Substrato ABF: Materiais, Processo de Fabricação, Aplicações e Integração de PCBs

Para engenheiros que avaliam aplicações avançadas de computação, redes, IA, aceleradores, processadores ou outras aplicações de alta E/S, é essencial compreender a relação entre materiais dielétricos ABF, substratos de circuitos integrados, interconexões de encapsulamento, estruturas HDI e PCBs de nível de sistema.

O que é um substrato ABF?

ABF significa Ajinomoto Build-up Film , uma tecnologia de filme dielétrico desenvolvida para aplicações de encapsulamento de semicondutores de alta densidade.

Um substrato ABF geralmente consiste em uma estrutura central combinada com múltiplas camadas de interconexão de cobre e dielétrico. Trilhas finas de cobre e microvias são formadas dentro dessas camadas para criar o roteamento denso necessário entre o encapsulamento do semicondutor e a placa de circuito impresso externa.

Essa construção é fundamentalmente diferente de uma placa de circuito impresso multicamadas convencional.

Uma placa de circuito impresso (PCB) tradicional geralmente é otimizada em termos de robustez mecânica, facilidade de fabricação, desempenho elétrico, requisitos térmicos e custo no nível da placa do sistema. Um substrato de encapsulamento ABF, em comparação, deve acomodar interconexões extremamente densas imediatamente adjacentes a um dispositivo semicondutor.

O substrato atua, portanto, como uma ponte elétrica e mecânica entre dois ambientes muito diferentes:

Essa função intermediária explica por que a tecnologia ABF está intimamente relacionada à tecnologia de substratos de circuitos integrados, em vez da fabricação convencional de placas de circuito impresso.

Por que o ABF é usado para embalagens avançadas de circuitos integrados?

A principal razão pela qual o ABF é importante é que os encapsulamentos de semicondutores avançados exigem densidades de interconexão que as tecnologias convencionais de PCB não conseguem fornecer de forma eficiente.

Processadores modernos, GPUs, aceleradores de IA, dispositivos de rede e outros encapsulamentos semicondutores de alta capacidade de entrada/saída podem conter um número muito grande de conexões elétricas em uma área relativamente pequena.

O substrato da embalagem deve, portanto, fornecer:

• roteamento de cobre de linha fina
• Alta densidade de interconexão
• Múltiplas camadas de acúmulo
• Microvias formadas por laser
• espessura dielétrica controlada
• Propriedades elétricas estáveis
• Interfaces confiáveis ​​de cobre com dielétrico
• Comportamento dimensional controlado
• Compatibilidade com processos de encapsulamento de semicondutores

As estruturas de construção ABF permitem aumentar a densidade de roteamento tanto vertical quanto horizontalmente.

Em vez de tentar rotear todas as conexões através de uma estrutura convencional de PCB espessa, os engenheiros podem construir camadas adicionais de dielétrico e cobre em torno de um substrato central e usar microvias para conectar as camadas adjacentes.

Essa abordagem permite uma densidade de roteamento muito maior dentro de um espaço de pacote limitado.

O resultado é particularmente valioso para dispositivos semicondutores, onde a densidade de E/S do encapsulamento se tornou uma das principais limitações na arquitetura geral do sistema.

Substrato ABF vs. PCB convencional

É importante não usar os termos PCB ABF e substrato de encapsulamento ABF como sinônimos.

Embora ambos utilizem condutores de cobre e materiais dielétricos, seus objetivos de projeto e requisitos de fabricação são diferentes.

Uma placa de circuito impresso convencional pode conectar um processador, memória, circuitos de alimentação, conectores e outros componentes em uma placa relativamente grande.

Um substrato de encapsulamento ABF desempenha uma função diferente: ele fornece a interconexão extremamente densa imediatamente abaixo ou ao redor do encapsulamento do semicondutor.

Essa distinção também explica por que as tecnologias frequentemente aparecem juntas em sistemas eletrônicos avançados.

Como funcionam as estruturas de construção ABF

Uma estrutura de substrato ABF simplificada pode ser entendida como uma sequência de camadas dielétricas e de cobre construídas em torno de um núcleo.

O conceito de fabricação geralmente envolve várias etapas principais:

O fluxo exato do processo varia de acordo com a arquitetura do substrato, a capacidade do fabricante, as regras de projeto e os requisitos da embalagem.

Acúmulo dielétrico

A película ABF fornece a camada isolante entre as estruturas condutoras de cobre.

O dielétrico deve fornecer as características elétricas necessárias, além de suportar a fabricação de detalhes finos e uma interconexão confiável.

A espessura e as propriedades de cada camada dielétrica influenciam a geometria de roteamento, a formação de vias, o comportamento da impedância, a capacitância e as características mecânicas.

Microvias a laser

Uma das características definidoras dos substratos de construção avançados é o uso de microvias formadas a laser.

Ao contrário dos grandes orifícios convencionais, as microvias podem conectar camadas de material adjacentes, ocupando uma área substancialmente menor.

Isso permite que os canais de roteamento passem por regiões com alta densidade de pacotes.

A geometria dos microvias, as dimensões da área de contato, a qualidade do revestimento de cobre e a precisão do alinhamento são, portanto, fatores críticos para o rendimento do substrato.

Para tecnologias de PCB relacionadas, nosso guia sobre estruturas de PCB com interconexão de alta densidade fornece informações úteis sobre como as interconexões verticais em miniatura aumentam a densidade de roteamento.

Metalização de cobre

Após a formação do dielétrico e a perfuração a laser, é necessário criar estruturas condutoras de cobre.

Dependendo do processo de fabricação, a formação da camada de semente, o cobre químico, a galvanoplastia e os processos de padronização podem ser combinados para produzir a geometria condutora necessária.

Em substratos de dimensões avançadas, o controle do processo torna-se cada vez mais importante, pois variações relativamente pequenas na espessura do cobre, na largura da linha, no espaçamento ou no registro podem afetar o desempenho elétrico e de fabricação.

Desafios na fabricação de substratos ABF

A fabricação de substratos ABF é consideravelmente mais exigente do que a fabricação convencional de PCBs multicamadas.

A dificuldade não é causada por um único processo. Ela resulta da interação de geometrias extremamente finas, múltiplos ciclos de construção, comportamento do material, processamento do cobre, perfuração a laser, registro, inspeção e controle de rendimento.

Padrões de linhas finas

À medida que a largura das linhas e os espaços diminuem, pequenas variações tornam-se proporcionalmente mais significativas.

Uma variação de processo que seria insignificante em uma placa de circuito impresso convencional pode se tornar inaceitável quando a geometria do condutor é medida em uma escala muito menor.

Por isso, os fabricantes precisam de processos rigorosamente controlados de imagem, revestimento, corrosão, registro e inspeção.

Registro camada a camada

Cada camada adicional de material depositado introduz um novo requisito de alinhamento.

A microvia deve se alinhando corretamente com a estrutura de cobre subjacente, enquanto o padrão de roteamento superior também deve estar alinhado com a estrutura circundante.

Portanto, os erros de registro podem se acumular ao longo de toda a sequência de fabricação.

Através da confiabilidade

Os microvias devem manter conexões elétricas e mecânicas confiáveis ​​durante o processamento e a operação subsequentes.

Formação inadequada de vias, deposição insuficiente de cobre, vazios, fissuras ou tensão excessiva podem contribuir para problemas de confiabilidade.

A relação entre perfuração a laser, remoção de resíduos, formação de núcleos, revestimento e ciclos térmicos subsequentes deve, portanto, ser controlada cuidadosamente.

Estabilidade Material e Dimensional

Os substratos de encapsulamento sofrem tensões térmicas e mecânicas durante a fabricação, montagem e operação.

Diferenças no coeficiente de expansão térmica, comportamento em relação à umidade, propriedades dielétricas, distribuição de cobre e construção das camadas podem afetar a estabilidade dimensional e a confiabilidade da embalagem.

Por essa razão, a seleção de materiais não pode ser dissociada da estrutura completa do substrato.

Substrato ABF e tecnologia HDI

Os substratos ABF e as placas de circuito impresso HDI compartilham vários conceitos importantes de fabricação, mas não devem ser tratados como tecnologias idênticas.

Ambos podem usar:

• Camadas dielétricas de acúmulo
• Perfuração a laser
• Microvias
• Cobre de linha fina
• Processamento sequencial
• Roteamento de alta densidade

No entanto, um substrato de encapsulamento ABF opera no nível do encapsulamento de semicondutores, onde a densidade de interconexão e os requisitos dimensionais podem ser substancialmente mais exigentes.

A tecnologia HDI continua sendo altamente relevante no lado da placa-mãe.

Por exemplo, um sistema de computação de alta gama pode conter:

O substrato da embalagem e a placa de circuito impresso do sistema precisam, portanto, funcionar em conjunto elétrica e mecanicamente.

Essa é uma das razões pelas quais os fabricantes de PCBs avançados precisam cada vez mais de conhecimento especializado em estruturas de alta densidade, em vez de apenas na fabricação multicamadas convencional.

A construção sequencial é particularmente importante no projeto de estruturas HDI complexas. Os engenheiros podem aprender mais sobre essa abordagem em nosso artigo sobre projeto de empilhamento de PCB HDI.

Desempenho elétrico de substratos ABF

A seleção do substrato ABF não se resume apenas à densidade de roteamento físico.

O desempenho elétrico torna-se cada vez mais importante à medida que as interfaces dos encapsulamentos suportam taxas de dados mais altas e maior número de sinais.

Propriedades dielétricas

A constante dielétrica e as características de dissipação do sistema dielétrico influenciam a propagação do sinal, a capacitância, a impedância e as perdas.

As propriedades relevantes devem ser avaliadas em conjunto com a estrutura real da embalagem, em vez de serem tratadas como números de materiais isolados.

Integridade do Sinal

Interconexões curtas não eliminam automaticamente os problemas de integridade do sinal.

Em altas taxas de dados, trilhas de encapsulamento, vias, transições, planos de referência e conexões de PCB podem contribuir para:

• Perda de inserção
• Perda de retorno
• Crosstalk
• Reflexões
• enviesado
• Descontinuidades de impedância

O substrato da embalagem, portanto, faz parte do canal de alta velocidade completo.

Assim que o sinal sai do substrato da embalagem e entra na placa de circuito impresso (PCB) do sistema, a estrutura da PCB e o sistema de materiais devem continuar a suportar os requisitos elétricos.

Para aplicações em nível de sistema, os engenheiros podem consultar nossos recursos sobre fabricação de PCBs de alta velocidade e materiais para PCBs de alta velocidade.

Integridade de energia

Processadores e aceleradores avançados também podem gerar requisitos exigentes de fornecimento de energia.

O substrato da embalagem deve acomodar conexões densas de energia e aterramento, mantendo um desempenho elétrico e térmico aceitável.

Isso se torna particularmente importante em sistemas de computação de alto desempenho, onde a densidade de potência do processador, as interfaces de alta velocidade, a largura de banda da memória e o projeto térmico estão intimamente interligados.

Aplicações de substrato ABF

Os substratos ABF estão principalmente associados a embalagens de semicondutores avançadas, onde é necessária uma alta densidade de interconexões.

CPUs e GPUs

Processadores de alto desempenho exigem um grande número de conexões de encapsulamento e roteamento denso no substrato.

Os substratos de encapsulamento baseados em ABF podem fornecer a estrutura de interconexão fina necessária entre o encapsulamento do semicondutor e o sistema externo.

Aceleradores de IA

O hardware de computação de IA impõe exigências substanciais em relação à E/S do processador, interfaces de memória, fornecimento de energia e comunicação de alta velocidade.

À medida que as arquiteturas de aceleradores se tornam mais complexas, a densidade de interconexões em nível de encapsulamento torna-se cada vez mais importante.

A placa de circuito impresso externa deve então fornecer a infraestrutura elétrica, mecânica, térmica e de energia apropriada ao redor do encapsulamento.

Hardware de rede e data center

Dispositivos de comutação e rede de alta velocidade podem exigir interconexões de encapsulamento densas, juntamente com roteamento complexo na placa-mãe.

O substrato da embalagem e a placa de circuito impresso (PCB) devem trabalhar em conjunto para preservar a integridade do sinal em todo o canal.

ASIC e Dispositivos de Computação Personalizados

Circuitos integrados de aplicação específica podem ter requisitos de encapsulamento altamente personalizados.

A arquitetura do substrato pode precisar acomodar arranjos específicos de E/S, domínios de energia, interfaces de alta velocidade e restrições mecânicas.

Arquiteturas baseadas em chiplets

As arquiteturas de chiplets impõem exigências adicionais à interconexão de encapsulamento, pois vários chips semicondutores podem se comunicar através de uma estrutura de encapsulamento comum.

À medida que as arquiteturas de encapsulamento evoluem, o substrato torna-se uma parte cada vez mais importante do sistema de interconexão como um todo.

Substrato ABF e encapsulamento BGA

A tecnologia ABF está intimamente ligada a estruturas de encapsulamento avançadas, incluindo encapsulamentos do tipo BGA com alta capacidade de E/S.

O substrato da embalagem distribui os sinais do chip semicondutor para os terminais externos da embalagem, que podem então ser conectados à placa de circuito impresso do sistema.

Isso cria múltiplos níveis de interconexão:

A transição entre esses níveis deve ser cuidadosamente planejada.

Para engenheiros que trabalham com a interface em nível de placa, compreender os substratos BGA e as estruturas de encapsulamento é útil.

Após a colocação do encapsulamento BGA na placa do sistema, a geometria da junta de solda, o projeto dos pads, o perfil térmico, o posicionamento dos componentes e a inspeção também se tornam importantes.

Projetando a placa de circuito impresso em torno de um encapsulamento baseado em ABF.

A placa de circuito impresso do sistema deve ser projetada para complementar o encapsulamento, em vez de tratar o encapsulamento como um componente isolado.

Roteamento de dispersão e escape

Pacotes com alta quantidade de operações de entrada/saída podem criar regiões de roteamento de escape extremamente densas.

O projetista de PCB pode precisar combinar roteamento BGA de passo fino, estruturas via-in-pad, microvias, vias enterradas e atribuições de camadas cuidadosamente planejadas.

O objetivo não é simplesmente acomodar todas as conexões na placa. A arquitetura de roteamento também deve manter a viabilidade de fabricação e o desempenho elétrico.

Seleção de pilha

A configuração das camadas da placa de circuito impresso afeta:

• Impedância do sinal
• Continuidade do plano de referência
• Distribuição de poder
• Crosstalk
• Comportamento térmico
• Por meio da arquitetura
• Complexidade de fabricação

Para placas de processadores e redes de alta velocidade, a transição do encapsulamento para a placa de circuito impresso (PCB) deve ser considerada durante o desenvolvimento da estrutura de camadas.

Entrega de potência

Processadores e aceleradores de grande porte podem exigir um fornecimento de corrente substancial através de regiões de encapsulamento relativamente pequenas.

Portanto, a placa de circuito impresso (PCB) precisa de uma estrutura de plano de alimentação adequada, distribuição de cobre, disposição de vias, estratégia de desacoplamento e projeto térmico.

Tolerâncias de fabricação

Uma interface de encapsulamento altamente complexa pode tornar a fabricação de PCBs mais sensível ao acúmulo de tolerâncias.

As dimensões das ilhas de solda, o registro da máscara de solda, o posicionamento dos furos de passagem, a espessura do cobre, a precisão da perfuração e o registro das camadas devem ser verificados em relação à capacidade real de fabricação.

Uma análise robusta do projeto de PCB para fabricação pode identificar problemas de fabricação antes do início da produção.

Substrato ABF versus outras tecnologias de substrato para circuitos integrados

ABF não é o único material ou construção utilizada para substratos semicondutores.

Diferentes tipos de embalagens podem exigir diferentes tecnologias de substrato.

A escolha adequada depende de fatores como:

• Contagem de E/S
• Tamanho do pacote
• Densidade de roteamento
• Velocidade do sinal
• Requisitos térmicos
• Meta de custo
• Restrições mecânicas
• Volume de produção
• Arquitetura de encapsulamento de semicondutores

A tecnologia ABF está particularmente associada a substratos orgânicos avançados de alta densidade, mas outras abordagens de substrato podem ser mais apropriadas para diferentes classes de embalagens.

Por isso, a seleção do substrato deve começar pela arquitetura da embalagem e pelos requisitos elétricos, em vez de simplesmente escolher o material mais avançado disponível.

Considerações sobre a confiabilidade do substrato ABF

A confiabilidade deve ser avaliada em todo o pacote e sistema da placa.

Ciclismo térmico

Mudanças repetidas de temperatura causam tensões mecânicas porque diferentes materiais se expandem e contraem em taxas diferentes.

O substrato da embalagem, a embalagem do semicondutor, as juntas de solda e a placa de circuito impresso (PCB) precisam, portanto, ser avaliados como uma estrutura combinada.

Umidade

Os materiais dielétricos orgânicos podem interagir com a umidade, o que pode afetar o comportamento de processamento e a confiabilidade.

O manuseio da umidade e as condições de armazenamento precisam, portanto, ser controladas de acordo com os requisitos do material e do processo de embalagem.

Confiabilidade da Microvia

As estruturas de microvias devem manter sua confiabilidade elétrica e mecânica durante os ciclos térmicos de fabricação e operação.

A qualidade do cobre, a geometria dos furos de passagem, o revestimento, as interfaces dielétricas e o estresse térmico contribuem para o desempenho.

Confiabilidade da embalagem à placa de circuito impresso

Mesmo quando o substrato ABF em si funciona corretamente, a montagem completa ainda pode apresentar falhas na interface entre o encapsulamento e a placa de circuito impresso.

As juntas de solda BGA, a deformação da placa de circuito impresso (PCB), a incompatibilidade térmica, o perfil de montagem e a carga mecânica podem influenciar a confiabilidade em campo.

Para aplicações BGA, os engenheiros também podem consultar nossas informações sobre montagem de PCBs BGA e considerações relacionadas à inspeção e juntas de solda.

Como avaliar um projeto de substrato ABF

Ao avaliar um projeto relacionado ao ABF (Accreditation Board for Future), é útil separar os requisitos em quatro níveis.

1. Requisitos de encapsulamento de semicondutores

• Tamanho da matriz
• Contagem de E/S
• Dimensões da embalagem
• Passo de E/S
• Os requisitos de energia
• Requisitos de interface de alta velocidade
• Arquitetura de pacote

2. Requisitos de Substrato

• Construção do núcleo
• Número de camadas de acúmulo
• Sistema dielétrico
• Linha/espaço mínimo
• Dimensões da Microvia
• Dimensões da almofada
• Espessura de cobre
• O acabamento da superfície
• Requisitos de registro
• Requisitos de deformação

3. Requisitos da placa de circuito impresso do sistema

• Contagem de camada de PCB
• Empilhar
• Sistema de materiais
• Impedância controlada
• estratégia de escape BGA
• Por meio da estrutura
• Peso do cobre
• Requisitos térmicos
• Distribuição de poder
• O acabamento da superfície

4. Requisitos de montagem

• Especificações do componente BGA
• Pasta de solda
• Desenho de estêncil
• Perfil de refluxo
• Requisitos da AOI
• Inspeção de raio x
• Teste elétrico
• Requisitos de retrabalho
• Rastreabilidade

Separar esses quatro níveis facilita a identificação da origem do problema.

Um problema ao nível da embalagem não deve ser automaticamente tratado como um problema de fabricação de PCB, e uma limitação de roteamento ao nível da PCB não deve ser automaticamente atribuída ao substrato ABF.

Substrato ABF na cadeia de fabricação de eletrônicos avançados

A tecnologia ABF ilustra como a embalagem de semicondutores e a fabricação de PCBs estão se tornando cada vez mais interconectadas.

Uma plataforma moderna de computação de alto desempenho pode envolver diversas tecnologias de fabricação:

Cada etapa possui requisitos técnicos diferentes, mas as interfaces elétricas e mecânicas entre elas devem permanecer compatíveis.

Para os fabricantes de PCBs, isso significa que compreender a embalagem de semicondutores é cada vez mais valioso, mesmo quando a responsabilidade pela produção se concentra na placa de nível de sistema.

A placa de circuito impresso (PCB) deixou de ser apenas uma plataforma passiva ao redor do processador. Ela passa a fazer parte de toda a arquitetura elétrica, térmica e mecânica.

Por que o DFM é importante para projetos de PCB relacionados ao ABF

Os encapsulamentos baseados em ABF podem criar interfaces de PCB extremamente densas.

Tentar resolver essas interfaces somente após a conclusão do layout da placa de circuito impresso pode levar a redesenhos desnecessários.

Idealmente, a revisão do DFM (Design for Manufacturing) deve começar antes da liberação da fabricação.

O objetivo é manter o projeto elétrico pretendido, garantindo ao mesmo tempo que a placa física possa ser fabricada de forma consistente.

Isso é especialmente importante quando um projeto combina encapsulamentos avançados com estruturas HDI, pois um projeto teoricamente roteável pode ainda ser impraticável em escala de produção.

Da embalagem ABF à placa de circuito impresso finalizada.

O substrato ABF em si é apenas uma parte do produto completo.

Uma vez que um encapsulamento avançado é acoplado à placa de circuito impresso (PCB) do sistema, o processo de fabricação continua com a colocação dos componentes, soldagem, inspeção, testes e, potencialmente, integração em nível de sistema. No nível da PCB, a montagem do HDI na interface com a placa do sistema permanece uma tarefa de fabricação separada da produção do substrato do encapsulamento.

Um parceiro de fabricação competente deve, portanto, compreender a relação entre a placa de circuito impresso (PCB) nua e a montagem final.

Para projetos que exigem tanto a fabricação da placa quanto a montagem de componentes, os serviços de montagem de PCB podem ajudar a conectar as etapas de fabricação e montagem em um processo de manufatura coordenado.

Isso se torna particularmente valioso para placas de processador de alta densidade, onde as especificações de fabricação da placa de circuito impresso e os parâmetros de montagem não podem ser considerados independentemente.

Substrato ABF: Principais conclusões

A tecnologia de substrato ABF ocupa uma posição importante entre a embalagem de semicondutores e a fabricação de PCBs em nível de sistema.

Os pontos mais importantes são:

• ABF significa Ajinomoto Build-up Film (Filme de Preparação da Ajinomoto), uma tecnologia dielétrica orgânica amplamente utilizada em substratos de embalagens avançadas.
• An O substrato do encapsulamento ABF não é simplesmente uma placa de circuito impresso convencional feita de um laminado diferente..
• Sua principal finalidade é fornecer uma interconexão elétrica de alta densidade entre um encapsulamento semicondutor e o sistema externo.
• Camadas de sobreposição, microvias a laser, roteamento fino de cobre e registro preciso são fundamentais para a tecnologia.
• Os substratos ABF estão fortemente associados a aplicações de semicondutores com alta taxa de entrada/saída, como processadores, aceleradores, ASICs e dispositivos de rede avançados.
• O substrato da embalagem e a placa de circuito impresso do sistema devem ser considerados em conjunto para garantir integridade do sinal, fornecimento de energia, comportamento térmico e confiabilidade.
• Tecnologias de PCB de alta densidade, como HDI, tornam-se especialmente importantes na interface entre o encapsulamento e a placa.
• A viabilidade de fabricação deve ser analisada logo no início, pois geometrias complexas e tolerâncias rigorosas podem afetar significativamente o rendimento e o custo.
• O produto final depende não apenas da qualidade do substrato, mas também da fabricação, montagem, inspeção e testes da placa de circuito impresso (PCB).

Perguntas frequentes sobre substratos ABF