PCB com núcleo de vidro para embalagens avançadas

Uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro é um substrato de encapsulamento avançado que utiliza uma fina lâmina de vidro em vez do núcleo de resina orgânica encontrado nos substratos BGA flip-chip convencionais. A principal razão para o uso do vidro não é a novidade, mas sim o desempenho: o vidro oferece um coeficiente de expansão térmica muito mais próximo ao do silício, uma deformação muito menor em encapsulamentos de grandes dimensões e melhor estabilidade dimensional para interconexões de passo fino. Essas propriedades tornam os substratos com núcleo de vidro cada vez mais relevantes para aceleradores de IA, CPUs de alto desempenho, encapsulamentos de chiplets e outras montagens de semicondutores avançadas, onde os substratos orgânicos se aproximam de seus limites mecânicos e de roteamento. O conhecimento mais amplo sobre materiais e processos está contido na tecnologia de placas de circuito impresso com núcleo de vidro.

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O que é uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro?

Uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro é um substrato de encapsulamento no qual a camada central é feita de vidro, em vez de um laminado orgânico como resina BT ou FR-4 modificado. Em encapsulamentos de semicondutores avançados, esse núcleo atua como a estrutura rígida do substrato, definindo planicidade, estabilidade de espessura e geometria de interconexão vertical. Em vez de vias perfuradas convencionais, o núcleo de vidro utiliza vias passantes para rotear sinais e energia através da espessura do substrato.

O próprio vidro não é uma camada elétrica ativa. Sua função é estrutural e dimensional. Camadas de redistribuição de cobre e camadas dielétricas são formadas acima e abaixo do núcleo de vidro, enquanto o vidro fornece a base estável necessária para a fixação de chips de passo fino e a construção de encapsulamentos de grande formato. Na prática, uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro não é o mesmo que uma placa de circuito impresso rígida de vidro padrão usada em eletrônica geral; ela é especificamente voltada para aplicações avançadas de substratos de encapsulamento de circuitos integrados, onde a compatibilidade com silício e o controle de empenamento são críticos.

É por isso que as placas de circuito impresso com núcleo de vidro são cada vez mais discutidas em conjunto com as embalagens de processadores de próxima geração. À medida que os tamanhos das embalagens aumentam e o espaçamento entre os contatos diminui, o material do núcleo torna-se um fator limitante, e o vidro oferece um limite de desempenho diferente da tecnologia de substrato orgânico.

Por que as placas de circuito impresso com núcleo de vidro estão substituindo os substratos de encapsulamento orgânico?

Substratos orgânicos têm sido utilizados em embalagens de semicondutores por décadas, mas as embalagens avançadas de IA e HPC estão agora ultrapassando os limites de confiabilidade do comportamento dos núcleos orgânicos. A questão mais importante é a incompatibilidade térmica e mecânica. Os núcleos dos substratos orgânicos normalmente têm um coeficiente de expansão térmica muito superior ao do silício, o que cria tensão na interface entre o chip e o substrato durante a refusão e os ciclos térmicos. À medida que o espaçamento entre os contatos diminui, essa tensão torna-se mais difícil de absorver sem causar fadiga da solda e problemas de confiabilidade da junta.

A placa de circuito impresso com núcleo de vidro resolve esse problema aproximando o coeficiente de expansão térmica (CTE) do substrato ao do silício. Isso reduz o deslocamento relativo durante as mudanças de temperatura e ajuda a manter a confiabilidade das juntas de solda em grandes áreas de contato do chip. A segunda grande vantagem é o controle da deformação. Grandes substratos orgânicos tendem a se curvar durante a montagem devido à expansão térmica assimétrica ao longo da estrutura. Em tamanhos de encapsulamento avançados, essa deformação pode criar juntas abertas ou fixação inconsistente dos bumps. O vidro possui uma estabilidade dimensional muito melhor, permitindo painéis mais planos e uma formação de interconexões mais uniforme.

Um terceiro fator é a densidade de interconexões. Os núcleos orgânicos dependem de estruturas de vias perfuradas mecanicamente com dimensões mínimas maiores, enquanto os núcleos de vidro podem suportar uma formação de interconexões verticais muito mais finas. Para a integração moderna de chiplets, onde a densidade de roteamento e o tamanho do encapsulamento aumentam simultaneamente, essa combinação de menor empenamento, melhor correspondência do coeficiente de expansão térmica (CTE) e capacidade de vias mais finas é o principal motivo pelo qual as placas de circuito impresso com núcleo de vidro estão sendo adotadas comercialmente.

PCB com núcleo de vidro vs. núcleo orgânico vs. interconector de vidro

As placas de circuito impresso com núcleo de vidro situam-se entre os substratos de encapsulamento orgânico e as soluções de interconexão de silício ou vidro no panorama de custo-benefício. Comparado com um substrato de núcleo orgânico, o vidro oferece menor deformação, menor absorção de umidade, melhor estabilidade dimensional e uma correspondência térmica muito mais próxima à do silício. Comparado com uma interconexão de silício, os substratos com núcleo de vidro podem suportar a fabricação em escala de painel em larga escala e um custo geral menor, permitindo ainda uma fiação e densidade de vias muito mais finas do que os materiais orgânicos.

A principal distinção entre uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro e um interposer de vidro reside na sua posição funcional dentro do encapsulamento. Um substrato com núcleo de vidro é o próprio substrato do encapsulamento, incluindo as camadas de construção e a interface de conexão em nível de placa. Um interposer de vidro é um elemento passivo de redistribuição posicionado entre os chips e o substrato para roteamento de ultra-alta densidade. Se o seu foco for a arquitetura do interposer em vez da construção do substrato, a função da placa de circuito impresso com interposer de vidro será diferente.

Estrutura e projeto de montagem de PCBs com núcleo de vidro

Uma placa de circuito impresso (PCB) típica com núcleo de vidro é construída em torno de uma fina lâmina de vidro, geralmente com espessura entre 0.1 mm e 0.3 mm, com vias passantes formadas através do núcleo e preenchidas com cobre para interconexão vertical. Em ambos os lados do vidro, são adicionadas camadas dielétricas e de redistribuição de cobre para criar a estrutura de roteamento do encapsulamento. A face superior normalmente suporta a fixação de chips de passo fino, enquanto a face inferior fornece a interface de interconexão em nível de encapsulamento ou de esferas de solda.

A regra mais importante para a montagem de camadas é a simetria. O vidro em si é dimensionalmente estável, mas o substrato completo ainda pode sofrer deformações se as camadas superior e inferior não estiverem balanceadas. A densidade de cobre, a espessura do dielétrico e o número de camadas devem ser rigorosamente correspondentes em ambos os lados para que a tensão térmica permaneça equilibrada durante o refluxo e a cura do underfill. Por esse motivo, o projeto de um substrato com núcleo de vidro não se resume apenas à escolha do vidro como material; trata-se também de controlar toda a arquitetura de construção ao redor desse núcleo.

A seleção do material também é importante. O vidro borossilicato é geralmente preferido por oferecer uma combinação favorável de estabilidade térmica, propriedades mecânicas e compatibilidade de processo. As diferenças entre os materiais de substrato de PCB de vidro disponíveis são relevantes na escolha do núcleo para o desenvolvimento da embalagem.

Considerações de projeto sobre TGV e deformação

O projeto de vias através do vidro (TGV) é um dos principais tópicos de engenharia no desenvolvimento de PCBs com núcleo de vidro. O diâmetro, o espaçamento, a relação de aspecto, a qualidade do preenchimento de cobre, o tamanho da área de captura e a área de exclusão da borda da TGV afetam diretamente a fabricação e a confiabilidade. Comparadas ao projeto de vias em PCBs padrão, as estruturas de TGV exigem um controle mais rigoroso, pois o material circundante é vidro quebradiço, em vez de um laminado orgânico. O posicionamento da via muito próximo à borda do substrato ou a concentração excessiva de tensão local podem criar sensibilidade a trincas durante o processamento ou a separação dos componentes.

Por essa razão, o projeto de TGV está intimamente ligado ao gerenciamento de empenamento e tensão. Embora o vidro reduza drasticamente a deformação no nível do núcleo em comparação com materiais orgânicos, o substrato final ainda sofre tensão devido ao desequilíbrio de cobre, à fixação do chip, à cura do underfill e aos ciclos térmicos. Um bom projeto de PCB com núcleo de vidro, portanto, combina um layout de TGV preciso com distribuição equilibrada de cobre, camadas de construção compatíveis e modelagem mecânica em nível de encapsulamento.

Em termos práticos, o objetivo do projeto não é apenas tornar um furo condutor. É tornar toda a estrutura do núcleo e da camada de reforço suficientemente estável para a ligação flip-chip de passo fino em toda a área do encapsulamento. Os detalhes do processo de formação do furo através do vidro afetam diretamente esse resultado.

Perguntas frequentes sobre aplicações e placas de circuito impresso com núcleo de vidro

A tecnologia de PCBs com núcleo de vidro está sendo adotada em aplicações onde os substratos convencionais não oferecem mais planicidade, correspondência térmica ou densidade de roteamento suficientes. A maior demanda vem de aceleradores de IA, CPUs de alto desempenho e arquiteturas de encapsulamento baseadas em chiplets com dimensões grandes e espaçamento entre interconexões muito pequeno. Esses encapsulamentos necessitam de um substrato que permaneça plano durante a montagem, ao mesmo tempo que suporte alta densidade de E/S e fixação confiável dos chips. O núcleo de vidro também tem relevância crescente em encapsulamentos de alta frequência e RF, onde a estabilidade dielétrica e a precisão dimensional são cruciais em frequências operacionais avançadas. Nesses casos, o comportamento elétrico das estruturas de PCBs de vidro de alta frequência passa a fazer parte da discussão sobre o projeto do encapsulamento.

Qual é a principal vantagem de uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro?

A principal vantagem é a combinação de baixa deformação e compatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) com o silício. Isso torna os substratos com núcleo de vidro mais adequados do que os núcleos orgânicos para encapsulamentos semicondutores grandes e de passo fino.

Uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro é a mesma coisa que um interposer de vidro?

Não. Uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro é o próprio substrato da embalagem, enquanto um interposer é uma camada de redistribuição separada, posicionada entre os chips e o substrato.

Por que as placas de circuito impresso com núcleo de vidro são importantes para encapsulamento de IA e chiplets?

Isso ocorre porque esses encapsulamentos combinam um substrato de grande tamanho, um alto número de entradas/saídas e um espaçamento fino entre os contatos. Os materiais orgânicos têm dificuldade em manter a planicidade e a confiabilidade nessas condições, enquanto o vidro apresenta melhor desempenho.

Será que as placas de circuito impresso com núcleo de vidro substituem os interpositores de silício?

Não em todos os projetos. O núcleo de vidro geralmente ocupa uma posição intermediária entre substratos orgânicos de baixo custo e soluções de interconexão de alto desempenho.

A tecnologia PCB com núcleo de vidro já está em produção?

Está passando da fase de desenvolvimento para a fase inicial de produção para programas de embalagens avançadas, especialmente onde são necessários substratos de grande tamanho e alta densidade de interconexões. Os requisitos do projeto podem ser enviados diretamente pela página de orçamento.