Substrato ABF: materiali, processo di produzione, applicazioni e integrazione su PCB

Per gli ingegneri che valutano applicazioni avanzate di calcolo, rete, intelligenza artificiale, acceleratori, processori o altre applicazioni ad alto I/O, è essenziale comprendere la relazione tra materiali dielettrici ABF, substrati IC, interconnessioni di package, strutture HDI e PCB a livello di sistema.

Che cos'è un substrato ABF?

ABF è l'acronimo di Ajinomoto Build-up Film , una tecnologia di film dielettrico sviluppata per applicazioni di incapsulamento di semiconduttori ad alta densità.

Un substrato ABF è generalmente costituito da una struttura centrale combinata con più strati dielettrici e di interconnessione in rame. All'interno di questi strati vengono realizzate sottili tracce di rame e microvias per creare il fitto instradamento necessario tra il package del semiconduttore e il PCB esterno.

Questa struttura è fondamentalmente diversa da un PCB multistrato convenzionale.

Un PCB tradizionale è solitamente ottimizzato in base a robustezza meccanica, producibilità, prestazioni elettriche, requisiti termici e costi a livello di scheda di sistema. Un substrato di package ABF, al contrario, deve ospitare interconnessioni estremamente dense immediatamente adiacenti a un dispositivo a semiconduttore.

Il substrato funge quindi da ponte elettrico e meccanico tra due ambienti molto diversi:

Questo ruolo intermedio è il motivo per cui la tecnologia ABF è strettamente correlata alla tecnologia dei substrati per circuiti integrati piuttosto che alla normale fabbricazione di PCB.

Perché si utilizza ABF per il packaging avanzato dei circuiti integrati?

Il motivo principale per cui l'ABF è importante è che i package di semiconduttori avanzati richiedono densità di interconnessione che le tecnologie PCB convenzionali non sono in grado di fornire in modo efficiente.

I processori moderni, le GPU, gli acceleratori di intelligenza artificiale, i dispositivi di rete e altri package di semiconduttori ad alto numero di I/O possono contenere un numero molto elevato di connessioni elettriche all'interno di un'area relativamente piccola.

Il substrato di confezionamento deve quindi fornire:

• Instradamento di rame a linea sottile
• Elevata densità di interconnessioni
• Strati multipli di accumulo
• Microvias realizzate con laser
• Spessore dielettrico controllato
• Proprietà elettriche stabili
• Interfacce rame-dielettrico affidabili
• Comportamento dimensionale controllato
• Compatibilità con i processi di confezionamento dei semiconduttori

Le strutture di accumulo ABF consentono di aumentare la densità di instradamento sia in verticale che in orizzontale.

Anziché tentare di instradare ogni connessione attraverso una struttura PCB convenzionale e spessa, gli ingegneri possono aggiungere strati dielettrici e di rame attorno a un substrato centrale e utilizzare microvias per collegare gli strati adiacenti.

Questo approccio consente una densità di instradamento molto maggiore all'interno di uno spazio limitato all'interno del package.

Il risultato è particolarmente prezioso per i dispositivi a semiconduttore, dove la densità di I/O del package è diventata uno dei principali fattori limitanti per l'architettura complessiva del sistema.

Substrato ABF rispetto al PCB convenzionale

È importante non utilizzare i termini PCB ABF e substrato di incapsulamento ABF in modo intercambiabile.

Sebbene entrambi utilizzino conduttori in rame e materiali dielettrici, i loro obiettivi di progettazione e i requisiti di produzione sono differenti.

Un PCB convenzionale può collegare un processore, la memoria, i circuiti di alimentazione, i connettori e altri componenti su una scheda di dimensioni relativamente grandi.

Il substrato di un package ABF svolge una funzione diversa: fornisce l'interconnessione estremamente densa immediatamente al di sotto o attorno al package del semiconduttore.

Tale distinzione spiega anche perché queste tecnologie spesso si presentano insieme nei sistemi elettronici avanzati.

Come funzionano le strutture di accumulo ABF

La struttura semplificata di un substrato ABF può essere intesa come una sequenza di strati dielettrici e di rame disposti attorno a un nucleo.

Il processo produttivo generalmente prevede diverse fasi principali:

Il flusso di processo esatto varia in base all'architettura del substrato, alle capacità del produttore, alle regole di progettazione e ai requisiti di confezionamento.

Accumulo dielettrico

La pellicola ABF fornisce lo strato isolante tra le strutture conduttive in rame.

Il dielettrico deve fornire le caratteristiche elettriche richieste, consentendo al contempo la fabbricazione di dettagli fini e un'interconnessione affidabile.

Lo spessore e le proprietà di ogni strato dielettrico influenzano la geometria del percorso dei circuiti, la formazione dei fori passanti, il comportamento dell'impedenza, la capacità e le caratteristiche meccaniche.

Microvias laser

Una delle caratteristiche distintive dei substrati multistrato avanzati è l'utilizzo di microfori realizzati tramite laser.

A differenza dei grandi fori passanti convenzionali, i microvias possono collegare strati di costruzione adiacenti occupando un'area notevolmente inferiore.

Ciò consente ai canali di routing di attraversare regioni di pacchetti densamente popolate.

La geometria dei microfori, le dimensioni dei pad di atterraggio, la qualità della placcatura in rame e la precisione dell'allineamento sono pertanto fattori critici per la resa del substrato.

Per quanto riguarda le tecnologie PCB correlate, la nostra guida alle strutture PCB ad alta densità di interconnessione fornisce informazioni utili su come le interconnessioni verticali miniaturizzate aumentano la densità di instradamento.

Metallizzazione del rame

Dopo la formazione del dielettrico e la perforazione laser, è necessario creare strutture conduttive in rame.

A seconda del processo di produzione, la formazione dello strato di innesco, la ramatura chimica, la galvanostegia e i processi di modellazione possono essere combinati per produrre la geometria conduttiva desiderata.

Con dimensioni del substrato avanzate, il controllo del processo diventa sempre più importante perché variazioni relativamente piccole nello spessore del rame, nella larghezza delle linee, nella spaziatura o nell'allineamento possono influire sulle prestazioni elettriche e di produzione.

Sfide nella produzione di substrati ABF

La produzione di substrati ABF è considerevolmente più impegnativa rispetto alla fabbricazione convenzionale di PCB multistrato.

La difficoltà non è causata da un singolo processo. Deriva dall'interazione di geometrie estremamente precise, cicli di accumulo multipli, comportamento del materiale, lavorazione del rame, foratura laser, allineamento, ispezione e gestione della resa.

Motivo a linee sottili

Man mano che lo spessore e la spaziatura delle linee diminuiscono, le piccole variazioni diventano proporzionalmente più significative.

Una variazione di processo che risulterebbe insignificante su un PCB convenzionale può diventare inaccettabile quando la geometria del conduttore viene misurata su una scala molto più piccola.

I produttori necessitano pertanto di processi di imaging, placcatura, incisione, registrazione e ispezione rigorosamente controllati.

Registrazione da livello a livello

Ogni strato aggiuntivo introduce un ulteriore requisito di allineamento.

Il microvia deve posizionarsi correttamente sull'elemento in rame sottostante, mentre il tracciato di instradamento superiore deve essere allineato con la struttura circostante.

Gli errori di allineamento possono quindi accumularsi lungo l'intera sequenza produttiva.

Attraverso l'affidabilità

Le microvie devono mantenere connessioni elettriche e meccaniche affidabili durante le successive fasi di lavorazione e funzionamento.

Una formazione scadente dei fori passanti, una deposizione inadeguata di rame, vuoti, crepe o sollecitazioni eccessive possono contribuire a problemi di affidabilità.

È quindi necessario controllare attentamente la relazione tra foratura laser, rimozione del materiale di partenza, formazione del seme, placcatura e successivi cicli termici.

Stabilità dei materiali e dimensionale

I substrati di confezionamento sono soggetti a sollecitazioni termiche e meccaniche durante la fabbricazione, l'assemblaggio e il funzionamento.

Le differenze nel coefficiente di dilatazione termica, nel comportamento dell'umidità, nelle proprietà dielettriche, nella distribuzione del rame e nella struttura degli strati possono influenzare la stabilità dimensionale e l'affidabilità del package.

Per questo motivo, la scelta del materiale non può essere separata dalla struttura complessiva del substrato.

Substrato ABF e tecnologia HDI

I substrati ABF e i PCB HDI condividono diversi concetti di produzione importanti, ma non devono essere considerati tecnologie identiche.

Entrambi possono utilizzare:

• Strati dielettrici di accumulo
• Foratura laser
• Microvie
• Rame a linea sottile
• Elaborazione sequenziale
• Instradamento ad alta densità

Tuttavia, un substrato di package ABF opera a livello di package di semiconduttori, dove la densità di interconnessione e i requisiti dimensionali possono essere sostanzialmente più stringenti.

La tecnologia HDI rimane di grande rilevanza nel settore delle schede madri.

Ad esempio, un sistema informatico di fascia alta può contenere:

Il substrato del package e il PCB del sistema devono quindi funzionare insieme sia elettricamente che meccanicamente.

Questo è uno dei motivi per cui i produttori di PCB avanzati necessitano sempre più di competenze nelle strutture ad alta densità, piuttosto che limitarsi alla sola fabbricazione multistrato convenzionale.

La costruzione sequenziale è particolarmente importante nella progettazione di strutture HDI complesse. Gli ingegneri possono approfondire questo approccio nel nostro articolo sulla progettazione dello stack-up dei PCB HDI.

Prestazioni elettriche dei substrati ABF

La selezione del substrato ABF non riguarda solo la densità di instradamento fisico.

Le prestazioni elettriche diventano sempre più importanti man mano che le interfacce dei package supportano velocità di trasmissione dati più elevate e un maggior numero di segnali.

Proprietà dielettriche

La costante dielettrica e le caratteristiche di dissipazione del sistema dielettrico influenzano la propagazione del segnale, la capacità, l'impedenza e le perdite.

Le proprietà rilevanti devono essere valutate insieme alla struttura effettiva dell'imballaggio, anziché essere trattate come singoli codici articolo.

Integrità del segnale

I collegamenti brevi non eliminano automaticamente i problemi di integrità del segnale.

Ad alti tassi di trasmissione dati, tracce del package, vie, transizioni, piani di riferimento e connessioni PCB possono tutti contribuire a:

• Perdita di inserzione
• Perdita di ritorno
• Crosstalk
• Qualche riflessione
• storto
• Discontinuità di impedenza

Il substrato del package costituisce quindi parte integrante del canale ad alta velocità completo.

Una volta che il segnale lascia il substrato del package ed entra nel PCB del sistema, la stratificazione e il sistema di materiali del PCB devono continuare a soddisfare i requisiti elettrici.

Per le applicazioni a livello di sistema, gli ingegneri possono consultare le nostre risorse sulla produzione di PCB ad alta velocità e sui materiali per PCB ad alta velocità.

Power Integrity

I processori e gli acceleratori avanzati possono anche comportare requisiti di alimentazione elettrica elevati.

Il substrato del package deve ospitare connessioni di alimentazione e di massa dense, mantenendo al contempo prestazioni elettriche e termiche accettabili.

Ciò assume particolare importanza nei sistemi di calcolo ad alte prestazioni, dove la densità di potenza del processore, le interfacce ad alta velocità, la larghezza di banda della memoria e la progettazione termica sono strettamente interconnesse.

Applicazioni del substrato ABF

I substrati ABF sono principalmente associati al packaging avanzato dei semiconduttori, dove è richiesta un'elevata densità di interconnessioni.

CPU e GPU

I processori ad alte prestazioni richiedono un elevato numero di connessioni tra i componenti e un instradamento denso del substrato.

I substrati di incapsulamento basati su ABF possono fornire la struttura di interconnessione fine necessaria tra l'incapsulamento del semiconduttore e il sistema esterno.

Acceleratori AI

L'hardware per il calcolo basato sull'intelligenza artificiale impone requisiti considerevoli in termini di I/O del processore, interfacce di memoria, alimentazione e comunicazione ad alta velocità.

Con l'aumentare della complessità delle architetture degli acceleratori, la densità di interconnessione a livello di package diventa sempre più importante.

Il PCB esterno deve quindi fornire l'infrastruttura elettrica, meccanica, termica e di alimentazione adeguata attorno al package.

Hardware di rete e per data center

I dispositivi di commutazione e di rete ad alta velocità possono richiedere interconnessioni dense tra i componenti, unitamente a un instradamento complesso sulla scheda madre.

Il substrato del package e il PCB devono lavorare insieme per preservare l'integrità del segnale lungo l'intero canale.

ASIC e dispositivi di calcolo personalizzati

I circuiti integrati specifici per applicazioni possono avere requisiti di incapsulamento altamente personalizzati.

L'architettura del substrato potrebbe dover adattarsi a specifiche configurazioni di I/O, domini di alimentazione, interfacce ad alta velocità e vincoli meccanici.

Architetture basate su chiplet

Le architetture a chiplet impongono ulteriori requisiti all'interconnessione dei package, poiché più chip semiconduttori possono comunicare attraverso una struttura di package comune.

Con l'evoluzione delle architetture dei package, il substrato diventa una parte sempre più importante del sistema di interconnessione complessivo.

Substrato ABF e confezionamento BGA

La tecnologia ABF è strettamente connessa alle strutture di packaging avanzate, inclusi i package di tipo BGA ad alto numero di I/O.

Il substrato del package distribuisce i segnali dal die del semiconduttore ai terminali esterni del package, che possono quindi essere collegati al PCB del sistema.

Ciò crea molteplici livelli di interconnessione:

Il passaggio tra questi livelli deve essere progettato con attenzione.

Per gli ingegneri che lavorano con il lato a livello di scheda di questa interfaccia, è utile comprendere i substrati BGA e le strutture dei package .

Una volta posizionato il package BGA sulla scheda madre, anche la geometria dei punti di saldatura, il design dei pad, il profilo termico, il posizionamento dei componenti e l'ispezione diventano importanti.

Progettazione del PCB attorno a un package basato su ABF

Il circuito stampato del sistema deve essere progettato per completare il package, anziché trattare quest'ultimo come un componente isolato.

Instradamento a ventaglio e di fuga

I pacchetti con elevato numero di operazioni di I/O possono creare regioni di routing di fuga estremamente dense.

Il progettista di PCB potrebbe dover combinare il routing BGA a passo fine, le strutture via-in-pad, i microvia, i via interrati e un'attenta pianificazione delle assegnazioni degli strati.

L'obiettivo non è semplicemente quello di far entrare tutti i collegamenti sulla scheda. L'architettura di instradamento deve anche garantire la producibilità e le prestazioni elettriche.

Selezione Stackup

La sovrapposizione degli strati del PCB influisce su:

• Impedenza del segnale
• Continuità del piano di riferimento
• Distribuzione dell'energia
• Crosstalk
• Comportamento termico
• Via architettura
• Complessità manifatturiera

Per le schede con processori ad alta velocità e per le schede di rete, la transizione dal package al PCB deve essere considerata durante la fase di sviluppo dello stack-up.

Consegna di potenza

I processori e gli acceleratori di grandi dimensioni possono richiedere un flusso di corrente considerevole attraverso regioni di package relativamente piccole.

Il PCB necessita quindi di un'adeguata struttura del piano di alimentazione, distribuzione del rame, disposizione dei via, strategia di disaccoppiamento e progettazione termica.

Tolleranze di produzione

Un'interfaccia di packaging molto complessa può rendere la fabbricazione di PCB più sensibile all'accumulo di tolleranze.

Le dimensioni dei pad, l'allineamento della maschera di saldatura, il posizionamento dei via, lo spessore del rame, la precisione della foratura e l'allineamento degli strati devono essere tutti verificati rispetto alle effettive capacità di fabbricazione.

Un'accurata revisione della progettazione dei circuiti stampati (PCB) ai fini della producibilità può identificare i problemi di realizzabilità prima dell'inizio della produzione.

Substrato ABF rispetto ad altre tecnologie di substrati per circuiti integrati

ABF non è l'unico materiale o la sola struttura utilizzata per i substrati dei semiconduttori.

Diversi tipi di confezionamento possono richiedere diverse tecnologie di substrato.

La scelta appropriata dipende da fattori quali:

• Conteggio I/O
• formato del pacchetto
• Densità di instradamento
• Velocità del segnale
• Requisiti termici
• Obiettivo di costo
• Vincoli meccanici
• Volume di produzione
• Architettura del package dei semiconduttori

ABF è particolarmente associato a substrati organici avanzati ad alta densità, ma altri approcci basati su substrati potrebbero essere più appropriati per diverse classi di confezionamento.

Per questo motivo, la scelta del substrato dovrebbe partire dall'architettura del package e dai requisiti elettrici, piuttosto che limitarsi a selezionare il materiale più avanzato disponibile.

Considerazioni sull'affidabilità del substrato ABF

L'affidabilità deve essere valutata sull'intero sistema composto da confezione e scheda.

Ciclismo Termale

Le ripetute variazioni di temperatura causano sollecitazioni meccaniche poiché materiali diversi si espandono e si contraggono a velocità diverse.

Il substrato del package, il package del semiconduttore, le saldature e il PCB devono quindi essere valutati come una struttura combinata.

Umidità

I materiali dielettrici organici possono interagire con l'umidità, il che può influire sul comportamento durante il processo e sull'affidabilità.

La gestione dell'umidità e le condizioni di stoccaggio devono pertanto essere controllate in base ai requisiti del materiale e del processo di confezionamento.

Affidabilità Microvia

Le strutture a microvia devono rimanere elettricamente e meccanicamente affidabili durante i cicli termici di produzione e di esercizio.

La qualità del rame, attraverso la geometria, la placcatura, le interfacce dielettriche e lo stress termico, contribuisce alle prestazioni.

Affidabilità dal package al PCB

Anche quando il substrato ABF funziona correttamente, l'intero assemblaggio può comunque presentare guasti all'interfaccia tra il package e il PCB.

Le saldature BGA, la deformazione del PCB, la disomogeneità termica, il profilo di assemblaggio e il carico meccanico possono tutti influenzare l'affidabilità sul campo.

Per le applicazioni BGA, gli ingegneri possono anche consultare le nostre informazioni sull'assemblaggio di PCB BGA e le relative considerazioni su ispezione e giunzioni di saldatura.

Come valutare un progetto di substrato ABF

Nella valutazione di un progetto relativo all'ABF, è utile suddividere i requisiti in quattro livelli.

1. Requisiti del package del semiconduttore

• Die dimensioni
• Conteggio I/O
• Dimensioni del pacchetto
• Passo I/O
• Requisiti di alimentazione
• Requisiti di interfaccia ad alta velocità
• Architettura del pacchetto

2. Requisiti del substrato

• Costruzione del nucleo
• Numero di strati di accumulo
• Sistema dielettrico
• minimo riga/spazio
• dimensioni Microvia
• Dimensioni del tampone
• Spessore di rame
• Finitura superficiale
• Requisiti per la registrazione
• Requisiti di distorsione

3. Requisiti del PCB di sistema

• Conteggio strati PCB
• Impilare
• Sistema materiale
• Impedenza controllata
• Strategia di fuga BGA
• Tramite struttura
• Peso del rame
• Requisiti termici
• Distribuzione dell'energia
• Finitura superficiale

4. Requisiti di assemblaggio

• Specifiche dei componenti BGA
• Pasta per saldature
• Disegno dello stencil
• Profilo di riflusso
• Requisiti AOI
• Ispezione a raggi X.
• Test elettrici
• Requisiti di rielaborazione
• Tracciabilità

Separare questi quattro livelli rende più facile identificare l'origine di un problema.

Un problema a livello di package non dovrebbe essere automaticamente trattato come un problema di fabbricazione del PCB, e una limitazione del routing a livello di PCB non dovrebbe essere automaticamente attribuita al substrato ABF.

Substrato ABF nella catena di produzione dell'elettronica avanzata

La tecnologia ABF illustra come il confezionamento dei semiconduttori e la produzione di PCB stiano diventando sempre più interconnessi.

Una moderna piattaforma di calcolo ad alte prestazioni può coinvolgere diverse tecnologie di produzione:

Ogni fase presenta requisiti tecnici differenti, ma le interfacce elettriche e meccaniche tra di esse devono rimanere compatibili.

Per i produttori di PCB, ciò significa che la comprensione del packaging dei semiconduttori è sempre più importante, anche quando la responsabilità produttiva effettiva è incentrata sulla scheda a livello di sistema.

Il PCB non è più semplicemente una piattaforma passiva attorno al processore. Fa parte dell'architettura elettrica, termica e meccanica completa.

Perché la progettazione per la producibilità (DFM) è importante per i progetti di PCB relativi ad ABF

I package basati su ABF consentono di creare interfacce PCB estremamente dense.

Tentare di risolvere questi problemi di interfaccia solo dopo aver completato il layout del PCB può portare a riprogettazioni non necessarie.

La revisione DFM dovrebbe idealmente iniziare prima del rilascio della produzione.

L'obiettivo è mantenere il progetto elettrico previsto, garantendo al contempo che la scheda fisica possa essere prodotta in modo coerente.

Ciò è particolarmente importante quando un progetto combina pacchetti avanzati con strutture HDI, perché un progetto teoricamente realizzabile potrebbe comunque risultare impraticabile su scala produttiva.

Dal package ABF al PCBA finito

Il substrato ABF in sé è solo una parte del prodotto completo.

Una volta che un pacchetto avanzato è fissato al PCB del sistema, il processo di produzione prosegue con il posizionamento dei componenti, la saldatura, l'ispezione, il collaudo e, potenzialmente, l'integrazione a livello di sistema.

Un partner di produzione competente dovrebbe quindi comprendere la relazione tra il circuito stampato nudo e l'assemblaggio finale.

Per i progetti che richiedono sia la fabbricazione di schede che l'assemblaggio dei componenti, i servizi di assemblaggio di PCB possono contribuire a collegare le fasi di fabbricazione e assemblaggio all'interno di un processo produttivo coordinato.

Ciò risulta particolarmente prezioso per le schede processore ad alta densità, dove le specifiche di fabbricazione del PCB e i parametri di assemblaggio non possono essere considerati in modo indipendente.

Substrato ABF: Punti chiave

La tecnologia dei substrati ABF occupa una posizione importante tra il packaging dei semiconduttori e la produzione di PCB a livello di sistema.

I punti più importanti sono:

• ABF significa Ajinomoto Build-up Film, una tecnologia dielettrica organica ampiamente utilizzata nei substrati di packaging avanzati.
• An Il substrato del package ABF non è semplicemente un PCB convenzionale realizzato con un laminato diverso.
• Il suo scopo principale è quello di fornire un'interconnessione elettrica ad alta densità tra un contenitore di semiconduttori e il sistema esterno.
• Strati di accumulo, microvias laser, instradamento di precisione del rame e allineamento accurato sono elementi fondamentali di questa tecnologia.
• I substrati ABF sono fortemente associati ad applicazioni a semiconduttore ad alto numero di I/O, come processori, acceleratori, ASIC e dispositivi di rete avanzati.
• Il substrato del package e il PCB del sistema devono essere considerati congiuntamente per quanto riguarda l'integrità del segnale, l'erogazione di potenza, il comportamento termico e l'affidabilità.
• Le tecnologie PCB ad alta densità, come l'HDI, assumono particolare importanza all'interfaccia tra il package e la scheda.
• La fattibilità produttiva dovrebbe essere valutata fin dalle prime fasi, poiché geometrie precise e tolleranze ristrette possono influire significativamente sulla resa e sui costi.
• Il prodotto finale dipende non solo dalla qualità del substrato, ma anche dalla fabbricazione, dall'assemblaggio, dall'ispezione e dal collaudo del circuito stampato.

Domande frequenti sui substrati ABF