PCB met glaskern voor geavanceerde verpakkingen

Een printplaat met glazen kern is een geavanceerd substraat dat gebruikmaakt van een dunne glasplaat in plaats van de organische harskern die in conventionele flip-chip BGA-substraten wordt gebruikt. De belangrijkste reden voor het gebruik van glas is niet de nieuwigheid, maar de prestaties: glas heeft een thermische uitzettingscoëfficiënt die veel dichter bij die van silicium ligt, vertoont veel minder kromtrekking bij grote pakketformaten en biedt een betere dimensionale stabiliteit voor interconnecties met een fijne pitch. Deze eigenschappen maken substraten met een glazen kern steeds relevanter voor AI-acceleratoren, krachtige CPU's, chiplet-pakketten en andere geavanceerde halfgeleiderassemblages waar organische substraten hun mechanische en routinglimieten bereiken. De bredere achtergrond van het materiaal en de processen is te vinden in de glas-PCB-technologie.

Vraag een offerte aan voor een printplaat met glazen kern

Wat is een printplaat met glazen kern?

Een printplaat met glazen kern is een substraat voor halfgeleiderverpakkingen waarbij de centrale kernlaag is gemaakt van glas in plaats van een organisch laminaat zoals BT-hars of gemodificeerd FR-4. In geavanceerde halfgeleiderverpakkingen fungeert deze kern als de stijve structurele ruggengraat van het substraat en bepaalt deze de vlakheid, diktestabiliteit en verticale interconnectiegeometrie. In plaats van conventionele geboorde via's gebruikt de glazen kern door-het-glas-via's om signalen en stroom door de dikte van het substraat te leiden.

Het glas zelf is geen actieve elektrische laag. De rol ervan is structureel en dimensionaal. Boven en onder de glaskern worden koperen herverdelingslagen en diëlektrische opbouwlagen gevormd, terwijl het glas de stabiele basis vormt die nodig is voor het bevestigen van chips met een fijne pitch en de constructie van grote behuizingen. In de praktijk is een printplaat met een glaskern niet hetzelfde als een standaard printplaat van stijf glas die in de algemene elektronica wordt gebruikt; deze is specifiek ontworpen voor geavanceerde IC-behuizingssubstraten waar siliciumcompatibiliteit en kromtrekkingscontrole cruciaal zijn.

Dit is de reden waarom printplaten met een glazen kern steeds vaker worden besproken in samenhang met de verpakking van processoren van de volgende generatie. Naarmate de afmetingen van de verpakkingen toenemen en de bump-pitch steeds kleiner wordt, wordt het kernmateriaal een beperkende factor, en biedt glas een andere prestatielimiet dan organische substraattechnologie.

Waarom printplaten met een glaskern organische verpakkingssubstraten vervangen

Organische substraten worden al decennia gebruikt voor de verpakking van halfgeleiders, maar geavanceerde AI- en HPC-pakketten overschrijden nu de betrouwbaarheidsgrenzen van organische kernen. Het belangrijkste probleem is de thermomechanische mismatch. Organische substraatkernen hebben doorgaans een thermische uitzettingscoëfficiënt die veel hoger ligt dan die van silicium, wat spanning veroorzaakt op het grensvlak tussen de chip en het substraat tijdens reflow-solderen en thermische cycli. Naarmate de bump pitch fijner wordt, wordt het moeilijker om die spanning op te vangen zonder soldeermoeheid en problemen met de betrouwbaarheid van de verbindingen.

PCB's met een glazen kern pakken dit probleem aan door de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van het substraat veel dichter bij die van silicium te brengen. Dit vermindert de relatieve verplaatsing tijdens temperatuurschommelingen en helpt de betrouwbaarheid van soldeerverbindingen te behouden, zelfs bij grote chipoppervlakken. Het tweede grote voordeel is de beheersing van kromtrekking. Grote organische substraten hebben de neiging om tijdens de assemblage te buigen vanwege asymmetrische thermische uitzetting over de opbouw. ​​Bij grotere behuizingsformaten kan die kromtrekking leiden tot open verbindingen of inconsistente bump-aanhechting. Glas heeft een veel betere dimensionale stabiliteit, waardoor vlakkere panelen en een meer uniforme interconnectie mogelijk zijn.

Een derde belangrijke factor is de interconnectiedichtheid. Organische kernen zijn afhankelijk van mechanisch geboorde via-structuren met grotere minimale afmetingen, terwijl glazen kernen veel fijnere verticale interconnecties mogelijk maken. Voor moderne chiplet-integratie, waarbij de routingdichtheid en de pakketgrootte samen toenemen, is die combinatie van lagere kromming, betere CTE-match en fijnere via-mogelijkheden de belangrijkste reden waarom printplaten met glazen kernen steeds vaker commercieel worden toegepast.

PCB met glazen kern versus PCB met organische kern versus glazen tussenlaag

PCB's met een glazen kern bevinden zich qua prestaties en kosten tussen organische substraten en silicium- of glas-interposeroplossingen. In vergelijking met een organisch substraat biedt glas minder kromtrekking, minder vochtabsorptie, betere dimensionale stabiliteit en een veel betere thermische afstemming op silicium. In vergelijking met een silicium-interposer maken substraten met een glazen kern productie op grotere paneelschaal mogelijk tegen lagere totale kosten, terwijl ze toch een veel fijnere bedrading en via-dichtheid mogelijk maken dan organische materialen.

Het belangrijkste verschil tussen een printplaat met glazen kern en een glazen interposer is de functionele positie in de behuizing. Een glazen kernsubstraat is het substraat van de behuizing zelf, inclusief opbouwlagen en de interface voor de verbindingen op printplaatniveau. Een glazen interposer is een passief herverdelingselement dat tussen de chips en het substraat wordt geplaatst voor routing met een ultrahoge dichtheid. Als uw focus ligt op de architectuur van de interposer in plaats van op de constructie van het substraat, is de rol van een printplaat met glazen interposer anders.

Structuur en opbouw van de printplaat met glazen kern

Een typische printplaat met glazen kern is opgebouwd rond een dunne glasplaat, meestal tussen de 0.1 mm en 0.3 mm dik, met via's door de glaskern die met koper zijn gevuld voor verticale interconnectie. Aan beide zijden van het glas worden opbouwlagen van diëlektricum en koperherverdeling aangebracht om de routingstructuur van de behuizing te creëren. De bovenzijde ondersteunt doorgaans de bevestiging van chips met een fijne pitch, terwijl de onderzijde de soldeerbal- of pakketniveau-interconnectie-interface biedt.

De belangrijkste opbouwregel is symmetrie. Glas zelf is vormvast, maar het complete substraat kan nog steeds kromtrekken als de bovenste en onderste opbouwlagen niet in balans zijn. De koperdichtheid, de dikte van het diëlektricum en het aantal lagen moeten aan beide zijden nauwkeurig op elkaar afgestemd zijn, zodat de thermische spanning tijdens het reflow-proces en het uitharden van de onderlaag in evenwicht blijft. Om deze reden gaat het bij het ontwerpen van een substraat met een glazen kern niet alleen om de keuze van glas als materiaal; het gaat er ook om de volledige opbouwarchitectuur rondom die kern te beheersen.

Ook de materiaalkeuze is belangrijk. Borosilicaatglas heeft vaak de voorkeur omdat het een gunstige combinatie biedt van thermische stabiliteit, mechanische eigenschappen en procescompatibiliteit. De verschillen tussen de beschikbare glazen PCB-substraatmaterialen zijn van belang bij het kiezen van een kern voor de ontwikkeling van een behuizing.

Overwegingen bij het ontwerp van TGV en kromtrekking

Het ontwerp van door-glas-via's is een van de belangrijkste technische onderwerpen bij de ontwikkeling van printplaten met een glazen kern. De diameter, pitch, aspectverhouding, kwaliteit van de kopervulling, grootte van de capture pad en de edge keepout van de door-glas-via's hebben allemaal een directe invloed op de produceerbaarheid en betrouwbaarheid. In vergelijking met standaard printplaat-via-ontwerpen vereisen door-glas-via-structuren een nauwkeurigere controle, omdat het omringende materiaal bros glas is in plaats van een organisch laminaat. Via's die te dicht bij de substraatrand geplaatst zijn of een te grote lokale spanningsconcentratie kunnen leiden tot scheurvorming tijdens de verwerking of het scheiden van de componenten.

Daarom is het ontwerp van TGV-printplaten nauw verbonden met het beheersen van kromtrekking en spanning. Hoewel glas de vervorming op kernniveau aanzienlijk vermindert in vergelijking met organische materialen, ondervindt het afgewerkte substraat nog steeds spanning door onevenwichtigheden in de koperverdeling, het bevestigen van de chip, het uitharden van de onderlaag en temperatuurschommelingen. Een goed ontwerp van een printplaat met glazen kern combineert daarom een ​​nauwkeurige TGV-layout met een gebalanceerde koperverdeling, op elkaar afgestemde opbouwlagen en mechanische modellering op pakketniveau.

In de praktijk is het ontwerpdoel niet alleen om een ​​via geleidend te maken. Het is om de gehele kern- en opbouwstructuur stabiel genoeg te maken voor flip-chip-verbindingen met een fijne pitch over het volledige pakketoppervlak. De procesdetails achter de vorming van via's door het glas heen hebben een directe invloed op dat resultaat.

Veelgestelde vragen over toepassingen en printplaten met glaskern

PCB's met een glazen kern worden steeds vaker gebruikt waar conventionele substraten onvoldoende vlakheid, thermische aanpassing of routingdichtheid bieden. De grootste vraag komt van AI-acceleratoren, krachtige CPU's en chiplet-gebaseerde pakketarchitecturen met een groot formaat en een zeer fijne bump-pitch. Deze pakketten vereisen een substraat dat vlak blijft tijdens de assemblage en tegelijkertijd een hoge I/O-dichtheid en betrouwbare chipbevestiging ondersteunt. Een glazen kern wint ook aan relevantie in hoogfrequente en RF-pakketten, waar diëlektrische stabiliteit en dimensionale precisie van belang zijn bij hogere werkfrequenties. In die gevallen wordt het elektrische gedrag van hoogfrequente glazen PCB- structuren onderdeel van de ontwerpdiscussie over het pakket.

Wat is het belangrijkste voordeel van een printplaat met een glazen kern?

Het belangrijkste voordeel is de combinatie van lage kromming en compatibiliteit met de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van silicium. Hierdoor zijn substraten met een glazen kern geschikter dan substraten met een organische kern voor grote halfgeleiderpakketten met een fijne pitch.

Is een printplaat met glazen kern hetzelfde als een glazen interposer?

Nee. Een printplaat met glazen kern is het substraat van de behuizing zelf, terwijl een interposer een aparte herverdelingslaag is die tussen de chips en het substraat is geplaatst.

Waarom is een printplaat met glazen kern belangrijk voor AI- en chipletpakketten?

Omdat deze behuizingen een groot substraat, een hoog aantal I/O-pinnen en een fijne bump-pitch combineren. Organische materialen hebben moeite om onder die omstandigheden vlakheid en betrouwbaarheid te behouden, terwijl glas beter presteert.

Vervangt een printplaat met glazen kern silicium-interposers?

Niet in elk ontwerp. Een glazen kern bevindt zich meestal in het midden tussen goedkopere organische substraten en hoogwaardigere tussenlagen.

Is een printplaat met glazen kern al een gangbare productietechnologie?

Het bevindt zich in de overgang van ontwikkelingsfase naar vroege productiefase voor geavanceerde verpakkingsprogramma's, met name waar grote substraatformaten en een hoge interconnectiedichtheid vereist zijn. Projectvereisten kunnen direct via de offertepagina worden verzonden.