttet.

For relateret PCB-teknologi giver vores guide til PCB-strukturer med høj tæthed til sammenkobling nyttig baggrund om, hvordan miniature vertikale sammenkoblinger øger routingtætheden.

Kobbermetallisering

Efter dielektrisk dannelse og laserboring skal der skabes ledende kobberstrukturer.

Afhængigt af fremstillingsprocessen kan dannelse af frølag, elektrolytisk kobber, galvanisering og mønstringsprocesser kombineres for at producere den nødvendige ledende geometri.

Ved avancerede substratdimensioner bliver processtyring stadig vigtigere, fordi relativt små variationer i kobbertykkelse, linjebredde, afstand eller registrering kan påvirke elektrisk og produktionsmæssig ydeevne.

Udfordringer ved ABF-substratfremstilling

Fremstilling af ABF-substrater er betydeligt mere krævende end konventionel fremstilling af flerlags-PCB'er.

Vanskeligheden skyldes ikke én enkelt proces. Den skyldes samspillet mellem ekstremt fine geometrier, flere opbygningscyklusser, materialeadfærd, kobberbearbejdning, laserboring, registrering, inspektion og udbyttestyring.

Fine linjemønstre

Efterhånden som linjebredder og -afstande mindskes, bliver små variationer proportionalt mere betydningsfulde.

En procesvariation, der ville være ubetydelig på et konventionelt printkort, kan blive uacceptabel, når ledergeometrien måles i en meget mindre skala.

Producenter har derfor brug for nøje kontrollerede billeddannelses-, pletterings-, ætsnings-, registrerings- og inspektionsprocesser.

Lag-til-lag registrering

Hvert yderligere opbygningslag introducerer et nyt justeringskrav.

Mikroviaen skal lande korrekt på den underliggende kobberfunktion, mens det øvre fræsemønster også skal flugte med den omgivende struktur.

Registreringsfejl kan derfor ophobe sig gennem hele produktionsprocessen.

Via pålidelighed

Mikrovias skal opretholde pålidelige elektriske og mekaniske forbindelser gennem efterfølgende bearbejdning og drift.

Dårlig via-dannelse, utilstrækkelig kobberaflejring, hulrum, revner eller overdreven belastning kan bidrage til pålidelighedsproblemer.

Forholdet mellem laserboring, afsmøring, frødannelse, plettering og efterfølgende termiske cyklusser skal derfor kontrolleres omhyggeligt.

Materiale- og dimensionsstabilitet

Pakkesubstrater oplever termiske og mekaniske belastninger under fremstilling, montering og drift.

Forskelle i termisk udvidelseskoefficient, fugtighedsadfærd, dielektriske egenskaber, kobberfordeling og lagkonstruktion kan påvirke dimensionsstabilitet og pakkepålidelighed.

Af denne grund kan materialevalg ikke adskilles fra den komplette substratstruktur.

ABF-substrat og HDI-teknologi

ABF-substrater og HDI-printkort deler flere vigtige fremstillingskoncepter, men de bør ikke behandles som identiske teknologier.

Begge kan bruge:

• Opbygning af dielektriske lag
• Laserboring
• Mikroviaer
• Fint kobber
• Sekventiel behandling
• Rutning med høj tæthed

Et ABF-pakkesubstrat opererer imidlertid på halvlederpakkeniveau, hvor krav til sammenkoblingstæthed og dimensioner kan være væsentligt mere krævende.

HDI-teknologi er fortsat yderst relevant på systemkortsiden.

For eksempel kan et avanceret computersystem indeholde:

Pakkens substrat og system-printkortet skal derfor fungere sammen elektrisk og mekanisk.

Dette er en af ​​grundene til, at avancerede printkortproducenter i stigende grad har brug for ekspertise inden for strukturer med høj densitet i stedet for kun konventionel flerlagsfremstilling.

Sekventiel opbygning er særligt vigtig ved design af komplekse HDI-strukturer. Ingeniører kan lære mere om denne tilgang i vores artikel om HDI PCB-stackingdesign.

Elektrisk ydeevne af ABF-substrater

Valg af ABF-substrat handler ikke kun om fysisk routingtæthed.

Elektrisk ydeevne bliver stadig vigtigere, efterhånden som pakkegrænseflader understøtter højere datahastigheder og større signalantal.

Dielektriske egenskaber

Den dielektriske konstant og dissipationsegenskaber for det dielektriske system påvirker signaludbredelse, kapacitans, impedans og tab.

De relevante egenskaber skal evalueres sammen med den faktiske pakkestruktur i stedet for at blive behandlet som isolerede materialenumre.

Signalintegritet

Korte forbindelser eliminerer ikke automatisk problemer med signalintegritet.

Ved høje datahastigheder kan pakkespor, vias, overgange, referenceplaner og PCB-forbindelser alle bidrage til:

• Indskydningsdæmpning
• Retur tab
• Krydstale
• Reflektioner
• skew
• Impedansdiskontinuiteter

Pakkesubstratet udgør derfor en del af den komplette højhastighedskanal.

Når signalet forlader pakkesubstratet og kommer ind i system-printkortet, skal printkortstablingen og materialesystemet fortsat understøtte de elektriske krav.

Til applikationer på systemniveau kan ingeniører gennemgå vores ressourcer om højhastigheds-PCB-fremstilling og højhastigheds-PCB-materialer.

Power Integritet

Avancerede processorer og acceleratorer kan også skabe krævende krav til strømforsyning.

Pakningssubstratet skal kunne håndtere tætte strøm- og jordforbindelser, samtidig med at acceptabel elektrisk og termisk ydeevne opretholdes.

Dette bliver særligt vigtigt i højtydende computersystemer, hvor processorens effekttæthed, højhastighedsgrænseflader, hukommelsesbåndbredde og termisk design er tæt forbundet.

ABF-substratapplikationer

ABF-substrater er primært forbundet med avanceret halvlederpakning, hvor høj sammenkoblingstæthed er påkrævet.

CPU'er og GPU'er

Højtydende processorer kræver et stort antal pakkeforbindelser og tæt substratrouting.

ABF-baserede pakkesubstrater kan give den fine sammenkoblingsstruktur, der kræves mellem halvlederpakken og det eksterne system.

AI-acceleratorer

AI-computerhardware stiller betydelige krav til processor-I/O, hukommelsesgrænseflader, strømforsyning og højhastighedskommunikation.

Efterhånden som acceleratorarkitekturer bliver mere komplekse, bliver sammenkoblingstætheden på pakkeniveau stadig vigtigere.

Det eksterne printkort skal derefter sørge for den passende elektriske, mekaniske, termiske og strømførende infrastruktur omkring pakken.

Netværks- og datacenterhardware

Højhastighedsswitching- og netværksenheder kan kræve tætte pakkeforbindelser sammen med krævende routing på systemkortet.

Pakkesubstratet og printkortet skal arbejde sammen for at bevare signalintegriteten på tværs af hele kanalen.

ASIC og brugerdefinerede computerenheder

Applikationsspecifikke integrerede kredsløb kan have meget tilpassede pakkekrav.

Substratarkitekturen skal muligvis imødekomme specifikke I/O-arrangementer, strømdomæner, højhastighedsgrænseflader og mekaniske begrænsninger.

Chiplet-baserede arkitekturer

Chiplet-arkitekturer stiller yderligere krav til pakkeforbindelse, fordi flere halvlederchips kan kommunikere via en fælles pakkestruktur.

Efterhånden som pakkearkitekturer udvikler sig, bliver substratet en stadig vigtigere del af det samlede forbindelsessystem.

ABF-substrat og BGA-emballage

ABF-teknologi er tæt forbundet med avancerede pakkestrukturer, herunder BGA-type pakker med høj I/O.

Pakkesubstratet distribuerer signaler fra halvlederchipet til de eksterne pakketerminaler, som derefter kan oprette forbindelse til system-PCB'et.

Dette skaber flere niveauer af sammenkobling:

Overgangen mellem disse niveauer skal udformes omhyggeligt.

For ingeniører, der arbejder med printpladesiden af ​​denne grænseflade, er det nyttigt at forstå BGA-substrater og pakkestrukturer.

Når BGA-pakken er placeret på systemkortet, bliver loddeforbindelsens geometri, pad-design, termisk profil, komponentplacering og inspektion også vigtige.

Design af printkortet omkring en ABF-baseret pakke

System-printkortet skal designes til at komplementere pakken i stedet for at behandle pakken som en isoleret komponent.

Udluftning og flugtveje

Pakker med høj I/O-kapacitet kan skabe ekstremt tætte escape-routing-områder.

PCB-designeren kan være nødt til at kombinere fine-pitch BGA-routing, via-in-pad-strukturer, microvias, nedgravede vias og omhyggeligt planlagte lagtildelinger.

Målet er ikke blot at få alle forbindelser på printkortet. Routingarkitekturen skal også opretholde fremstillingsevne og elektrisk ydeevne.

Stabling af valg

PCB-opbygningen påvirker:

• Signalimpedans
• Referenceplankontinuitet
• Strømfordeling
• Krydstale
• Termisk adfærd
• Via arkitektur
• Fremstillingskompleksitet

For højhastighedsprocessorer og netværkskort bør overgangen fra pakke til printkort overvejes under stackup-udvikling.

Power Delivery

Store processorer og acceleratorer kan kræve betydelig strømforsyning gennem relativt små pakkeområder.

PCB'en har derfor brug for en passende effektplanstruktur, kobberfordeling, via-arrangement, afkoblingsstrategi og termisk design.

Fremstillingstolerancer

En meget kompleks pakkegrænseflade kan gøre printkortfremstilling mere følsom over for toleranceakkumulering.

Pudedimensioner, loddemaskeregistrering, viaplacering, kobbertykkelse, bornøjagtighed og lagregistrering bør alle kontrolleres i forhold til den faktiske fremstillingskapacitet.

En robust gennemgang af printkortdesign til fremstilling kan identificere problemer med fremstillingsevnen, før produktionen påbegyndes.

ABF-substrat vs. andre IC-substratteknologier

ABF er ikke det eneste materiale eller den eneste konstruktion, der anvendes til halvledersubstrater.

Forskellige pakketyper kan kræve forskellige substratteknologier.

Det rette valg afhænger af faktorer som:

• I/O-antal
• Pakke størrelse
• Rutningstæthed
• Signalhastighed
• Termiske krav
• Omkostningsmål
• Mekaniske begrænsninger
• Produktionsvolumen
• Halvlederpakkearkitektur

ABF er især forbundet med avancerede organiske substrater med høj densitet, men andre substrattilgange kan være mere passende til forskellige pakkeklasser.

Derfor bør valg af substrat begynde med pakkearkitekturen og de elektriske krav i stedet for blot at vælge det mest avancerede tilgængelige materiale.

Overvejelser vedrørende pålidelighed af ABF-substrat

Pålidelighed skal evalueres på tværs af hele pakken og printkortet.

Termisk cykling

Gentagne temperaturændringer forårsager mekaniske belastninger, fordi forskellige materialer udvider sig og trækker sig sammen med forskellig hastighed.

Pakkens substrat, halvlederpakken, loddeforbindelserne og printkortet skal derfor evalueres som en kombineret struktur.

Fugt

Organiske dielektriske materialer kan interagere med fugt, hvilket kan påvirke forarbejdningsadfærd og pålidelighed.

Fugthåndterings- og opbevaringsforhold skal derfor kontrolleres i henhold til materiale- og emballageproceskravene.

Microvia-pålidelighed

Mikrovia-strukturer skal forblive elektrisk og mekanisk pålidelige under fremstilling og driftsmæssig termisk cykling.

Kobberkvalitet, via geometri, plettering, dielektriske grænseflader og termisk stress, bidrager alle til ydeevnen.

Pakke-til-PCB-pålidelighed

Selv når ABF-substratet i sig selv fungerer korrekt, kan hele samlingen stadig opleve fejl ved pakke-til-printkort-grænsefladen.

BGA-loddeforbindelser, PCB-vridning, termisk uoverensstemmelse, samlingsprofil og mekanisk belastning kan alle påvirke feltpålideligheden.

Til BGA-applikationer kan ingeniører også gennemgå vores oplysninger om BGA PCB-samling og relaterede inspektions- og loddesamlingsovervejelser.

Sådan evaluerer du et ABF-substratprojekt

Når man evaluerer et ABF-relateret projekt, er det nyttigt at opdele kravene i fire niveauer.

1. Krav til halvlederpakker

• Die størrelse
• I/O-antal
• Pakkemål
• I/O-pitch
• Strøm krav
• Krav til højhastighedsgrænseflade
• Pakkearkitektur

2. Underlagskrav

• Kernekonstruktion
• Antal opbygningslag
• Dielektrisk system
• Minimum linje/afstand
• Microvia-dimensioner
• Pudedimensioner
• Kobbertykkelse
• Overfladebehandling
• Registreringskrav
• Krav til warpage

3. Krav til system-PCB

• PCB-lagantal
• stable
• Materiale system
• Kontrolleret impedans
• BGA-flugtstrategi
• Via-struktur
• Kobbervægt
• Termiske krav
• Strømfordeling
• Overfladebehandling

4. Monteringskrav

• BGA-komponentspecifikationer
• Loddepasta
• Stencildesign
• Reflow profil
• AOI-krav
• Røntgeninspektion
• Elektrisk test
• Krav til omarbejdning
• Sporbarhed

Ved at adskille disse fire niveauer bliver det lettere at identificere, hvor et problem stammer fra.

Et problem på pakkeniveau bør ikke automatisk behandles som et printkortfabrikationsproblem, og en routingbegrænsning på printkortniveau bør ikke automatisk tilskrives ABF-substratet.

ABF-substrat i den avancerede elektronikproduktionskæde

ABF-teknologi illustrerer, hvordan halvlederemballage og printkortproduktion bliver mere og mere forbundet.

En moderne højtydende computerplatform kan involvere flere produktionsteknologier:

Hvert trin har forskellige tekniske krav, men de elektriske og mekaniske grænseflader mellem dem skal forblive kompatible.

For printkortproducenter betyder det, at forståelse af halvlederpakning er stadigt mere værdifuld, selv når det faktiske produktionsansvar er fokuseret på systemniveaukortet.

PCB'et er ikke længere blot en passiv platform omkring processoren. Det er en del af den komplette elektriske, termiske og mekaniske arkitektur.

Hvorfor DFM er vigtig for ABF-relaterede PCB-projekter

ABF-baserede pakker kan skabe ekstremt tætte PCB-grænseflader.

Hvis man først forsøger at løse disse grænseflader, efter at printkortlayoutet er færdigt, kan det føre til unødvendige redesigns.

DFM-gennemgang bør ideelt set begynde inden fabrikationsfrigivelse.

Målet er at opretholde det tilsigtede elektriske design, samtidig med at det sikres, at det fysiske printkort kan fremstilles ensartet.

Dette er især vigtigt, når et design kombinerer avancerede pakker med HDI-strukturer, fordi et teoretisk routbart design stadig kan være upraktisk i produktionsskala.

Fra ABF-pakke til færdig PCBA

Selve ABF-substratet er kun én del af det komplette produkt.

Når en avanceret pakke er fastgjort til system-printkortet, fortsætter fremstillingsprocessen gennem komponentplacering, lodning, inspektion, testning og potentiel integration på systemniveau. På printkortniveau forbliver HDI-samling ved systemkortgrænsefladen en separat fremstillingsopgave fra produktionen af ​​pakkesubstratet.

En dygtig produktionspartner bør derfor forstå forholdet mellem det bare printkort og den endelige samling.

For projekter, der kræver både fremstilling af printkort og komponentmontering, kan printkortmonteringstjenester hjælpe med at forbinde fremstillings- og monteringstrinene i en koordineret fremstillingsproces.

Dette bliver særligt værdifuldt for processorkort med høj densitet, hvor printkortfabrikationsspecifikationer og samlingsparametre ikke kan betragtes uafhængigt af hinanden.

ABF-substrat: Vigtige konklusioner

ABF-substratteknologi indtager en vigtig position mellem halvlederpakning og PCB-produktion på systemniveau.

De vigtigste punkter er:

• ABF betyder Ajinomoto opbygningsfilm, en organisk dielektrisk teknologi, der anvendes i vid udstrækning i avancerede pakkesubstrater.
• An ABF-pakkesubstrat er ikke blot et konventionelt printkort lavet af et andet laminat.
• Dens primære formål er at skabe en meget tæt elektrisk forbindelse mellem en halvlederpakke og det eksterne system.
• Opbygningslag, lasermikrovias, fin kobberfræsning og tæt registrering er grundlæggende for teknologien.
• ABF-substrater er stærkt forbundet med halvlederapplikationer med høj I/O-behov, såsom processorer, acceleratorer, ASIC'er og avancerede netværksenheder.
• Pakkesubstratet og system-PCB'et skal betragtes sammen med hensyn til signalintegritet, strømforsyning, termisk adfærd og pålidelighed.
• Højdensitets-PCB-teknologier som HDI bliver særligt vigtige ved pakke-til-kort-grænsefladen.
• Produktionsmuligheden bør undersøges tidligt, da fine geometrier og snævre tolerancer kan påvirke udbytte og omkostninger betydeligt.
• Det endelige produkt afhænger ikke kun af substratkvaliteten, men også af printpladefremstilling, samling, inspektion og testning.

Ofte stillede spørgsmål om ABF-substrater