Substrat ABF : matériaux, procédé de fabrication, applications et intégration sur circuit imprimé

Pour les ingénieurs évaluant les applications informatiques avancées, les réseaux, l'IA, les accélérateurs, les processeurs ou autres applications à forte E/S, il est essentiel de comprendre la relation entre les matériaux diélectriques ABF, les substrats de circuits intégrés, les interconnexions de boîtier, les structures HDI et les PCB au niveau système.

Qu'est-ce qu'un substrat ABF ?

ABF signifie Ajinomoto Build-up Film , une technologie de film diélectrique développée pour les applications d'encapsulation de semi-conducteurs haute densité.

Un substrat ABF se compose généralement d'une structure centrale associée à plusieurs couches diélectriques et d'interconnexions en cuivre. Des pistes de cuivre fines et des microvias sont formées au sein de ces couches pour créer le routage dense nécessaire entre le boîtier semi-conducteur et le circuit imprimé externe.

Cette construction est fondamentalement différente d'un circuit imprimé multicouche classique.

Une carte de circuit imprimé traditionnelle est généralement optimisée en fonction de sa robustesse mécanique, de sa facilité de fabrication, de ses performances électriques, de ses exigences thermiques et de son coût au niveau de la carte système. En revanche, un substrat de boîtier ABF doit intégrer des interconnexions extrêmement denses au contact immédiat d'un composant semi-conducteur.

Le substrat agit donc comme un pont électrique et mécanique entre deux environnements très différents :

Ce rôle intermédiaire explique pourquoi la technologie ABF est étroitement liée à la technologie des substrats de circuits intégrés plutôt qu'à la fabrication de circuits imprimés ordinaires.

Pourquoi utilise-t-on la technologie ABF pour le conditionnement avancé des circuits intégrés ?

La principale raison de l'importance de l'ABF réside dans le fait que les boîtiers de semi-conducteurs avancés nécessitent des densités d'interconnexion que les technologies PCB conventionnelles ne peuvent pas fournir efficacement.

Les processeurs modernes, les GPU, les accélérateurs d'IA, les dispositifs de réseau et autres boîtiers de semi-conducteurs à E/S élevées peuvent contenir un très grand nombre de connexions électriques dans une surface relativement réduite.

Le substrat de l'emballage doit donc fournir :

• Routage fin en cuivre
• forte densité d'interconnexion
• Plusieurs couches superposées
• Microvias formés au laser
• Épaisseur diélectrique contrôlée
• Propriétés électriques stables
• Interfaces cuivre-diélectrique fiables
• Comportement dimensionnel contrôlé
• Compatibilité avec les procédés d'encapsulation des semi-conducteurs

Les structures modulaires ABF permettent d'augmenter la densité de routage verticalement et horizontalement.

Au lieu d'essayer de faire passer chaque connexion à travers une structure de circuit imprimé épaisse conventionnelle, les ingénieurs peuvent construire des couches diélectriques et de cuivre supplémentaires autour d'un substrat central et utiliser des microvias pour connecter les couches adjacentes.

Cette approche permet une densité de routage beaucoup plus élevée dans un format compact.

Ce résultat est particulièrement précieux pour les dispositifs semi-conducteurs où la densité d'E/S du boîtier est devenue l'une des principales limitations de l'architecture globale du système.

Substrat ABF vs. PCB conventionnel

Il est important de ne pas utiliser indifféremment les termes « ABF PCB » et « substrat de boîtier ABF ».

Bien que les deux utilisent des conducteurs en cuivre et des matériaux diélectriques, leurs objectifs de conception et leurs exigences de fabrication sont différents.

Une carte de circuit imprimé classique peut relier un processeur, de la mémoire, des circuits d'alimentation, des connecteurs et d'autres composants sur une carte relativement grande.

Un substrat de boîtier ABF remplit une fonction différente : il assure l'interconnexion extrêmement dense immédiatement sous ou autour du boîtier semi-conducteur.

Cette distinction explique également pourquoi ces technologies apparaissent souvent ensemble dans les systèmes électroniques avancés.

Comment fonctionnent les structures modulaires ABF

Une structure de substrat ABF simplifiée peut être comprise comme une séquence de couches diélectriques et de cuivre construites autour d'un noyau.

Le concept de fabrication comprend généralement plusieurs étapes majeures :

Le déroulement exact du processus varie en fonction de l'architecture du substrat, des capacités du fabricant, des règles de conception et des exigences d'emballage.

Accumulation diélectrique

Le film ABF constitue la couche isolante entre les structures conductrices en cuivre.

Le diélectrique doit fournir les caractéristiques électriques requises tout en permettant une fabrication de précision et une interconnexion fiable.

L'épaisseur et les propriétés de chaque couche diélectrique influencent la géométrie du routage, la formation des vias, le comportement de l'impédance, la capacité et les caractéristiques mécaniques.

Microvias laser

L'une des caractéristiques déterminantes des substrats de construction avancés est l'utilisation de microvias formées au laser.

Contrairement aux grands trous traversants conventionnels, les microvias peuvent connecter des couches d'empilement adjacentes tout en occupant une surface nettement inférieure.

Cela permet aux canaux de routage de traverser des régions à forte densité de paquets.

La géométrie des microvias, les dimensions des plots de réception, la qualité du plaquage cuivre et la précision de l'alignement sont donc des facteurs essentiels au rendement du substrat.

Pour en savoir plus sur les technologies de circuits imprimés connexes, notre guide sur les structures de circuits imprimés à interconnexion haute densité fournit des informations utiles sur la façon dont les interconnexions verticales miniatures augmentent la densité de routage.

Métallisation du cuivre

Après la formation du diélectrique et le perçage au laser, des structures conductrices en cuivre doivent être créées.

Selon le procédé de fabrication, la formation de la couche d'amorçage, le cuivre autocatalytique, l'électroplacage et les procédés de structuration peuvent être combinés pour produire la géométrie conductrice requise.

Pour les substrats de dimensions avancées, le contrôle des processus devient de plus en plus important car des variations relativement faibles dans l'épaisseur du cuivre, la largeur des lignes, l'espacement ou le repérage peuvent affecter les performances électriques et de fabrication.

Défis liés à la fabrication des substrats ABF

La fabrication des substrats ABF est considérablement plus exigeante que la fabrication conventionnelle des circuits imprimés multicouches.

La difficulté ne provient pas d'un seul procédé. Elle résulte de l'interaction de géométries extrêmement précises, de multiples cycles de fabrication, du comportement des matériaux, du traitement du cuivre, du perçage laser, du repérage, du contrôle et de la gestion du rendement.

Motifs à lignes fines

À mesure que la largeur des lignes et les espacements diminuent, les petites variations deviennent proportionnellement plus importantes.

Une variation de processus qui serait insignifiante sur un circuit imprimé conventionnel peut devenir inacceptable lorsque la géométrie du conducteur est mesurée à une échelle beaucoup plus petite.

Les fabricants ont donc besoin de processus d'imagerie, de placage, de gravure, d'enregistrement et d'inspection rigoureusement contrôlés.

Enregistrement couche à couche

Chaque couche supplémentaire introduit une nouvelle exigence d'alignement.

La microvia doit se positionner correctement sur l'élément en cuivre sous-jacent, tandis que le schéma de routage supérieur doit également s'aligner avec la structure environnante.

Les erreurs d'enregistrement peuvent donc s'accumuler tout au long de la séquence de fabrication.

Via la fiabilité

Les microvias doivent maintenir des connexions électriques et mécaniques fiables tout au long des processus et opérations ultérieurs.

Une mauvaise formation des vias, un dépôt de cuivre insuffisant, des vides, des fissures ou des contraintes excessives peuvent contribuer à des problèmes de fiabilité.

La relation entre le perçage laser, le dégraissage, la formation de germes, le plaquage et les cycles thermiques ultérieurs doit donc être contrôlée avec soin.

Stabilité matérielle et dimensionnelle

Les substrats des boîtiers subissent des contraintes thermiques et mécaniques lors de leur fabrication, de leur assemblage et de leur fonctionnement.

Les différences de coefficient de dilatation thermique, de comportement à l'humidité, de propriétés diélectriques, de distribution du cuivre et de construction des couches peuvent affecter la stabilité dimensionnelle et la fiabilité du boîtier.

C’est pourquoi le choix des matériaux ne peut être dissocié de la structure complète du substrat.

Substrat ABF et technologie HDI

Les substrats ABF et les circuits imprimés HDI partagent plusieurs concepts de fabrication importants, mais ils ne doivent pas être considérés comme des technologies identiques.

Les deux peuvent utiliser :

• Couches diélectriques d'accumulation
• Perçage au laser
• Microvias
• Cuivre à lignes fines
• Traitement séquentiel
• Routage haute densité

Cependant, un substrat de boîtier ABF fonctionne au niveau du boîtier semi-conducteur, où la densité d'interconnexion et les exigences dimensionnelles peuvent être nettement plus exigeantes.

La technologie HDI reste très pertinente du côté des cartes mères.

Par exemple, un système informatique haut de gamme peut contenir :

Le substrat du boîtier et le circuit imprimé du système doivent donc fonctionner ensemble, tant sur le plan électrique que mécanique.

C’est l’une des raisons pour lesquelles les fabricants de circuits imprimés de pointe ont de plus en plus besoin d’une expertise dans les structures à haute densité plutôt que dans la seule fabrication multicouche conventionnelle.

L'empilement séquentiel est particulièrement important lors de la conception de structures HDI complexes. Les ingénieurs peuvent en apprendre davantage sur cette approche dans notre article sur la conception d'empilements de circuits imprimés HDI.

Performances électriques des substrats ABF

Le choix du substrat ABF ne se résume pas à la densité de routage physique.

Les performances électriques deviennent de plus en plus importantes à mesure que les interfaces des boîtiers prennent en charge des débits de données plus élevés et un plus grand nombre de signaux.

Propriétés diélectriques

La constante diélectrique et les caractéristiques de dissipation du système diélectrique influencent la propagation du signal, la capacité, l'impédance et les pertes.

Les propriétés pertinentes doivent être évaluées en tenant compte de la structure réelle de l'emballage plutôt que d'être traitées comme des numéros de matériaux isolés.

L'intégrité du signal

Les interconnexions courtes n'éliminent pas automatiquement les problèmes d'intégrité du signal.

À des débits de données élevés, les pistes du boîtier, les vias, les transitions, les plans de référence et les connexions du circuit imprimé peuvent tous contribuer à :

• La perte d'insertion
• Retour perte
• Les personnes qui parlent en même temps
• Réflexions
• Oblique
• Discontinuités d'impédance

Le substrat du boîtier fait donc partie intégrante du canal haute vitesse complet.

Une fois que le signal quitte le substrat du boîtier et entre dans le circuit imprimé du système, la structure et les matériaux du circuit imprimé doivent continuer à répondre aux exigences électriques.

Pour les applications au niveau système, les ingénieurs peuvent consulter nos ressources sur la fabrication de circuits imprimés à haute vitesse et les matériaux pour circuits imprimés à haute vitesse.

Intégrité de l'alimentation

Les processeurs et accélérateurs avancés peuvent également engendrer des besoins importants en matière d'alimentation électrique.

Le substrat du boîtier doit permettre des connexions d'alimentation et de masse denses tout en maintenant des performances électriques et thermiques acceptables.

Cela devient particulièrement important dans les systèmes informatiques hautes performances où la densité de puissance du processeur, les interfaces à haut débit, la bande passante de la mémoire et la conception thermique sont étroitement liées.

Applications des substrats ABF

Les substrats ABF sont principalement associés aux boîtiers de semi-conducteurs avancés nécessitant une densité d'interconnexion élevée.

CPU et GPU

Les processeurs hautes performances nécessitent un grand nombre de connexions de boîtier et un routage dense du substrat.

Les substrats de boîtier à base d'ABF peuvent fournir la structure d'interconnexion fine requise entre le boîtier semi-conducteur et le système externe.

Accélérateurs IA

Le matériel informatique dédié à l'IA impose des exigences considérables en matière d'E/S du processeur, d'interfaces mémoire, d'alimentation électrique et de communication à haut débit.

À mesure que les architectures d'accélérateurs se complexifient, la densité d'interconnexion au niveau du boîtier devient de plus en plus importante.

La carte de circuit imprimé externe doit alors fournir l'infrastructure électrique, mécanique, thermique et d'alimentation appropriée autour du boîtier.

Matériel de réseau et de centre de données

Les dispositifs de commutation et de mise en réseau à haut débit peuvent nécessiter des interconnexions denses entre les boîtiers ainsi qu'un routage exigeant sur la carte mère.

Le substrat du boîtier et le circuit imprimé doivent fonctionner de concert pour préserver l'intégrité du signal sur l'ensemble du canal.

ASIC et dispositifs informatiques personnalisés

Les circuits intégrés spécifiques à une application peuvent avoir des exigences d'encapsulation hautement personnalisées.

L'architecture du substrat peut devoir prendre en compte des configurations d'E/S spécifiques, des domaines d'alimentation, des interfaces haut débit et des contraintes mécaniques.

Architectures à base de chiplets

Les architectures à puces imposent des exigences supplémentaires en matière d'interconnexion des boîtiers, car plusieurs puces semi-conductrices peuvent communiquer via une structure de boîtier commune.

À mesure que les architectures de boîtiers évoluent, le substrat devient une partie de plus en plus importante du système d'interconnexion global.

Substrat ABF et conditionnement BGA

La technologie ABF est étroitement liée aux structures de boîtiers avancées, notamment les boîtiers de type BGA à E/S élevées.

Le substrat du boîtier distribue les signaux de la puce semi-conductrice aux bornes externes du boîtier, qui peuvent ensuite se connecter au circuit imprimé du système.

Cela crée de multiples niveaux d'interconnexion :

La transition entre ces niveaux doit être conçue avec soin.

Pour les ingénieurs travaillant sur la partie carte de cette interface, il est utile de comprendre les substrats BGA et les structures d'encapsulation.

Une fois le boîtier BGA placé sur la carte système, la géométrie des joints de soudure, la conception des pastilles, le profil thermique, le placement des composants et l'inspection deviennent également importants.

Conception du circuit imprimé autour d'un boîtier à base d'ABF

La carte de circuit imprimé du système doit être conçue pour compléter le boîtier plutôt que de considérer ce dernier comme un composant isolé.

Disposition en éventail et itinéraires d'évacuation

Les boîtiers à haut débit d'E/S peuvent créer des régions de routage d'échappement extrêmement denses.

Le concepteur de circuits imprimés peut avoir besoin de combiner le routage BGA à pas fin, les structures via-in-pad, les microvias, les vias enterrés et des affectations de couches soigneusement planifiées.

L'objectif n'est pas simplement de faire tenir toutes les connexions sur la carte. L'architecture de routage doit également garantir la fabricabilité et les performances électriques.

Sélection Stackup

L'empilement des composants du circuit imprimé a une incidence sur :

• Impédance du signal
• continuité du plan de référence
• Distribution d'énergie
• Les personnes qui parlent en même temps
• Comportement thermique
• Par l'architecture
• Complexité de fabrication

Pour les processeurs haute vitesse et les cartes réseau, la transition du boîtier au circuit imprimé doit être prise en compte lors du développement de l'empilement.

Livraison de puissance

Les processeurs et accélérateurs de grande taille peuvent nécessiter une alimentation en courant importante à travers des zones d'encapsulation relativement petites.

Le circuit imprimé nécessite donc une structure de plan d'alimentation appropriée, une distribution de cuivre, un agencement de vias, une stratégie de découplage et une conception thermique.

Tolérances de fabrication

Une interface de boîtier très complexe peut rendre la fabrication des circuits imprimés plus sensible à l'accumulation des tolérances.

Les dimensions des pastilles, l'alignement du masque de soudure, le placement des vias, l'épaisseur du cuivre, la précision du perçage et l'alignement des couches doivent tous être vérifiés par rapport aux capacités de fabrication réelles.

Une analyse approfondie de la conception des circuits imprimés en vue de leur fabrication permet d'identifier les problèmes de fabricabilité avant le début de la production.

Substrat ABF vs. autres technologies de substrat de circuits intégrés

L'ABF n'est pas le seul matériau ou la seule construction utilisée pour les substrats semi-conducteurs.

Différents types de boîtiers peuvent nécessiter différentes technologies de substrat.

Le choix approprié dépend de facteurs tels que :

• nombre d'E/S
• Taille du paquet
• Densité de routage
• Vitesse du signal
• Exigences thermiques
• Objectif de coût
• Contraintes mécaniques
• Volume de production
• Architecture des boîtiers de semi-conducteurs

L'ABF est particulièrement associée aux substrats organiques haute densité avancés, mais d'autres approches de substrat peuvent être plus appropriées pour différentes classes d'emballage.

C’est pourquoi le choix du substrat doit commencer par l’architecture du boîtier et les exigences électriques plutôt que de simplement choisir le matériau le plus avancé disponible.

Considérations relatives à la fiabilité du substrat ABF

La fiabilité doit être évaluée sur l'ensemble du système, du boîtier à la carte.

Cyclisme thermique

Les variations de température répétées provoquent des contraintes mécaniques car les différents matériaux se dilatent et se contractent à des vitesses différentes.

Le substrat du boîtier, le boîtier semi-conducteur, les joints de soudure et le circuit imprimé doivent donc être évalués comme une structure combinée.

Humidité

Les matériaux diélectriques organiques peuvent interagir avec l'humidité, ce qui peut affecter leur comportement lors du traitement et leur fiabilité.

Il est donc nécessaire de contrôler les conditions de manipulation et de stockage de l'humidité en fonction des exigences liées au matériau et au processus d'emballage.

Fiabilité des microvias

Les structures de microvias doivent rester fiables électriquement et mécaniquement tout au long des cycles thermiques de fabrication et de fonctionnement.

La qualité du cuivre, la géométrie des vias, le plaquage, les interfaces diélectriques et les contraintes thermiques contribuent tous aux performances.

Fiabilité du boîtier par rapport au circuit imprimé

Même lorsque le substrat ABF lui-même fonctionne correctement, l'assemblage complet peut tout de même subir des défaillances à l'interface boîtier-PCB.

Les joints de soudure BGA, la déformation du circuit imprimé, les différences de température, le profil d'assemblage et les contraintes mécaniques peuvent tous influencer la fiabilité sur le terrain.

Pour les applications BGA, les ingénieurs peuvent également consulter nos informations sur l'assemblage des PCB BGA et les considérations relatives à l'inspection et aux joints de soudure.

Comment évaluer un projet de substrat ABF

Lors de l'évaluation d'un projet lié à l'ABF, il est utile de répartir les exigences en quatre niveaux.

1. Exigences relatives aux boîtiers de semi-conducteurs

• Taille de matrice
• nombre d'E/S
• Dimensions du paquet
• Pas d'E/S
• Puissance requise
• Exigences d'interface haut débit
• architecture de paquet

2. Exigences de substrat

• Construction du noyau
• Nombre de couches d'accumulation
• système diélectrique
• Ligne/espace minimum
• Dimensions de Microvia
• Dimensions du coussinet
• Épaisseur de cuivre
• État de surface
• Conditions d'enregistrement
• exigences de déformation

3. Exigences relatives aux cartes de circuits imprimés du système

• Nombre de couches de PCB
• Empiler
• Système matériel
• Impédance contrôlée
• stratégie d'échappement BGA
• structure de via
• Poids du cuivre
• Exigences thermiques
• Distribution d'énergie
• État de surface

4. Exigences d'assemblage

• spécifications des composants BGA
• Pâte à braser
• Modèle de pochoir
• Profil de refusion
• Exigences de l'AOI
• Inspection aux rayons X
• Essais électriques
• Exigences de reprise
• Traçabilité

La séparation de ces quatre niveaux facilite l'identification de l'origine d'un problème.

Un problème au niveau du boîtier ne doit pas être automatiquement traité comme un problème de fabrication du circuit imprimé, et une limitation de routage au niveau du circuit imprimé ne doit pas être automatiquement attribuée au substrat ABF.

Substrat ABF dans la chaîne de fabrication de l'électronique avancée

La technologie ABF illustre comment le conditionnement des semi-conducteurs et la fabrication des circuits imprimés sont de plus en plus interconnectés.

Une plateforme informatique moderne à hautes performances peut impliquer plusieurs technologies de fabrication :

Chaque étage a des exigences techniques différentes, mais les interfaces électriques et mécaniques entre eux doivent rester compatibles.

Pour les fabricants de circuits imprimés, cela signifie que la compréhension du conditionnement des semi-conducteurs est de plus en plus précieuse, même lorsque la responsabilité de production se concentre sur la carte au niveau système.

La carte de circuit imprimé n'est plus simplement une plateforme passive autour du processeur. Elle fait partie intégrante de l'architecture électrique, thermique et mécanique complète.

Pourquoi la conception pour la fabrication (DFM) est importante pour les projets de circuits imprimés liés à l'ABF

Les boîtiers basés sur la technologie ABF permettent de créer des interfaces PCB extrêmement denses.

Tenter de résoudre ces problèmes d'interface seulement une fois la conception du circuit imprimé terminée peut entraîner des modifications inutiles.

L'analyse DFM devrait idéalement commencer avant le lancement de la fabrication.

L'objectif est de maintenir la conception électrique prévue tout en garantissant une fabrication uniforme de la carte physique.

Ceci est particulièrement important lorsqu'une conception combine des boîtiers avancés avec des structures HDI, car une conception théoriquement routable peut s'avérer impraticable à l'échelle de la production.

Du boîtier ABF à la carte PCBA finie

Le substrat ABF ne représente qu'une partie du produit complet.

Une fois le boîtier avancé fixé à la carte de circuit imprimé du système, le processus de fabrication se poursuit par le placement des composants, le soudage, l'inspection, les tests et, potentiellement, l'intégration au niveau du système.

Un partenaire de fabrication compétent doit donc comprendre la relation entre le circuit imprimé nu et l'assemblage final.

Pour les projets nécessitant à la fois la fabrication de cartes et l'assemblage de composants, les services d'assemblage de PCB peuvent contribuer à relier les étapes de fabrication et d'assemblage au sein d'un processus de fabrication coordonné.

Cela s'avère particulièrement précieux pour les cartes de processeurs haute densité où les spécifications de fabrication des circuits imprimés et les paramètres d'assemblage ne peuvent être considérés indépendamment.

Substrat ABF : Points clés à retenir

La technologie de substrat ABF occupe une place importante entre l'encapsulation des semi-conducteurs et la fabrication des circuits imprimés au niveau système.

Les points les plus importants sont :

• ABF signifie Ajinomoto Build-up Film, une technologie diélectrique organique largement utilisée dans les substrats d'encapsulation avancés.
• An Le substrat du boîtier ABF n'est pas simplement un circuit imprimé conventionnel fabriqué à partir d'un stratifié différent..
• Son objectif principal est d'assurer une interconnexion électrique très dense entre un boîtier semi-conducteur et le système externe.
• Les couches d'accumulation, les microvias laser, le routage fin du cuivre et l'alignement précis sont fondamentaux pour cette technologie.
• Les substrats ABF sont fortement associés aux applications semi-conductrices à haut débit d'E/S telles que les processeurs, les accélérateurs, les ASIC et les dispositifs de réseau avancés.
• Le substrat du boîtier et le circuit imprimé du système doivent être considérés conjointement pour garantir l'intégrité du signal, l'alimentation électrique, le comportement thermique et la fiabilité.
• Les technologies de circuits imprimés haute densité telles que HDI deviennent particulièrement importantes à l'interface entre le boîtier et la carte.
• La faisabilité de la fabrication doit être examinée au plus tôt, car les géométries fines et les tolérances serrées peuvent avoir une incidence significative sur le rendement et le coût.
• Le produit final dépend non seulement de la qualité du substrat, mais aussi de la fabrication, de l'assemblage, de l'inspection et des tests du circuit imprimé.

Questions fréquemment posées sur les substrats ABF