ABF基板：材料、製造プロセス、用途、およびPCBへの統合

高度なコンピューティング、ネットワーク、AI、アクセラレータ、プロセッサ、またはその他の高I/Oアプリケーションを評価するエンジニアにとって、ABF誘電体材料、IC基板、パッケージ相互接続、HDI構造、およびシステムレベルのPCB間の関係を理解することは不可欠です。

ABF基質とは何ですか？

ABFは味の素ビルドアップフィルムの略で、高密度半導体パッケージング用途向けに開発された誘電体フィルム技術です。

ABF基板は一般的に、コア構造と複数の積層誘電体層および銅配線層から構成されます。これらの積層層内には、半導体パッケージと外部PCB間の高密度配線を実現するために、微細な銅配線とマイクロビアが形成されます。

この構造は、従来の多層基板とは根本的に異なる。

従来のプリント基板（PCB）は通常、システムボードレベルで、機械的堅牢性、製造性、電気的性能、熱要件、およびコストを中心に最適化されています。一方、ABFパッケージ基板は、半導体デバイスのすぐ隣に極めて高密度な相互接続を収容する必要があります。

したがって、基板は、2つの全く異なる環境間の電気的および機械的な架け橋として機能する。

この中間的な役割こそが、ABF技術が通常のプリント基板製造よりもIC基板技術と密接に関連している理由である。

高度なICパッケージングにABFが使用される理由は何ですか？

ABFが重要な主な理由は、高度な半導体パッケージには、従来のPCB技術では効率的に実現できないほどの相互接続密度が必要となるためである。

最新のプロセッサ、GPU、AIアクセラレータ、ネットワーク機器、その他の高I/O半導体パッケージは、比較的小さなパッケージ面積内に非常に多くの電気接続部を収容することができる。

したがって、パッケージ基板は以下を提供する必要がある。

• 細線銅配線
• 高い相互接続密度
• 複数の積層構造
• レーザー成形マイクロビア
• 誘電体の厚さを制御する
• 安定した電気特性
• 信頼性の高い銅-誘電体界面
• 制御された寸法挙動
• 半導体パッケージングプロセスとの互換性

ABF積層構造を用いることで、垂直方向だけでなく水平方向にも配線密度を高めることが可能となる。

従来の厚いプリント基板構造を通してすべての接続を配線しようとする代わりに、エンジニアはコア基板の周囲に誘電体層と銅層を追加し、マイクロビアを使用して隣接する層を接続することができる。

このアプローチにより、限られたパッケージサイズ内で、より高いルーティング密度を実現できます。

この結果は、パッケージのI/O密度がシステム全体のアーキテクチャにおける主要な制約の一つとなっている半導体デバイスにとって、特に価値のあるものである。

ABF基板と従来型PCBの比較

ABF PCBとABFパッケージ基板という用語を混同して使用しないことが重要です。

どちらも銅導体と誘電体材料を使用しているが、設計目標と製造要件は異なる。

従来のプリント基板（PCB）は、比較的大きな基板上に、プロセッサ、メモリ、電源回路、コネクタ、その他のコンポーネントを接続することができる。

ABFパッケージ基板は、異なる役割を果たします。それは、半導体パッケージの直下または周囲に、極めて高密度な相互接続を提供するものです。

その違いは、これらの技術が高度な電子システムにおいてしばしば一緒に用いられる理由も説明している。

ABFビルドアップ構造の仕組み

簡略化されたABF基板構造は、コアの周りに誘電体層と銅層が連続して構築されたものと理解できる。

製造コンセプトは一般的にいくつかの主要な段階から構成される。

具体的なプロセスフローは、基板の構造、製造業者の能力、設計規則、およびパッケージ要件によって異なります。

誘電体蓄積

ABFフィルムは、導電性の銅構造間の絶縁層を提供する。

誘電体は、必要な電気的特性を提供すると同時に、微細加工と信頼性の高い相互接続をサポートする必要がある。

各誘電体層の厚さと特性は、配線形状、ビア形成、インピーダンス特性、静電容量、および機械的特性に影響を与える。

レーザーマイクロビア

先進的な積層基板の特徴の一つは、レーザー成形されたマイクロビアの使用である。

従来の大きな貫通穴とは異なり、マイクロビアは隣接する積層層を接続することができ、占有面積は大幅に少なくて済む。

これにより、ルーティングチャネルはパケット密度の高い領域を通過できるようになります。

したがって、マイクロビアの形状、ランディングパッドの寸法、銅めっきの品質、および位置合わせの精度は、基板の歩留まりにとって非常に重要です。

関連するPCB技術については、高密度相互接続PCB構造に関するガイドが、小型垂直相互接続が配線密度をどのように向上させるかについての有用な背景情報を提供します。

銅メタライゼーション

誘電体形成とレーザー穿孔の後、導電性の銅構造を作成する必要がある。

製造工程によっては、シード層形成、無電解銅めっき、電気めっき、およびパターニング工程を組み合わせて、必要な導電性形状を作製することができる。

基板寸法が大きくなるにつれて、銅の厚さ、線幅、間隔、位置合わせにおける比較的小さな変動が電気的性能や製造性能に影響を与える可能性があるため、プロセス制御の重要性がますます高まる。

ABF基板製造における課題

ABF基板の製造は、従来の多層基板製造に比べてはるかに高度な技術を要する。

この難しさは、単一の工程に起因するものではありません。極めて微細な形状、複数の積層サイクル、材料特性、銅加工、レーザー穴あけ、位置合わせ、検査、歩留まり管理といった要素が相互に作用し合うことで生じます。

細線模様

行幅と行間が狭くなるにつれて、わずかな変化が比例的に大きくなる。

従来のプリント基板では問題にならないような製造工程のばらつきでも、導体の形状をはるかに小さなスケールで測定すると、許容できないレベルになる可能性がある。

そのため、製造業者は厳密に管理された画像処理、めっき、エッチング、位置合わせ、および検査プロセスを必要とする。

レイヤー間位置合わせ

積層構造が一つ増えるごとに、新たな位置合わせ要件が生じる。

マイクロビアは下地の銅構造に正しく配置される必要があり、同時に上側の配線パターンも周囲の構造と整合していなければならない。

そのため、位置合わせの誤差は製造工程全体を通して蓄積される可能性がある。

信頼性を通じて

マイクロビアは、その後の加工および動作を通して、信頼性の高い電気的および機械的接続を維持しなければならない。

ビアの形成不良、銅の析出不足、空隙、亀裂、または過剰な応力は、信頼性の問題につながる可能性があります。

したがって、レーザー穿孔、デスミア除去、シード形成、めっき、およびその後の熱サイクル間の関係を慎重に制御する必要がある。

材料および寸法安定性

パッケージ基板は、製造、組み立て、および動作中に熱的および機械的な応力を受ける。

熱膨張係数、吸湿挙動、誘電特性、銅の分布、層構造の違いは、寸法安定性やパッケージの信頼性に影響を与える可能性がある。

このため、材料選定は基板全体の構造から切り離して考えることはできない。

ABF基板およびHDI技術

ABF基板とHDI基板は、いくつかの重要な製造コンセプトを共有しているが、同一の技術として扱うべきではない。

両方とも以下を使用できます：

• 誘電体層の形成
• レーザー穴あけ
• マイクロビア
• 細線銅
• 順次処理
• 高密度ルーティング

しかしながら、ABFパッケージ基板は半導体パッケージレベルで動作するため、相互接続密度や寸法に関する要求は、はるかに厳しくなる可能性がある。

HDI技術は、システムボード側において依然として非常に重要な役割を担っている。

例えば、ハイエンドのコンピューティングシステムには以下のようなものが含まれる可能性があります。

したがって、パッケージ基板とシステム基板は、電気的にも機械的にも連携して動作する必要がある。

これが、先進的なプリント基板メーカーが、従来型の多層構造製造だけでなく、高密度構造に関する専門知識をますます必要とする理由の一つである。

複雑なHDI構造を設計する際には、逐次的な構築が特に重要になります。エンジニアの方は、HDI PCBスタックアップ設計に関する記事で、このアプローチについてさらに詳しく学ぶことができます。

ABF基板の電気的性能

ABF基板の選択は、物理的な配線密度だけに関わるものではありません。

パッケージインターフェースがより高いデータレートとより多くの信号数をサポートするようになるにつれて、電気的性能の重要性がますます高まる。

誘電特性

誘電体システムの誘電率と誘電損失特性は、信号伝搬、静電容量、インピーダンス、および損失に影響を与える。

関連する特性は、個別の材料番号として扱うのではなく、実際のパッケージ構造と合わせて評価する必要がある。

シグナルインテグリティ

短い相互接続は、信号の完全性に関する問題を自動的に解消するものではない。

高速データレートでは、パッケージ配線、ビア、トランジション、基準面、およびPCB接続はすべて、以下の要因に影響を与える可能性があります。

• 挿入損失
• リターンロス
• クロストーク
• 感想
• スキュー
• インピーダンスの不連続性

したがって、パッケージ基板は完全な高速チャネルの一部を構成する。

信号がパッケージ基板から出てシステム基板に入ると、基板の積層構造と材料システムは、電気的要件を満たし続ける必要がある。

システムレベルのアプリケーションについては、エンジニアは高速PCB製造および高速PCB材料に関する当社のリソースを参照することができます。

パワーインテグリティ

高性能プロセッサやアクセラレータは、高い電力供給要件を生み出す可能性もある。

パッケージ基板は、許容可能な電気的および熱的性能を維持しながら、高密度な電源および接地接続に対応できるものでなければならない。

これは、プロセッサの電力密度、高速インターフェース、メモリ帯域幅、および熱設計が密接に関連している高性能コンピューティングシステムにおいて特に重要となる。

ABF基板の用途

ABF基板は、高い相互接続密度が求められる高度な半導体パッケージングにおいて主に用いられます。

CPUとGPU

高性能プロセッサには、多数のパッケージ接続と高密度な基板配線が必要となる。

ABFベースのパッケージ基板は、半導体パッケージと外部システムとの間に必要な微細な相互接続構造を提供することができる。

AIアクセラレータ

AIコンピューティングハードウェアは、プロセッサのI/O、メモリインターフェース、電力供給、および高速通信に大きな要求を課す。

アクセラレータのアーキテクチャが複雑化するにつれて、パッケージレベルの相互接続密度がますます重要になってくる。

外部プリント基板は、パッケージの周囲に適切な電気的、機械的、熱的、および電力的なインフラストラクチャを提供する必要がある。

ネットワークおよびデータセンターハードウェア

高速スイッチングおよびネットワーク機器は、高密度なパッケージ相互接続と、高度なシステムボード配線を必要とする場合がある。

パッケージ基板とプリント基板は、チャネル全体にわたって信号の完全性を維持するために連携して機能する必要がある。

ASICおよびカスタムコンピューティングデバイス

特定用途向け集積回路（ASIC）は、高度にカスタマイズされたパッケージ要件を持つ場合がある。

基板アーキテクチャは、特定の入出力構成、電源領域、高速インターフェース、および機械的な制約に対応する必要がある場合がある。

チップレットベースのアーキテクチャ

チップレットアーキテクチャでは、複数の半導体ダイが共通のパッケージ構造を介して通信する可能性があるため、パッケージ間の相互接続にさらなる要求が課せられる。

パッケージアーキテクチャが進化するにつれて、基板は相互接続システム全体においてますます重要な部分を占めるようになる。

ABF基板およびBGAパッケージ

ABF技術は、高I/O BGA型パッケージを含む高度なパッケージ構造と密接に関連しています。

パッケージ基板は、半導体ダイからの信号を外部パッケージ端子に分配し、その端子はシステム基板に接続することができる。

これにより、複数のレベルの相互接続が生まれます。

これらのレベル間の移行は、慎重に設計されなければならない。

このインターフェースの基板レベル側を担当するエンジニアにとって、BGA基板とパッケージ構造を理解することは有益です。

BGAパッケージがシステム基板に配置された後は、はんだ接合部の形状、パッド設計、熱プロファイル、部品配置、および検査も重要になります。

ABFベースのパッケージに合わせたPCBの設計

システム基板は、パッケージを独立した部品として扱うのではなく、パッケージを補完するように設計されなければならない。

ファンアウトとエスケープルーティング

高I/Oパッケージは、非常に高密度なエスケープルーティング領域を生成する可能性があります。

PCB設計者は、微細ピッチBGA配線、ビア・イン・パッド構造、マイクロビア、埋め込みビア、および綿密に計画された層割り当てを組み合わせる必要がある場合があります。

目的は単にすべての接続部を基板上に収めることだけではない。配線アーキテクチャは、製造性および電気的性能も維持しなければならない。

スタックアップセレクション

プリント基板の積層構造は以下に影響を与えます。

• 信号インピーダンス
• 基準面連続性
• 配電
• クロストーク
• 熱的挙動
• 建築を通して
• 製造の複雑さ

高速プロセッサおよびネットワークボードの場合、パッケージからPCBへの移行は、スタックアップ開発の段階で考慮する必要があります。

電力供給

大型プロセッサやアクセラレータは、比較的小さなパッケージ領域を通して、相当量の電流を供給する必要がある場合がある。

したがって、プリント基板には適切な電源プレーン構造、銅配線、ビア配置、デカップリング戦略、および熱設計が必要となる。

製造公差

非常に複雑なパッケージインターフェースは、プリント基板の製造において公差の蓄積に対する感度を高める可能性がある。

パッドの寸法、ソルダーマスクの位置合わせ、ビアの配置、銅箔の厚さ、ドリル精度、および層の位置合わせはすべて、実際の製造能力と照らし合わせて確認する必要があります。

堅牢なプリント基板製造設計レビューを実施することで、生産開始前に製造上の問題点を特定できる。

ABF基板とその他のIC基板技術との比較

ABFは、半導体基板に使用される唯一の材料または構造ではありません。

パッケージの種類によって、必要な基板技術は異なる場合があります。

適切な選択は、次のような要因によって異なります。

• I/O数
• パッケージサイズ
• ルーティング密度
• 信号速度
• 熱要件
• コスト目標
• 機械的制約
• 生産量
• 半導体パッケージアーキテクチャ

ABFは特に高度な高密度有機基板と関連付けられていますが、異なるパッケージクラスには他の基板アプローチの方が適している場合もあります。

そのため、基板の選定は、単に最も先進的な材料を選ぶのではなく、パッケージの構造と電気的要件から始めるべきなのです。

ABF基板の信頼性に関する考察

信頼性は、パッケージ全体および基板システム全体にわたって評価されなければならない。

サーマルサイクリング

温度変化が繰り返されると、異なる材料は膨張・収縮率が異なるため、機械的な応力が発生する。

したがって、パッケージ基板、半導体パッケージ、はんだ接合部、およびプリント基板は、一体構造として評価する必要がある。

水分

有機誘電体材料は水分と相互作用する可能性があり、その場合、加工特性や信頼性に影響を与える可能性がある。

したがって、水分管理および保管条件は、材料および包装工程の要件に応じて管理する必要がある。

マイクロビアの信頼性

マイクロビア構造は、製造および運用時の熱サイクルを通じて、電気的および機械的な信頼性を維持しなければならない。

銅の品質、ビアの形状、めっき、誘電体界面、および熱応力はすべて性能に影響を与える。

パッケージとPCB間の信頼性

ABF基板自体が正しく機能している場合でも、パッケージとPCBの接合部でアセンブリ全体に不具合が生じる可能性がある。

BGAのはんだ接合部、PCBの反り、熱膨張率の不一致、組み立て形状、機械的負荷などはすべて、現場での信頼性に影響を与える可能性があります。

BGAアプリケーションに関しては、エンジニアはBGA PCBアセンブリ、関連する検査、およびはんだ接合に関する考慮事項についての当社の情報も参照できます。

ABF基質プロジェクトの評価方法

ABF関連プロジェクトを評価する際には、要件を4つのレベルに分けることが有効です。

1. 半導体パッケージの要件

• ダイサイズ
• I/O数
• パッケージの寸法
• 入出力ピッチ
• 電源要件
• 高速インターフェースの要件
• パッケージアーキテクチャ

2. 基質要件

• コア構造
• 積層数
• 誘電体システム
• 最小行/スペース
• マイクロビアの寸法
• パッド寸法
• 銅の厚さ
• 表面仕上げ
• 登録要件
• 反りの要件

3. システム基板の要件

• PCB層数
• 積み重ねる
• 材料システム
• 制御されたインピーダンス
• BGA脱出戦略
• ビア構造
• 銅の重量
• 熱要件
• 配電
• 表面仕上げ

4. 組み立て要件

• BGAコンポーネントの仕様
• 半田付け
• ステンシルデザイン
• リフロープロファイル
• AOI要件
• X線検査
• 電気試験
• やり直しの要件
• トレーサビリティ

これら4つのレベルを分けることで、問題の発生源を特定しやすくなる。

パッケージレベルの問題を、自動的にPCB製造上の問題として扱うべきではなく、PCBレベルの配線制限を自動的にABF基板に起因するものとすべきではない。

先進電子機器製造チェーンにおけるABF基板

ABF技術は、半導体パッケージングとプリント基板製造がますます相互に連携しつつあることを示している。

最新の高性能コンピューティングプラットフォームには、いくつかの製造技術が用いられる可能性がある。

各段階にはそれぞれ異なる技術要件があるが、それらの間の電気的および機械的なインターフェースは互換性を維持しなければならない。

これは、プリント基板メーカーにとって、実際の生産責任がシステムレベルの基板に集中している場合でも、半導体パッケージングに関する理解がますます重要になっていることを意味する。

プリント基板はもはやプロセッサを囲む単なる受動的なプラットフォームではない。それは、電気的、熱的、機械的なアーキテクチャ全体の一部を形成する。

ABF関連のPCBプロジェクトにおいてDFMが重要な理由

ABFベースのパッケージは、非常に高密度なPCBインターフェースを実現できる。

基板レイアウトが完了した後に初めてこれらのインターフェースの問題を解決しようとすると、不必要な再設計につながる可能性があります。

DFMレビューは、理想的には製造開始前に開始すべきである。

目的は、意図した電気設計を維持しつつ、物理的な基板を安定して製造できるようにすることである。

これは、高度なパッケージとHDI構造を組み合わせた設計の場合に特に重要です。なぜなら、理論的には配線可能な設計であっても、量産規模では実用的ではない可能性があるからです。

ABFパッケージから完成品PCBAまで

ABF基板自体は、完成品の一部にすぎません。

高度なパッケージがシステム基板に取り付けられると、製造プロセスは部品配置、はんだ付け、検査、テスト、そして場合によってはシステムレベルの統合へと続きます。基板レベルでは、システム基板インターフェースにおけるHDIアセンブリは、パッケージ基板の製造とは別の製造工程となります。

したがって、有能な製造パートナーは、基板単体と最終組立品との関係性を理解している必要がある。

基板製造と部品組立の両方を必要とするプロジェクトの場合、PCB組立サービスを利用することで、製造工程と組立工程を連携させ、統一された製造プロセスを構築することができます。

これは、PCBの製造仕様と組み立てパラメータを個別に考慮できない高密度プロセッサボードにおいて特に重要となる。

ABF基質：重要なポイント

ABF基板技術は、半導体パッケージングとシステムレベルのプリント基板製造の中間に位置する重要な技術である。

最も重要な点は以下のとおりです。

• ABFとは味の素ビルドアップフィルムのことです。有機誘電体技術であり、先進的なパッケージ基板に広く用いられている。
• An ABFパッケージ基板は、単に異なるラミネート材で作られた従来のPCBではない。.
• その主な目的は、半導体パッケージと外部システムとの間に非常に高密度な電気的相互接続を提供することである。
• 積層構造、レーザーマイクロビア、微細な銅配線、そして高精度な位置合わせは、この技術の根幹を成す要素である。
• ABF基板は、プロセッサ、アクセラレータ、ASIC、高度なネットワーク機器など、高I/Oの半導体アプリケーションと密接に関連しています。
• パッケージ基板とシステム基板は、信号の完全性、電力供給、熱特性、および信頼性に関して、一体として考慮する必要がある。
• HDIなどの高密度プリント基板技術は、パッケージと基板の接合部において特に重要となる。
• 微細な形状や厳しい公差は歩留まりとコストに大きな影響を与える可能性があるため、製造の実現可能性は早期に検討すべきである。
• 最終製品の品質は、基板の品質だけでなく、プリント基板の製造、組み立て、検査、およびテストにも左右される。

ABF基質に関するよくある質問