Υπόστρωμα ABF: Υλικά, Διαδικασία Παραγωγής, Εφαρμογές και Ενσωμάτωση PCB

Για τους μηχανικούς που αξιολογούν προηγμένες εφαρμογές υπολογιστών, δικτύωσης, τεχνητής νοημοσύνης, επιταχυντή, επεξεργαστή ή άλλες εφαρμογές υψηλής εισόδου/εξόδου, η κατανόηση της σχέσης μεταξύ διηλεκτρικών υλικών ABF, υποστρωμάτων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, διασυνδέσεων πακέτων, δομών HDI και πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων σε επίπεδο συστήματος είναι απαραίτητη.

Τι είναι ένα υπόστρωμα ABF;

Το ABF σημαίνει Ajinomoto Build-up Film , μια τεχνολογία διηλεκτρικής μεμβράνης που αναπτύχθηκε για εφαρμογές συσκευασίας ημιαγωγών υψηλής πυκνότητας.

Ένα υπόστρωμα ABF αποτελείται γενικά από μια κεντρική δομή σε συνδυασμό με πολλαπλά στρώματα διασύνδεσης διηλεκτρικού και χαλκού. Λεπτά ίχνη χαλκού και μικροδιαφράγματα σχηματίζονται μέσα σε αυτά τα στρώματα συσσώρευσης για να δημιουργήσουν την πυκνή δρομολόγηση που απαιτείται μεταξύ της συσκευασίας ημιαγωγών και της εξωτερικής πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB).

Αυτή η κατασκευή είναι θεμελιωδώς διαφορετική από μια συμβατική πολυστρωματική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB).

Μια παραδοσιακή πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) συνήθως βελτιστοποιείται με βάση τη μηχανική ανθεκτικότητα, την κατασκευασιμότητα, την ηλεκτρική απόδοση, τις θερμικές απαιτήσεις και το κόστος σε επίπεδο πλακέτας συστήματος. Ένα υπόστρωμα συσκευασίας ABF, συγκριτικά, πρέπει να φιλοξενεί εξαιρετικά πυκνές διασυνδέσεις ακριβώς δίπλα σε μια ημιαγωγική συσκευή.

Συνεπώς, το υπόστρωμα λειτουργεί ως ηλεκτρική και μηχανική γέφυρα μεταξύ δύο πολύ διαφορετικών περιβαλλόντων:

Αυτός ο ενδιάμεσος ρόλος είναι ο λόγος για τον οποίο η τεχνολογία ABF σχετίζεται στενά με την τεχνολογία υποστρώματος ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC) και όχι με την συνηθισμένη κατασκευή PCB.

Γιατί χρησιμοποιείται το ABF για προηγμένες συσκευασίες IC;

Ο κύριος λόγος για τον οποίο το ABF είναι σημαντικό είναι ότι τα προηγμένα πακέτα ημιαγωγών απαιτούν πυκνότητες διασύνδεσης που οι συμβατικές τεχνολογίες PCB δεν μπορούν να παρέχουν αποτελεσματικά.

Οι σύγχρονοι επεξεργαστές, οι GPU, οι επιταχυντές τεχνητής νοημοσύνης, οι συσκευές δικτύωσης και άλλα πακέτα ημιαγωγών υψηλής εισόδου/εξόδου μπορούν να περιέχουν πολύ μεγάλο αριθμό ηλεκτρικών συνδέσεων μέσα σε μια σχετικά μικρή περιοχή συσκευασίας.

Συνεπώς, το υπόστρωμα της συσκευασίας πρέπει να παρέχει:

• Λεπτή γραμμή δρομολόγησης χαλκού
• Υψηλή πυκνότητα διασύνδεσης
• Πολλαπλά στρώματα συσσώρευσης
• Μικροβίες σχηματισμένες με λέιζερ
• Ελεγχόμενο διηλεκτρικό πάχος
• Σταθερές ηλεκτρικές ιδιότητες
• Αξιόπιστες διεπαφές χαλκού-διηλεκτρικού
• Ελεγχόμενη διαστατική συμπεριφορά
• Συμβατότητα με διαδικασίες συσκευασίας ημιαγωγών

Οι δομές συσσώρευσης ABF καθιστούν δυνατή την αύξηση της πυκνότητας δρομολόγησης τόσο κάθετα όσο και οριζόντια.

Αντί να προσπαθούν να δρομολογήσουν κάθε σύνδεση μέσω μιας συμβατικής δομής PCB με παχύ πάχος, οι μηχανικοί μπορούν να κατασκευάσουν πρόσθετα διηλεκτρικά και χάλκινα στρώματα γύρω από ένα υπόστρωμα πυρήνα και να χρησιμοποιήσουν μικροδιαφράγματα για να συνδέσουν γειτονικά στρώματα.

Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα δρομολόγησης εντός ενός περιορισμένου αποτυπώματος πακέτων.

Το αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα πολύτιμο για ημιαγωγικές συσκευές όπου η πυκνότητα εισόδου/εξόδου πακέτων έχει γίνει ένας από τους σημαντικότερους περιορισμούς στη συνολική αρχιτεκτονική του συστήματος.

Υπόστρωμα ABF έναντι συμβατικού PCB

Είναι σημαντικό να μην χρησιμοποιούνται οι όροι ABF PCB και ABF package substrate εναλλακτικά.

Παρόλο που και οι δύο χρησιμοποιούν χάλκινους αγωγούς και διηλεκτρικά υλικά, οι στόχοι σχεδιασμού και οι απαιτήσεις κατασκευής τους είναι διαφορετικοί.

Μια συμβατική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) μπορεί να συνδέσει έναν επεξεργαστή, μνήμη, κυκλώματα τροφοδοσίας, υποδοχές και άλλα εξαρτήματα σε μια σχετικά μεγάλη πλακέτα.

Ένα υπόστρωμα συσκευασίας ABF εκτελεί μια διαφορετική εργασία: παρέχει την εξαιρετικά πυκνή διασύνδεση ακριβώς κάτω ή γύρω από τη συσκευασία ημιαγωγών.

Αυτή η διάκριση εξηγεί επίσης γιατί οι τεχνολογίες εμφανίζονται συχνά μαζί σε προηγμένα ηλεκτρονικά συστήματα.

Πώς λειτουργούν οι δομές ABF Building

Μια απλοποιημένη δομή υποστρώματος ABF μπορεί να γίνει κατανοητή ως μια ακολουθία διηλεκτρικών και χαλκούχων στρωμάτων που είναι χτισμένα γύρω από έναν πυρήνα.

Η ιδέα της κατασκευής περιλαμβάνει γενικά πολλά κύρια στάδια:

Η ακριβής ροή της διαδικασίας ποικίλλει ανάλογα με την αρχιτεκτονική του υποστρώματος, τις δυνατότητες του κατασκευαστή, τους κανόνες σχεδιασμού και τις απαιτήσεις της συσκευασίας.

Διηλεκτρική συσσώρευση

Η μεμβράνη ABF παρέχει το μονωτικό στρώμα μεταξύ των αγώγιμων χάλκινων δομών.

Το διηλεκτρικό πρέπει να παρέχει τα απαιτούμενα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, υποστηρίζοντας παράλληλα την κατασκευή με εξαιρετικά χαρακτηριστικά και την αξιόπιστη διασύνδεση.

Το πάχος και οι ιδιότητες κάθε διηλεκτρικού στρώματος επηρεάζουν τη γεωμετρία της δρομολόγησης, μέσω του σχηματισμού, της συμπεριφοράς της σύνθετης αντίστασης, της χωρητικότητας και των μηχανικών χαρακτηριστικών.

Μικροβίες λέιζερ

Ένα από τα καθοριστικά χαρακτηριστικά των προηγμένων υποστρωμάτων συσσώρευσης είναι η χρήση μικροσωλήνων σχηματισμένων με λέιζερ.

Σε αντίθεση με τις μεγάλες συμβατικές οπές διέλευσης, οι μικροοπές μπορούν να συνδέσουν γειτονικά στρώματα συσσώρευσης καταλαμβάνοντας σημαντικά μικρότερη περιοχή.

Αυτό επιτρέπει στα κανάλια δρομολόγησης να διέρχονται από πυκνοκατοικημένες περιοχές πακέτων.

Η γεωμετρία των μικροβίων, οι διαστάσεις του πέλματος προσγείωσης, η ποιότητα της επιχάλκωσης και η ακρίβεια ευθυγράμμισης είναι επομένως κρίσιμα για την απόδοση του υποστρώματος.

Για σχετική τεχνολογία PCB, ο οδηγός μας για δομές PCB διασύνδεσης υψηλής πυκνότητας παρέχει χρήσιμο υπόβαθρο σχετικά με το πώς οι μικροσκοπικές κάθετες διασυνδέσεις αυξάνουν την πυκνότητα δρομολόγησης.

Μεταλλοποίηση χαλκού

Μετά τον σχηματισμό διηλεκτρικού και τη διάτρηση με λέιζερ, πρέπει να δημιουργηθούν αγώγιμες χάλκινες δομές.

Ανάλογα με τη διαδικασία κατασκευής, οι διαδικασίες σχηματισμού στρώσεων σπόρων, ο μη ηλεκτρολυτικός χαλκός, η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση και η διαμόρφωση μοτίβου μπορούν να συνδυαστούν για να παραχθεί η απαιτούμενη αγώγιμη γεωμετρία.

Σε προηγμένες διαστάσεις υποστρώματος, ο έλεγχος της διεργασίας αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία, επειδή οι σχετικά μικρές διακυμάνσεις στο πάχος του χαλκού, το πλάτος της γραμμής, την απόσταση ή την ευθυγράμμιση μπορούν να επηρεάσουν την ηλεκτρική και κατασκευαστική απόδοση.

Προκλήσεις στην κατασκευή υποστρωμάτων ABF

Η κατασκευή υποστρώματος ABF είναι σημαντικά πιο απαιτητική από την συμβατική κατασκευή πολυστρωματικών PCB.

Η δυσκολία δεν οφείλεται σε μία μόνο διαδικασία. Προκύπτει από την αλληλεπίδραση εξαιρετικά λεπτών γεωμετριών, πολλαπλών κύκλων κατασκευής, συμπεριφοράς υλικού, επεξεργασίας χαλκού, διάτρησης με λέιζερ, καταγραφής, επιθεώρησης και διαχείρισης απόδοσης.

Σχεδίαση λεπτών γραμμών

Καθώς τα πλάτη των γραμμών και τα διαστήματα μειώνονται, οι μικρές διακυμάνσεις γίνονται αναλογικά πιο σημαντικές.

Μια παραλλαγή της διεργασίας που θα ήταν ασήμαντη σε μια συμβατική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) μπορεί να καταστεί μη αποδεκτή όταν η γεωμετρία του αγωγού μετριέται σε πολύ μικρότερη κλίμακα.

Συνεπώς, οι κατασκευαστές χρειάζονται αυστηρά ελεγχόμενες διαδικασίες απεικόνισης, επιμετάλλωσης, χάραξης, καταχώρισης και επιθεώρησης.

Καταχώρηση από επίπεδο σε επίπεδο

Κάθε επιπλέον στρώση οικοδόμησης εισάγει μια άλλη απαίτηση ευθυγράμμισης.

Η μικροδιάβαση πρέπει να προσγειώνεται σωστά στο υποκείμενο χάλκινο χαρακτηριστικό, ενώ το άνω μοτίβο δρομολόγησης πρέπει επίσης να ευθυγραμμίζεται με την περιβάλλουσα δομή.

Συνεπώς, τα σφάλματα καταχώρισης μπορούν να συσσωρευτούν σε όλη τη διαδικασία κατασκευής.

Μέσω Αξιοπιστίας

Οι μικροβιολογικές εγκαταστάσεις πρέπει να διατηρούν αξιόπιστες ηλεκτρικές και μηχανικές συνδέσεις κατά την επακόλουθη επεξεργασία και λειτουργία.

Ο κακός σχηματισμός διέλευσης, η ανεπαρκής εναπόθεση χαλκού, τα κενά, οι ρωγμές ή η υπερβολική τάση μπορούν να συμβάλουν σε προβλήματα αξιοπιστίας.

Η σχέση μεταξύ της διάτρησης με λέιζερ, της αφαίρεσης ελαίου, του σχηματισμού σπόρων, της επιμετάλλωσης και των επακόλουθων θερμικών κύκλων πρέπει επομένως να ελέγχεται προσεκτικά.

Σταθερότητα Υλικού και Διαστάσεων

Τα υποστρώματα συσκευασίας υφίστανται θερμικές και μηχανικές καταπονήσεις κατά την κατασκευή, τη συναρμολόγηση και τη λειτουργία.

Οι διαφορές στον συντελεστή θερμικής διαστολής, τη συμπεριφορά υγρασίας, τις διηλεκτρικές ιδιότητες, την κατανομή του χαλκού και την κατασκευή των στρώσεων μπορούν να επηρεάσουν τη διαστατική σταθερότητα και την αξιοπιστία της συσκευασίας.

Για αυτόν τον λόγο, η επιλογή υλικού δεν μπορεί να διαχωριστεί από την πλήρη δομή του υποστρώματος.

Υπόστρωμα ABF και Τεχνολογία HDI

Τα υποστρώματα ABF και οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων HDI μοιράζονται αρκετές σημαντικές κατασκευαστικές έννοιες, αλλά δεν θα πρέπει να αντιμετωπίζονται ως πανομοιότυπες τεχνολογίες.

Και οι δύο μπορούν να χρησιμοποιήσουν:

• Σύσταση διηλεκτρικών στρωμάτων
• Διάτρηση με λέιζερ
• Microvias
• Λεπτός χαλκός
• Διαδοχική επεξεργασία
• Δρομολόγηση υψηλής πυκνότητας

Ωστόσο, ένα υπόστρωμα συσκευασίας ABF λειτουργεί σε επίπεδο συσκευασίας ημιαγωγών, όπου οι απαιτήσεις πυκνότητας διασύνδεσης και διαστάσεων μπορεί να είναι σημαντικά πιο απαιτητικές.

Η τεχνολογία HDI παραμένει εξαιρετικά σημαντική στην πλευρά της πλακέτας συστήματος.

Για παράδειγμα, ένα υπολογιστικό σύστημα υψηλής τεχνολογίας μπορεί να περιέχει:

Επομένως, το υπόστρωμα της συσκευασίας και η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος πρέπει να συνεργάζονται ηλεκτρικά και μηχανικά.

Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο οι προηγμένοι κατασκευαστές PCB χρειάζονται όλο και περισσότερο εξειδίκευση σε κατασκευές υψηλής πυκνότητας και όχι μόνο σε συμβατικές πολυστρωματικές κατασκευές.

Η διαδοχική συσσώρευση είναι ιδιαίτερα σημαντική κατά το σχεδιασμό σύνθετων δομών HDI. Οι μηχανικοί μπορούν να μάθουν περισσότερα σχετικά με αυτήν την προσέγγιση στο άρθρο μας σχετικά με τον σχεδιασμό στοίβας τυπωμένων κυκλωμάτων HDI.

Ηλεκτρική Απόδοση Υποστρωμάτων ABF

Η επιλογή υποστρώματος ABF δεν αφορά μόνο την πυκνότητα φυσικής δρομολόγησης.

Η ηλεκτρική απόδοση αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία, καθώς οι διεπαφές πακέτων υποστηρίζουν υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων και μεγαλύτερο αριθμό σημάτων.

Διηλεκτρικές ιδιότητες

Η διηλεκτρική σταθερά και τα χαρακτηριστικά διάχυσης του διηλεκτρικού συστήματος επηρεάζουν τη διάδοση του σήματος, την χωρητικότητα, την αντίσταση και τις απώλειες.

Οι σχετικές ιδιότητες πρέπει να αξιολογούνται μαζί με την πραγματική δομή της συσκευασίας και όχι να αντιμετωπίζονται ως μεμονωμένοι αριθμοί υλικών.

Ακεραιότητα σήματος

Οι σύντομες διασυνδέσεις δεν εξαλείφουν αυτόματα τα προβλήματα ακεραιότητας του σήματος.

Σε υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, οι ιχνηλατήσεις πακέτων, οι διαβάσεις, οι μεταβάσεις, τα επίπεδα αναφοράς και οι συνδέσεις PCB μπορούν να συμβάλουν σε:

• Απώλεια εισαγωγής
• Επιστροφή απώλεια
• Λογομαχία
• Αναστοχασμός
• λοξότητα
• Ασυνέχειες σύνθετης αντίστασης

Επομένως, το υπόστρωμα συσκευασίας αποτελεί μέρος του πλήρους καναλιού υψηλής ταχύτητας.

Μόλις το σήμα εγκαταλείψει το υπόστρωμα της συσκευασίας και εισέλθει στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος, η στοίβαξη και το σύστημα υλικών της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος πρέπει να συνεχίσουν να υποστηρίζουν τις ηλεκτρικές απαιτήσεις.

Για εφαρμογές σε επίπεδο συστήματος, οι μηχανικοί μπορούν να εξετάσουν τους πόρους μας σχετικά με την κατασκευή PCB υψηλής ταχύτητας και τα υλικά PCB υψηλής ταχύτητας.

Ακεραιότητα δύναμης

Οι προηγμένοι επεξεργαστές και επιταχυντές μπορούν επίσης να δημιουργήσουν απαιτητικές απαιτήσεις παροχής ισχύος.

Το υπόστρωμα της συσκευασίας πρέπει να δέχεται πυκνές συνδέσεις ισχύος και γείωσης, διατηρώντας παράλληλα αποδεκτή ηλεκτρική και θερμική απόδοση.

Αυτό αποκτά ιδιαίτερη σημασία σε συστήματα υπολογιστών υψηλής απόδοσης όπου η πυκνότητα ισχύος του επεξεργαστή, οι διεπαφές υψηλής ταχύτητας, το εύρος ζώνης μνήμης και ο θερμικός σχεδιασμός είναι στενά διασυνδεδεμένα.

Εφαρμογές υποστρώματος ABF

Τα υποστρώματα ABF σχετίζονται κυρίως με προηγμένες συσκευασίες ημιαγωγών όπου απαιτείται υψηλή πυκνότητα διασύνδεσης.

CPU και GPU

Οι επεξεργαστές υψηλής απόδοσης απαιτούν μεγάλο αριθμό συνδέσεων πακέτων και πυκνή δρομολόγηση υποστρώματος.

Τα υποστρώματα συσκευασίας που βασίζονται σε ABF μπορούν να παρέχουν την λεπτή δομή διασύνδεσης που απαιτείται μεταξύ της συσκευασίας ημιαγωγών και του εξωτερικού συστήματος.

Επιταχυντές AI

Το υλικό υπολογιστών τεχνητής νοημοσύνης θέτει σημαντικές απαιτήσεις στις εισόδους/εξόδους του επεξεργαστή, στις διεπαφές μνήμης, στην παροχή ισχύος και στην επικοινωνία υψηλής ταχύτητας.

Καθώς οι αρχιτεκτονικές των επιταχυντών γίνονται πιο περίπλοκες, η πυκνότητα διασύνδεσης σε επίπεδο πακέτου αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία.

Η εξωτερική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) πρέπει στη συνέχεια να παρέχει την κατάλληλη ηλεκτρική, μηχανική, θερμική και ισχύουσα υποδομή γύρω από τη συσκευασία.

Δικτύωση και Υλικό Κέντρου Δεδομένων

Οι συσκευές μεταγωγής και δικτύωσης υψηλής ταχύτητας ενδέχεται να απαιτούν πυκνές διασυνδέσεις πακέτων, καθώς και απαιτητική δρομολόγηση στην πλακέτα συστήματος.

Το υπόστρωμα της συσκευασίας και η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) πρέπει να συνεργάζονται για να διατηρήσουν την ακεραιότητα του σήματος σε ολόκληρο το κανάλι.

ASIC και Προσαρμοσμένες Υπολογιστικές Συσκευές

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα για συγκεκριμένες εφαρμογές μπορούν να έχουν ιδιαίτερα προσαρμοσμένες απαιτήσεις συσκευασίας.

Η αρχιτεκτονική του υποστρώματος ενδέχεται να χρειάζεται να προσαρμόζεται σε συγκεκριμένες διατάξεις εισόδου/εξόδου, τομείς ισχύος, διεπαφές υψηλής ταχύτητας και μηχανικούς περιορισμούς.

Αρχιτεκτονικές που βασίζονται σε τσιπλέτα

Οι αρχιτεκτονικές chiplet θέτουν πρόσθετες απαιτήσεις στη διασύνδεση των πακέτων, επειδή πολλαπλές μήτρες ημιαγωγών μπορούν να επικοινωνούν μέσω μιας κοινής δομής συσκευασίας.

Καθώς οι αρχιτεκτονικές πακέτων εξελίσσονται, το υπόστρωμα γίνεται ολοένα και πιο σημαντικό μέρος του συνολικού συστήματος διασύνδεσης.

Υπόστρωμα ABF και συσκευασία BGA

Η τεχνολογία ABF είναι στενά συνδεδεμένη με προηγμένες δομές πακέτων, συμπεριλαμβανομένων των πακέτων τύπου BGA υψηλής εισόδου/εξόδου.

Το υπόστρωμα της συσκευασίας κατανέμει σήματα από την ημιαγωγική μήτρα στους εξωτερικούς ακροδέκτες της συσκευασίας, οι οποίοι στη συνέχεια μπορούν να συνδεθούν στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος.

Αυτό δημιουργεί πολλαπλά επίπεδα διασύνδεσης:

Η μετάβαση μεταξύ αυτών των επιπέδων πρέπει να σχεδιαστεί προσεκτικά.

Για τους μηχανικούς που εργάζονται με την πλευρά αυτής της διεπαφής σε επίπεδο πλακέτας, η κατανόηση των υποστρωμάτων BGA και των δομών πακέτων είναι χρήσιμη.

Μόλις τοποθετηθεί η συσκευασία BGA στην πλακέτα συστήματος, η γεωμετρία της συγκόλλησης, ο σχεδιασμός του μαξιλαριού, το θερμικό προφίλ, η τοποθέτηση των εξαρτημάτων και η επιθεώρηση αποκτούν επίσης σημασία.

Σχεδιασμός του PCB γύρω από ένα πακέτο που βασίζεται σε ABF

Η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να συμπληρώνει τη συσκευασία αντί να τη αντιμετωπίζει ως μεμονωμένο στοιχείο.

Έξοδος ανεμιστήρα και δρομολόγηση διαφυγής

Τα πακέτα με υψηλό δείκτη εισόδου/εξόδου μπορούν να δημιουργήσουν εξαιρετικά πυκνές περιοχές δρομολόγησης διαφυγής.

Ο σχεδιαστής PCB μπορεί να χρειαστεί να συνδυάσει δρομολόγηση BGA λεπτού βήματος, δομές via-in-pad, μικροδιόδους, θαμμένες διόδους και προσεκτικά σχεδιασμένες αναθέσεις στρώσεων.

Ο στόχος δεν είναι απλώς να τοποθετηθούν όλες οι συνδέσεις στην πλακέτα. Η αρχιτεκτονική δρομολόγησης πρέπει επίσης να διατηρεί την κατασκευασιμότητα και την ηλεκτρική απόδοση.

Επιλογή στοίβαξης

Η στοίβαξη των PCB επηρεάζει:

• Αντίσταση σήματος
• Συνέχεια επιπέδου αναφοράς
• Διανομή ενέργειας
• Λογομαχία
• Θερμική συμπεριφορά
• Μέσω αρχιτεκτονικής
• Πολυπλοκότητα κατασκευής

Για επεξεργαστές υψηλής ταχύτητας και πλακέτες δικτύωσης, η μετάβαση από πακέτο σε πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ανάπτυξη του stackup.

Παράδοση ισχύος

Οι μεγάλοι επεξεργαστές και επιταχυντές ενδέχεται να απαιτούν σημαντική παροχή ρεύματος μέσω σχετικά μικρών περιοχών συσκευασίας.

Συνεπώς, η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) χρειάζεται μια κατάλληλη δομή επιπέδου ισχύος, κατανομή χαλκού, διάταξη μέσω σύνδεσης, στρατηγική αποσύνδεσης και θερμικό σχεδιασμό.

Κατασκευαστικές ανοχές

Μια εξαιρετικά πολύπλοκη διεπαφή συσκευασίας μπορεί να κάνει την κατασκευή PCB πιο ευαίσθητη στη συσσώρευση ανοχών.

Οι διαστάσεις του τακακιού, η καταγραφή της μάσκας συγκόλλησης μέσω της τοποθέτησης, το πάχος του χαλκού, η ακρίβεια του τρυπανιού και η καταγραφή των στρώσεων θα πρέπει να ελέγχονται σε σχέση με την πραγματική ικανότητα κατασκευής.

Μια εμπεριστατωμένη ανασκόπηση του σχεδιασμού για την κατασκευή των PCB μπορεί να εντοπίσει προβλήματα κατασκευασιμότητας πριν από την έναρξη της παραγωγής.

Υπόστρωμα ABF έναντι άλλων τεχνολογιών υποστρώματος IC

Το ABF δεν είναι το μόνο υλικό ή κατασκευή που χρησιμοποιείται για υποστρώματα ημιαγωγών.

Διαφορετικοί τύποι συσκευασιών μπορεί να απαιτούν διαφορετικές τεχνολογίες υποστρώματος.

Η κατάλληλη επιλογή εξαρτάται από παράγοντες όπως:

• Αριθμός εισόδων/εξόδων
• Το μέγεθος της συσκευασίας
• Πυκνότητα δρομολόγησης
• Ταχύτητα σήματος
• Θερμικές απαιτήσεις
• Στόχος κόστους
• Μηχανικοί περιορισμοί
• Όγκος παραγωγής
• Αρχιτεκτονική πακέτων ημιαγωγών

Το ABF σχετίζεται ιδιαίτερα με προηγμένα οργανικά υποστρώματα υψηλής πυκνότητας, αλλά άλλες προσεγγίσεις υποστρώματος μπορεί να είναι πιο κατάλληλες για διαφορετικές κατηγορίες συσκευασιών.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η επιλογή υποστρώματος θα πρέπει να ξεκινά με την αρχιτεκτονική της συσκευασίας και τις ηλεκτρικές απαιτήσεις και όχι απλώς να επιλέγει το πιο προηγμένο διαθέσιμο υλικό.

Ζητήματα αξιοπιστίας υποστρώματος ABF

Η αξιοπιστία πρέπει να αξιολογείται σε ολόκληρο το σύστημα συσκευασίας και πλακέτας.

Θερμική Ποδηλασία

Οι επαναλαμβανόμενες αλλαγές θερμοκρασίας προκαλούν μηχανικές καταπονήσεις επειδή διαφορετικά υλικά διαστέλλονται και συστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς.

Το υπόστρωμα της συσκευασίας, η συσκευασία ημιαγωγών, οι συνδέσεις συγκόλλησης και η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) πρέπει επομένως να αξιολογηθούν ως συνδυασμένη δομή.

Υγρασία

Τα οργανικά διηλεκτρικά υλικά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με την υγρασία, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τη συμπεριφορά και την αξιοπιστία της επεξεργασίας.

Συνεπώς, οι συνθήκες χειρισμού και αποθήκευσης της υγρασίας πρέπει να ελέγχονται σύμφωνα με τις απαιτήσεις του υλικού και της διαδικασίας συσκευασίας.

Αξιοπιστία Microvia

Οι δομές Microvia πρέπει να παραμένουν ηλεκτρικά και μηχανικά αξιόπιστες κατά τη διάρκεια της θερμικής κυκλικής διαδικασίας κατασκευής και λειτουργίας.

Η ποιότητα του χαλκού, μέσω της γεωμετρίας, της επιμετάλλωσης, των διηλεκτρικών διεπαφών και της θερμικής καταπόνησης, συμβάλλει όλα στην απόδοση.

Αξιοπιστία από συσκευασία σε PCB

Ακόμα και όταν το ίδιο το υπόστρωμα ABF λειτουργεί σωστά, ολόκληρη η συναρμολόγηση μπορεί να παρουσιάσει σφάλματα στη διεπαφή συσκευασίας-PCB.

Οι συνδέσεις συγκόλλησης BGA, η στρέβλωση της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος, η θερμική αναντιστοιχία, το προφίλ συναρμολόγησης και η μηχανική φόρτιση μπορούν όλα να επηρεάσουν την αξιοπιστία του πεδίου.

Για εφαρμογές BGA, οι μηχανικοί μπορούν επίσης να εξετάσουν τις πληροφορίες μας σχετικά με τη συναρμολόγηση PCB BGA και τις σχετικές επιθεωρήσεις, καθώς και τις παραμέτρους συγκόλλησης.

Πώς να αξιολογήσετε ένα έργο υποστρώματος ABF

Κατά την αξιολόγηση ενός έργου που σχετίζεται με το ABF, είναι χρήσιμο να διαχωρίσετε τις απαιτήσεις σε τέσσερα επίπεδα.

1. Απαιτήσεις συσκευασίας ημιαγωγών

• Μέγεθος μήτρας
• Αριθμός εισόδων/εξόδων
• Διαστάσεις συσκευασίας
• Πίσσα εισόδου/εξόδου
• Απαιτήσεις ισχύος
• Απαιτήσεις διεπαφής υψηλής ταχύτητας
• Αρχιτεκτονική πακέτου

2. Απαιτήσεις Υποστρώματος

• Κατασκευή πυρήνα
• Αριθμός στρώσεων δόμησης
• Διηλεκτρικό σύστημα
• Ελάχιστη γραμμή/κενό
• Διαστάσεις μικροβίων
• Διαστάσεις μαξιλαριού
• Πάχος χαλκού
• Η επιφάνεια τελειώνει
• Απαιτήσεις εγγραφής
• Απαιτήσεις Warpage

3. Απαιτήσεις πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος συστήματος

• Αριθμός στρώσεων PCB
• στιβάζω
• Υλικό σύστημα
• Ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση
• Στρατηγική διαφυγής BGA
• Μέσω δομής
• Βάρος χαλκού
• Θερμικές απαιτήσεις
• Διανομή ενέργειας
• Η επιφάνεια τελειώνει

4. Απαιτήσεις συναρμολόγησης

• Προδιαγραφές εξαρτημάτων BGA
• Πάστα συγκόλλησης
• Σχεδιασμός στένσιλ
• Προφίλ αναδιαμόρφωσης
• Απαιτήσεις AOI
• Επιθεώρηση ακτίνων Χ
• Ηλεκτρολογικές δοκιμές
• Απαιτήσεις επανεργασίας
• Ιχνηλασιμότητα

Ο διαχωρισμός αυτών των τεσσάρων επιπέδων διευκολύνει τον εντοπισμό της πηγής ενός προβλήματος.

Ένα πρόβλημα σε επίπεδο συσκευασίας δεν θα πρέπει αυτόματα να αντιμετωπίζεται ως πρόβλημα κατασκευής PCB και ένας περιορισμός δρομολόγησης σε επίπεδο PCB δεν θα πρέπει αυτόματα να αποδίδεται στο υπόστρωμα ABF.

Υπόστρωμα ABF στην αλυσίδα κατασκευής προηγμένων ηλεκτρονικών

Η τεχνολογία ABF καταδεικνύει πώς η συσκευασία ημιαγωγών και η κατασκευή PCB γίνονται ολοένα και πιο αλληλένδετες.

Μια σύγχρονη πλατφόρμα υπολογιστών υψηλής απόδοσης μπορεί να περιλαμβάνει αρκετές τεχνολογίες κατασκευής:

Κάθε στάδιο έχει διαφορετικές τεχνικές απαιτήσεις, αλλά οι ηλεκτρικές και μηχανικές διεπαφές μεταξύ τους πρέπει να παραμένουν συμβατές.

Για τους κατασκευαστές PCB, αυτό σημαίνει ότι η κατανόηση της συσκευασίας ημιαγωγών είναι ολοένα και πιο πολύτιμη, ακόμη και όταν η πραγματική ευθύνη παραγωγής επικεντρώνεται στην πλακέτα σε επίπεδο συστήματος.

Η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) δεν είναι πλέον απλώς μια παθητική πλατφόρμα γύρω από τον επεξεργαστή. Αποτελεί μέρος της πλήρους ηλεκτρικής, θερμικής και μηχανικής αρχιτεκτονικής.

Γιατί το DFM έχει σημασία για έργα PCB που σχετίζονται με ABF

Τα πακέτα που βασίζονται στο ABF μπορούν να δημιουργήσουν εξαιρετικά πυκνές διεπαφές PCB.

Η προσπάθεια επίλυσης αυτών των διεπαφών μόνο μετά την ολοκλήρωση της διάταξης της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) μπορεί να οδηγήσει σε περιττούς επανασχεδιασμούς.

Η αξιολόγηση του DFM θα πρέπει ιδανικά να ξεκινά πριν από την κυκλοφορία της κατασκευής.

Στόχος είναι η διατήρηση του προβλεπόμενου ηλεκτρικού σχεδιασμού, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι η φυσική πλακέτα μπορεί να κατασκευαστεί με συνέπεια.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν ένας σχεδιασμός συνδυάζει προηγμένα πακέτα με δομές HDI, επειδή ένας θεωρητικά δρομολογήσιμος σχεδιασμός μπορεί να μην είναι πρακτικός σε κλίμακα παραγωγής.

Από το πακέτο ABF στο ολοκληρωμένο PCBA

Το ίδιο το υπόστρωμα ABF είναι μόνο ένα μέρος του πλήρους προϊόντος.

Μόλις ένα προηγμένο πακέτο συνδεθεί στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος, η διαδικασία κατασκευής συνεχίζεται μέσω της τοποθέτησης εξαρτημάτων, της συγκόλλησης, της επιθεώρησης, των δοκιμών και ενδεχομένως της ενσωμάτωσης σε επίπεδο συστήματος.

Ένας ικανός συνεργάτης κατασκευής θα πρέπει επομένως να κατανοεί τη σχέση μεταξύ της γυμνής πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) και της τελικής συναρμολόγησης.

Για έργα που απαιτούν τόσο κατασκευή πλακέτας όσο και συναρμολόγηση εξαρτημάτων, οι υπηρεσίες συναρμολόγησης PCB μπορούν να βοηθήσουν στη σύνδεση των σταδίων κατασκευής και συναρμολόγησης στο πλαίσιο μιας συντονισμένης διαδικασίας κατασκευής.

Αυτό καθίσταται ιδιαίτερα πολύτιμο για πλακέτες επεξεργαστών υψηλής πυκνότητας όπου οι προδιαγραφές κατασκευής PCB και οι παράμετροι συναρμολόγησης δεν μπορούν να ληφθούν υπόψη ανεξάρτητα.

Υπόστρωμα ABF: Βασικά σημεία

Η τεχνολογία υποστρώματος ABF κατέχει σημαντική θέση μεταξύ της συσκευασίας ημιαγωγών και της κατασκευής PCB σε επίπεδο συστήματος.

Τα πιο σημαντικά σημεία είναι:

• ABF σημαίνει Ajinomoto Build-up Film, μια οργανική διηλεκτρική τεχνολογία που χρησιμοποιείται εκτενώς σε προηγμένα υποστρώματα συσκευασίας.
• An Το υπόστρωμα συσκευασίας ABF δεν είναι απλώς ένα συμβατικό PCB κατασκευασμένο από διαφορετικό φύλλο πλαστικού.
• Ο κύριος σκοπός του είναι να παρέχει πολύ πυκνή ηλεκτρική διασύνδεση μεταξύ ενός ημιαγωγικού πακέτου και του εξωτερικού συστήματος.
• Τα στρώματα συσσώρευσης, οι μικροοπές λέιζερ, η λεπτή δρομολόγηση χαλκού και η στενή ευθυγράμμιση είναι θεμελιώδη για την τεχνολογία.
• Τα υποστρώματα ABF συνδέονται στενά με εφαρμογές ημιαγωγών υψηλής εισόδου/εξόδου, όπως επεξεργαστές, επιταχυντές, ASIC και προηγμένες συσκευές δικτύωσης.
• Το υπόστρωμα της συσκευασίας και η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος πρέπει να λαμβάνονται υπόψη μαζί για την ακεραιότητα του σήματος, την παροχή ισχύος, τη θερμική συμπεριφορά και την αξιοπιστία.
• Οι τεχνολογίες PCB υψηλής πυκνότητας, όπως το HDI, αποκτούν ιδιαίτερη σημασία στη διεπαφή συσκευασίας-προς-πλαίσιο.
• Η σκοπιμότητα κατασκευής θα πρέπει να επανεξετάζεται νωρίς, επειδή οι λεπτές γεωμετρίες και οι αυστηρές ανοχές μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την απόδοση και το κόστος.
• Το τελικό προϊόν εξαρτάται όχι μόνο από την ποιότητα του υποστρώματος αλλά και από την κατασκευή, τη συναρμολόγηση, την επιθεώρηση και τις δοκιμές των PCB.

Συχνές ερωτήσεις σχετικά με τα υποστρώματα ABF