Sustrato ABF: Materiales, proceso de fabricación, aplicaciones e integración en PCB

Para los ingenieros que evalúan aplicaciones avanzadas de computación, redes, IA, aceleradores, procesadores u otras aplicaciones de alta E/S, es fundamental comprender la relación entre los materiales dieléctricos ABF, los sustratos de circuitos integrados, las interconexiones de los paquetes, las estructuras HDI y las placas de circuito impreso a nivel de sistema.

¿Qué es un sustrato ABF?

ABF son las siglas de Ajinomoto Build-up Film , una tecnología de película dieléctrica desarrollada para aplicaciones de encapsulado de semiconductores de alta densidad.

Un sustrato ABF generalmente consta de una estructura central combinada con múltiples capas de interconexión de cobre y dieléctrico. Dentro de estas capas se forman finas pistas de cobre y microvías para crear el enrutamiento denso necesario entre el encapsulado del semiconductor y la placa de circuito impreso externa.

Esta construcción es fundamentalmente diferente de una placa de circuito impreso multicapa convencional.

Una placa de circuito impreso tradicional suele optimizarse en función de la robustez mecánica, la facilidad de fabricación, el rendimiento eléctrico, los requisitos térmicos y el coste a nivel de placa base. En cambio, un sustrato de encapsulado ABF debe albergar interconexiones extremadamente densas justo al lado de un dispositivo semiconductor.

Por lo tanto, el sustrato actúa como un puente eléctrico y mecánico entre dos entornos muy diferentes:

Este papel intermedio es la razón por la que la tecnología ABF está estrechamente relacionada con la tecnología de sustratos para circuitos integrados, en lugar de con la fabricación convencional de placas de circuito impreso.

¿Por qué se utiliza ABF para el empaquetado avanzado de circuitos integrados?

La principal razón por la que ABF es importante es que los encapsulados de semiconductores avanzados requieren densidades de interconexión que las tecnologías de PCB convencionales no pueden proporcionar de manera eficiente.

Los procesadores modernos, las GPU, los aceleradores de IA, los dispositivos de red y otros encapsulados semiconductores de alta capacidad de entrada/salida pueden contener un número muy elevado de conexiones eléctricas dentro de un área de encapsulado relativamente pequeña.

Por lo tanto, el sustrato del envase debe proporcionar:

• Enrutamiento de cobre de línea fina
• Alta densidad de interconexión
• Múltiples capas acumuladas
• Microvías formadas por láser
• Espesor dieléctrico controlado
• Propiedades eléctricas estables
• Interfaces fiables de cobre a dieléctrico
• Comportamiento dimensional controlado
• Compatibilidad con los procesos de encapsulado de semiconductores

Las estructuras modulares ABF permiten aumentar la densidad de enrutamiento tanto vertical como horizontalmente.

En lugar de intentar enrutar todas las conexiones a través de una estructura de PCB gruesa convencional, los ingenieros pueden construir capas dieléctricas y de cobre adicionales alrededor de un sustrato central y utilizar microvías para conectar las capas adyacentes.

Este enfoque permite una densidad de enrutamiento mucho mayor dentro de un espacio de paquete limitado.

El resultado es especialmente valioso para los dispositivos semiconductores, donde la densidad de E/S del paquete se ha convertido en una de las principales limitaciones de la arquitectura general del sistema.

Sustrato ABF frente a PCB convencional

Es importante no utilizar los términos ABF PCB y sustrato de encapsulado ABF indistintamente.

Aunque ambos utilizan conductores de cobre y materiales dieléctricos, sus objetivos de diseño y requisitos de fabricación son diferentes.

Una placa de circuito impreso convencional puede conectar un procesador, memoria, circuitos de alimentación, conectores y otros componentes a lo largo de una placa relativamente grande.

Un sustrato de encapsulado ABF cumple una función diferente: proporciona la interconexión extremadamente densa inmediatamente debajo o alrededor del encapsulado del semiconductor.

Esa distinción también explica por qué estas tecnologías suelen aparecer juntas en sistemas electrónicos avanzados.

Cómo funcionan las estructuras de construcción ABF

Una estructura de sustrato ABF simplificada puede entenderse como una secuencia de capas dieléctricas y de cobre construidas alrededor de un núcleo.

El concepto de fabricación generalmente comprende varias etapas principales:

El flujo exacto del proceso varía según la arquitectura del sustrato, la capacidad del fabricante, las reglas de diseño y los requisitos del encapsulado.

Acumulación dieléctrica

La película ABF proporciona la capa aislante entre las estructuras conductoras de cobre.

El material dieléctrico debe proporcionar las características eléctricas requeridas, al tiempo que permite la fabricación de componentes de alta precisión y una interconexión fiable.

El grosor y las propiedades de cada capa dieléctrica influyen en la geometría del enrutamiento, la formación de vías, el comportamiento de la impedancia, la capacitancia y las características mecánicas.

Microvías láser

Una de las características distintivas de los sustratos de construcción avanzados es el uso de microvías formadas por láser.

A diferencia de los grandes orificios pasantes convencionales, las microvías pueden conectar capas de construcción adyacentes ocupando una superficie sustancialmente menor.

Esto permite que los canales de enrutamiento atraviesen regiones con alta densidad de paquetes.

Por lo tanto, la geometría de las microvías, las dimensiones de las plataformas de aterrizaje, la calidad del recubrimiento de cobre y la precisión de la alineación son factores críticos para el rendimiento del sustrato.

En lo que respecta a la tecnología de PCB relacionada, nuestra guía sobre estructuras de PCB de interconexión de alta densidad proporciona información útil sobre cómo las interconexiones verticales en miniatura aumentan la densidad de enrutamiento.

Metalización del cobre

Tras la formación del dieléctrico y la perforación láser, deben crearse estructuras conductoras de cobre.

Dependiendo del proceso de fabricación, se pueden combinar la formación de capas de siembra, el recubrimiento químico de cobre, la galvanoplastia y los procesos de modelado para producir la geometría conductora requerida.

En dimensiones de sustrato avanzadas, el control del proceso se vuelve cada vez más importante, ya que variaciones relativamente pequeñas en el espesor del cobre, el ancho de línea, el espaciado o el registro pueden afectar el rendimiento eléctrico y de fabricación.

Desafíos en la fabricación de sustratos ABF

La fabricación de sustratos ABF es considerablemente más exigente que la fabricación convencional de PCB multicapa.

La dificultad no se debe a un solo proceso, sino a la interacción de geometrías extremadamente finas, múltiples ciclos de acumulación, el comportamiento del material, el procesamiento del cobre, la perforación láser, el registro, la inspección y la gestión del rendimiento.

Patrones de líneas finas

A medida que disminuyen el ancho de las líneas y los espacios, las pequeñas variaciones se vuelven proporcionalmente más significativas.

Una variación en el proceso que sería insignificante en una placa de circuito impreso convencional puede volverse inaceptable cuando la geometría del conductor se mide a una escala mucho menor.

Por lo tanto, los fabricantes necesitan procesos de imagen, recubrimiento, grabado, registro e inspección estrictamente controlados.

Registro de capa a capa

Cada capa adicional introduce un nuevo requisito de alineación.

La microvía debe quedar correctamente alineada con la estructura de cobre subyacente, mientras que el patrón de enrutamiento superior también debe coincidir con la estructura circundante.

Por lo tanto, los errores de registro pueden acumularse a lo largo de toda la secuencia de fabricación.

A través de la confiabilidad

Las microvías deben mantener conexiones eléctricas y mecánicas fiables durante el procesamiento y el funcionamiento posteriores.

La mala formación de vías, la deposición inadecuada de cobre, los huecos, las grietas o el estrés excesivo pueden contribuir a problemas de fiabilidad.

Por lo tanto, es necesario controlar cuidadosamente la relación entre la perforación láser, la eliminación de residuos, la formación de semillas, el recubrimiento y los ciclos térmicos subsiguientes.

Estabilidad material y dimensional

Los sustratos de los encapsulados experimentan tensiones térmicas y mecánicas durante la fabricación, el ensamblaje y el funcionamiento.

Las diferencias en el coeficiente de dilatación térmica, el comportamiento ante la humedad, las propiedades dieléctricas, la distribución del cobre y la estructura de las capas pueden afectar la estabilidad dimensional y la fiabilidad del encapsulado.

Por este motivo, la selección del material no puede separarse de la estructura completa del sustrato.

Sustrato ABF y tecnología HDI

Los sustratos ABF y las placas de circuito impreso HDI comparten varios conceptos de fabricación importantes, pero no deben tratarse como tecnologías idénticas.

Ambos pueden utilizar:

• Capas dieléctricas de acumulación
• Perforación láser
• Microvías
• Cobre de línea fina
• Tratamiento secuencial
• Enrutamiento de alta densidad

Sin embargo, un sustrato de encapsulado ABF opera a nivel de encapsulado de semiconductores, donde la densidad de interconexión y los requisitos dimensionales pueden ser sustancialmente más exigentes.

La tecnología HDI sigue siendo muy relevante en lo que respecta a las placas base.

Por ejemplo, un sistema informático de gama alta puede contener:

Por lo tanto, el sustrato del paquete y la placa de circuito impreso del sistema deben funcionar conjuntamente tanto eléctrica como mecánicamente.

Esta es una de las razones por las que los fabricantes de PCB avanzados necesitan cada vez más experiencia en estructuras de alta densidad, en lugar de limitarse a la fabricación multicapa convencional.

El ensamblaje secuencial es particularmente importante al diseñar estructuras HDI complejas. Los ingenieros pueden obtener más información sobre este enfoque en nuestro artículo sobre el diseño de apilamiento de PCB HDI.

Rendimiento eléctrico de los sustratos ABF

La selección del sustrato ABF no se trata solo de la densidad de enrutamiento físico.

El rendimiento eléctrico cobra cada vez más importancia a medida que las interfaces de los encapsulados admiten velocidades de datos más altas y un mayor número de señales.

Propiedades dielectricas

La constante dieléctrica y las características de disipación del sistema dieléctrico influyen en la propagación de la señal, la capacitancia, la impedancia y las pérdidas.

Las propiedades relevantes deben evaluarse junto con la estructura real del paquete, en lugar de tratarse como números de materiales aislados.

Integridad de la señal

Las interconexiones cortas no eliminan automáticamente los problemas de integridad de la señal.

A altas velocidades de datos, las pistas del paquete, las vías, las transiciones, los planos de referencia y las conexiones de la PCB pueden contribuir a:

• Pérdida de inserción
• Pérdidas de retorno
• Crosstalk
• Reflexiones
• oblicuidad
• discontinuidades de impedancia

Por lo tanto, el sustrato del paquete forma parte del canal de alta velocidad completo.

Una vez que la señal sale del sustrato del paquete y entra en la placa de circuito impreso del sistema, la estructura de capas y el sistema de materiales de la placa de circuito impreso deben seguir cumpliendo los requisitos eléctricos.

Para aplicaciones a nivel de sistema, los ingenieros pueden consultar nuestros recursos sobre fabricación de PCB de alta velocidad y materiales para PCB de alta velocidad.

Integridad de poder

Los procesadores y aceleradores avanzados también pueden generar exigentes requisitos de suministro de energía.

El sustrato del encapsulado debe permitir conexiones densas de alimentación y tierra, manteniendo al mismo tiempo un rendimiento eléctrico y térmico aceptable.

Esto cobra especial importancia en los sistemas informáticos de alto rendimiento, donde la densidad de potencia del procesador, las interfaces de alta velocidad, el ancho de banda de la memoria y el diseño térmico están estrechamente interconectados.

Aplicaciones de sustratos ABF

Los sustratos ABF se asocian principalmente con el encapsulado avanzado de semiconductores, donde se requiere una alta densidad de interconexión.

CPU y GPU

Los procesadores de alto rendimiento requieren un gran número de conexiones de encapsulado y un enrutamiento denso del sustrato.

Los sustratos de encapsulado basados ​​en ABF pueden proporcionar la estructura de interconexión precisa necesaria entre el encapsulado del semiconductor y el sistema externo.

Aceleradores de IA

El hardware de computación de IA impone exigencias sustanciales a la entrada/salida del procesador, las interfaces de memoria, el suministro de energía y la comunicación de alta velocidad.

A medida que las arquitecturas de los aceleradores se vuelven más complejas, la densidad de interconexión a nivel de paquete adquiere una importancia cada vez mayor.

La placa de circuito impreso externa debe proporcionar la infraestructura eléctrica, mecánica, térmica y de alimentación adecuada alrededor del encapsulado.

Hardware de redes y centros de datos

Los dispositivos de conmutación y de red de alta velocidad pueden requerir interconexiones de paquetes densas junto con un enrutamiento exigente en la placa del sistema.

El sustrato del encapsulado y la placa de circuito impreso deben trabajar conjuntamente para preservar la integridad de la señal en todo el canal.

ASIC y dispositivos informáticos personalizados

Los circuitos integrados de aplicación específica pueden tener requisitos de encapsulado altamente personalizados.

La arquitectura del sustrato puede necesitar adaptarse a configuraciones específicas de entrada/salida, dominios de alimentación, interfaces de alta velocidad y limitaciones mecánicas.

Arquitecturas basadas en chiplets

Las arquitecturas de chiplets imponen exigencias adicionales a la interconexión de los paquetes, ya que varios chips semiconductores pueden comunicarse a través de una estructura de paquete común.

A medida que evolucionan las arquitecturas de los encapsulados, el sustrato se convierte en una parte cada vez más importante del sistema de interconexión general.

Sustrato ABF y encapsulado BGA

La tecnología ABF está estrechamente relacionada con estructuras de encapsulado avanzadas, incluidos los encapsulados tipo BGA de alta capacidad de entrada/salida.

El sustrato del encapsulado distribuye las señales desde el chip semiconductor a los terminales externos del encapsulado, que luego pueden conectarse a la placa de circuito impreso del sistema.

Esto crea múltiples niveles de interconexión:

La transición entre estos niveles debe diseñarse cuidadosamente.

Para los ingenieros que trabajan con la parte de la placa de circuito impreso de esta interfaz, resulta útil comprender los sustratos BGA y las estructuras de los encapsulados.

Una vez que el encapsulado BGA se coloca en la placa del sistema, la geometría de las uniones de soldadura, el diseño de las almohadillas, el perfil térmico, la colocación de los componentes y la inspección también cobran importancia.

Diseño de la placa de circuito impreso en torno a un encapsulado basado en ABF.

La placa de circuito impreso del sistema debe diseñarse para complementar el encapsulado, en lugar de tratar el encapsulado como un componente aislado.

Distribución y enrutamiento de escape

Los paquetes con alto rendimiento de E/S pueden crear regiones de enrutamiento de escape extremadamente densas.

Es posible que el diseñador de PCB necesite combinar el enrutamiento BGA de paso fino, estructuras de vías en almohadillas, microvías, vías enterradas y asignaciones de capas cuidadosamente planificadas.

El objetivo no es simplemente colocar todas las conexiones en la placa. La arquitectura de enrutamiento también debe mantener la facilidad de fabricación y el rendimiento eléctrico.

Selección de pila

La configuración de capas de la placa de circuito impreso afecta a:

• Impedancia de la señal
• Continuidad del plano de referencia
• Distribución de poder
• Crosstalk
• Comportamiento térmico
• A través de la arquitectura
• Complejidad de fabricación

Para las placas de procesadores y de red de alta velocidad, la transición del encapsulado a la placa de circuito impreso debe tenerse en cuenta durante el desarrollo de la configuración de la pila de componentes.

La entrega de energía

Los procesadores y aceleradores de gran tamaño pueden requerir un suministro de corriente sustancial a través de regiones relativamente pequeñas del encapsulado.

Por lo tanto, la placa de circuito impreso necesita una estructura de plano de alimentación, una distribución de cobre, una disposición de vías, una estrategia de desacoplamiento y un diseño térmico adecuados.

Tolerancias de fabricación

Una interfaz de encapsulado muy compleja puede hacer que la fabricación de PCB sea más sensible a la acumulación de tolerancias.

Las dimensiones de las almohadillas, el registro de la máscara de soldadura, la colocación de las vías, el grosor del cobre, la precisión de la perforación y el registro de las capas deben comprobarse en función de la capacidad de fabricación real.

Una revisión exhaustiva del diseño de la placa de circuito impreso para su fabricación puede identificar problemas de fabricación antes de que comience la producción.

Sustrato ABF frente a otras tecnologías de sustratos para circuitos integrados

ABF no es el único material ni la única construcción que se utiliza para los sustratos de semiconductores.

Los diferentes tipos de encapsulado pueden requerir diferentes tecnologías de sustrato.

La elección adecuada depende de factores como:

• Recuento de E/S
• Tamaño del paquete
• Densidad de enrutamiento
• Velocidad de la señal
• Requisitos térmicos
• Objetivo de costo
• Restricciones mecánicas
• Volumen de producción
• Arquitectura de encapsulado de semiconductores

La técnica ABF se asocia particularmente con sustratos orgánicos avanzados de alta densidad, pero otros enfoques de sustrato pueden ser más apropiados para diferentes clases de encapsulados.

Por eso, la selección del sustrato debe comenzar con la arquitectura del encapsulado y los requisitos eléctricos, en lugar de simplemente elegir el material más avanzado disponible.

Consideraciones sobre la fiabilidad del sustrato ABF

La fiabilidad debe evaluarse en todo el sistema, tanto del paquete como de la placa base.

Ciclo Térmico

Los cambios repetidos de temperatura provocan tensiones mecánicas debido a que los diferentes materiales se expanden y contraen a ritmos distintos.

Por lo tanto, el sustrato del encapsulado, el encapsulado del semiconductor, las uniones de soldadura y la placa de circuito impreso deben evaluarse como una estructura combinada.

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Los materiales dieléctricos orgánicos pueden interactuar con la humedad, lo que puede afectar su comportamiento durante el procesamiento y su fiabilidad.

Por lo tanto, es necesario controlar las condiciones de manipulación y almacenamiento de la humedad de acuerdo con los requisitos del material y del proceso de envasado.

Confiabilidad de microvías

Las estructuras de microvías deben mantener su fiabilidad eléctrica y mecánica durante los ciclos térmicos de fabricación y funcionamiento.

La calidad del cobre, la geometría de las vías, el recubrimiento, las interfaces dieléctricas y el estrés térmico contribuyen al rendimiento.

Fiabilidad del encapsulado a la placa de circuito impreso

Incluso cuando el sustrato ABF funciona correctamente, el conjunto completo puede experimentar fallos en la interfaz entre el paquete y la placa de circuito impreso.

Las uniones de soldadura BGA, la deformación de la placa de circuito impreso, la incompatibilidad térmica, el perfil de ensamblaje y las cargas mecánicas pueden influir en la fiabilidad en condiciones reales de funcionamiento.

Para aplicaciones BGA, los ingenieros también pueden consultar nuestra información sobre el ensamblaje de PCB BGA y las consideraciones relacionadas con la inspección y las uniones de soldadura.

Cómo evaluar un proyecto de sustrato ABF

Al evaluar un proyecto relacionado con ABF, resulta útil dividir los requisitos en cuatro niveles.

1. Requisitos del encapsulado de semiconductores

• Tamaño de la matriz
• Recuento de E/S
• Dimensiones del paquete
• paso de E/S
• Requerimientos de energía
• Requisitos de interfaz de alta velocidad
• Arquitectura de paquetes

2. Requisitos de sustrato

• Construcción del núcleo
• Número de capas de acumulación
• Sistema dieléctrico
• Línea/espacio mínimo
• Dimensiones de la microvía
• Dimensiones de la almohadilla
• Espesor de cobre
• Acabado de la superficie
• Requisitos de registro
• Requisitos de deformación

3. Requisitos de la placa de circuito impreso del sistema

• Recuento de capas de PCB
• Apilar
• Sistema de materiales
• Impedancia controlada
• Estrategia de escape de BGA
• Vía estructura
• Peso de cobre
• Requisitos térmicos
• Distribución de poder
• Acabado de la superficie

4. Requisitos de montaje

• Especificaciones de los componentes BGA
• Pasta de soldadura
• Diseño de plantilla
• Perfil de reflujo
• Requisitos de AOI
• Inspección de rayos X
• Pruebas electricas
• Requisitos de reelaboración
• Trazabilidad

Separar estos cuatro niveles facilita la identificación del origen del problema.

Un problema a nivel de encapsulado no debe tratarse automáticamente como un problema de fabricación de PCB, y una limitación de enrutamiento a nivel de PCB no debe atribuirse automáticamente al sustrato ABF.

Sustrato ABF en la cadena de fabricación de electrónica avanzada

La tecnología ABF ilustra cómo el empaquetado de semiconductores y la fabricación de placas de circuito impreso están cada vez más interconectados.

Una plataforma informática moderna de alto rendimiento puede implicar varias tecnologías de fabricación:

Cada etapa tiene requisitos técnicos diferentes, pero las interfaces eléctricas y mecánicas entre ellas deben seguir siendo compatibles.

Para los fabricantes de PCB, esto significa que comprender el empaquetado de semiconductores es cada vez más valioso, incluso cuando la responsabilidad real de la producción se centra en la placa a nivel de sistema.

La placa de circuito impreso ya no es simplemente una plataforma pasiva alrededor del procesador. Forma parte de la arquitectura eléctrica, térmica y mecánica completa.

Por qué el DFM es importante para los proyectos de PCB relacionados con ABF

Los encapsulados basados ​​en ABF pueden crear interfaces de PCB extremadamente densas.

Intentar solucionar esos problemas de interfaz solo después de que se haya completado el diseño de la placa de circuito impreso puede dar lugar a rediseños innecesarios.

Idealmente, la revisión del DFM debería comenzar antes de la autorización para la fabricación.

El objetivo es mantener el diseño eléctrico previsto, garantizando al mismo tiempo que la placa física se pueda fabricar de forma uniforme.

Esto es especialmente importante cuando un diseño combina paquetes avanzados con estructuras HDI, ya que un diseño teóricamente enrutable puede resultar poco práctico a escala de producción.

Desde el paquete ABF hasta la placa de circuito impreso terminada

El sustrato ABF en sí mismo es solo una parte del producto completo.

Una vez que el paquete avanzado se conecta a la placa de circuito impreso del sistema, el proceso de fabricación continúa con la colocación de componentes, la soldadura, la inspección, las pruebas y, potencialmente, la integración a nivel de sistema. A nivel de la placa de circuito impreso, el ensamblaje de HDI en la interfaz de la placa del sistema sigue siendo una tarea de fabricación independiente de la producción del sustrato del paquete.

Por lo tanto, un socio de fabricación competente debe comprender la relación entre la placa de circuito impreso (PCB) sin componentes y el ensamblaje final.

Para proyectos que requieren tanto la fabricación de placas como el ensamblaje de componentes, los servicios de ensamblaje de PCB pueden ayudar a conectar las etapas de fabricación y ensamblaje dentro de un proceso de fabricación coordinado.

Esto resulta especialmente valioso para las placas de procesadores de alta densidad, donde las especificaciones de fabricación de la PCB y los parámetros de ensamblaje no pueden considerarse de forma independiente.

Sustrato ABF: Conclusiones clave

La tecnología de sustratos ABF ocupa una posición importante entre el encapsulado de semiconductores y la fabricación de placas de circuito impreso a nivel de sistema.

Los puntos más importantes son:

• ABF significa Ajinomoto Build-up Film, una tecnología dieléctrica orgánica ampliamente utilizada en sustratos de encapsulado avanzados.
• An El sustrato del paquete ABF no es simplemente una PCB convencional hecha de un laminado diferente..
• Su propósito principal es proporcionar una interconexión eléctrica muy densa entre un paquete de semiconductores y el sistema externo.
• Las capas de acumulación, las microvías láser, el enrutamiento preciso del cobre y el registro estricto son fundamentales para esta tecnología.
• Los sustratos ABF están estrechamente relacionados con aplicaciones de semiconductores de alta E/S, como procesadores, aceleradores, ASIC y dispositivos de redes avanzadas.
• Para garantizar la integridad de la señal, el suministro de energía, el comportamiento térmico y la fiabilidad, es necesario considerar conjuntamente el sustrato del encapsulado y la placa de circuito impreso del sistema.
• Las tecnologías de PCB de alta densidad, como HDI, adquieren especial importancia en la interfaz entre el encapsulado y la placa.
• La viabilidad de la fabricación debe revisarse con antelación, ya que las geometrías finas y las tolerancias estrictas pueden afectar significativamente al rendimiento y al coste.
• El producto final depende no solo de la calidad del sustrato, sino también de la fabricación, el ensamblaje, la inspección y las pruebas de la placa de circuito impreso.

Preguntas frecuentes sobre los sustratos ABF