PCB Interposer de Vidro vs Interposer de Silício

Um interposer de vidro é um substrato passivo de redistribuição colocado entre os chips semicondutores e o substrato da embalagem abaixo deles. Sua principal função é redistribuir as conexões de passo fino dos chips em um formato de roteamento que a próxima camada de embalagem possa processar, além de transportar sinais entre os chips, alimentação e terra em uma área compacta. Na prática, os interposers de vidro estão atraindo atenção por oferecerem uma posição intermediária entre os interposers de silício e os interposers orgânicos: roteamento mais preciso e melhor estabilidade dimensional do que os materiais orgânicos, mas com potencial de custo menor e fabricação em formatos de painel maiores do que o silício limitado por wafer. Para um contexto mais amplo sobre materiais e plataformas, consulte a visão geral de PCBs de vidro.

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O que é um interpositor de vidro e qual a sua função?

Em embalagens de semicondutores avançadas, um interposer é uma camada de redistribuição posicionada entre os chips acima e o substrato da embalagem abaixo. Um interposer de vidro utiliza vidro como substrato base e combina três funções essenciais: redistribuição horizontal de sinal através de fios finos na superfície, transferência vertical através da espessura do substrato e translação do espaçamento entre as pequenas saliências dos chips e a estrutura de interconexão mais grosseira abaixo.

Isso significa que um interposer de vidro não é a mesma coisa que um substrato de encapsulamento completo. Ele não substitui toda a parte inferior do encapsulamento. Em vez disso, ele fica entre os chips e o substrato do encapsulamento, ajudando a rotear sinais densos em um espaço onde a fiação comum do encapsulamento se torna muito grosseira. O substrato do encapsulamento abaixo ainda lida com a distribuição mais ampla e a conexão em nível de placa, enquanto o interposer gerencia o problema de interconexão local densa diretamente sob e entre os chips.

Uma estrutura típica de interconexão de vidro inclui um núcleo fino de vidro, vias através do vidro para conexão vertical e camadas de redistribuição em um ou ambos os lados. Como o próprio vidro é isolante elétrico e dimensionalmente estável, ele oferece uma boa plataforma para fiação fina, translação de passo e estruturas de co-embalagem que seriam difíceis de realizar em materiais orgânicos padrão.

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Interposer de vidro vs Interposer de silício vs Interposer orgânico

A importância da tecnologia de interconexão de vidro reside no fato de ela ocupar uma posição intermediária muito vantajosa. Os interconexões de silício oferecem a melhor densidade de roteamento, mas são caros e limitados pela fabricação em escala de wafer. Os interconexões orgânicos têm custo menor e são mais fáceis de escalar, porém sua densidade de roteamento e estabilidade dimensional são mais limitadas. Os interconexões de vidro preenchem essa lacuna para encapsulamentos que necessitam de maior densidade do que os orgânicos podem oferecer com folga, mas sem o custo e a complexidade totais do silício.

Do ponto de vista da decisão de encapsulamento, o interposer de silício geralmente é selecionado quando o projeto exige a densidade de redistribuição mais fina possível. O interposer orgânico é preferido quando o custo é o fator determinante e a exigência de densidade de roteamento permanece moderada. O interposer de vidro torna-se atraente quando o encapsulamento precisa de melhor estabilidade dimensional, roteamento mais preciso ou funcionalidade óptica, sem chegar ao custo elevado do interposer de silício.

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Projeto de interconexão de vidro: TGV, RDL, empilhamento e controle de empenamento

O projeto do interposer de vidro é a parte mais importante do tópico, pois o valor do interposer é determinado menos pelo nome do material e mais pela forma como a estrutura é projetada. Em projetos reais, um interposer de vidro não é avaliado apenas pelo fato de usar vidro. Ele é avaliado pela capacidade de sua interconexão através do substrato, camadas de redistribuição, simetria da pilha e interação com o encapsulamento suportarem o tamanho do chip, o espaçamento entre os bumps, a quantidade de sinais e o processo de montagem desejados.

1. Espessura e função do núcleo de vidro

O núcleo de vidro geralmente é mantido fino porque o interposer é uma estrutura de redistribuição, e não uma placa mecânica de grandes dimensões. O vidro precisa ser suficientemente espesso para manter a estabilidade dimensional durante o processamento e a montagem, mas suficientemente fino para suportar a geometria dos furos de passagem e o perfil da embalagem. Nesse papel, o vidro se comporta de maneira diferente de uma plataforma de substrato completo, como uma placa de circuito impresso com núcleo de vidro , onde o vidro forma a estrutura central de sustentação do próprio substrato da embalagem.

2. Vias através do vidro como espinha dorsal vertical

As vias através do vidro são cruciais porque conectam o lado de roteamento voltado para o chip ao lado voltado para o encapsulamento. Em interposers de vidro, essas vias geralmente apresentam espaçamento mais estreito, dimensões menores e requisitos de preenchimento mais rigorosos do que em circuitos de vidro mais comuns. O preenchimento sólido é geralmente preferido porque o interposer precisa suportar redistribuição densa e desempenho vertical estável, em vez de apenas transições ocasionais de cima para baixo. A lógica detalhada do processo por trás dessa interconexão vertical está intimamente relacionada à fabricação de vias através do vidro.

3. Projeto da camada de redistribuição

A camada de redistribuição, ou RDL, é onde o interposer realiza sua função de translação de passo. Na parte superior, a RDL recebe as conexões de passo fino dos chips. Na parte inferior, ela encaminha esses sinais em direção ao substrato da embalagem. Quando vários chips compartilham um mesmo interposer, a mesma rede RDL também roteia as conexões entre os chips lateralmente pela superfície. Isso significa que a estratégia de roteamento deve considerar a fuga de sinal, o comprimento do caminho, a estrutura de referência, a densidade local e como o interposer interage com o substrato orgânico subjacente.

Na prática, o projeto RDL do interposer não se resume a um "roteamento de PCB mais preciso". Ele se assemelha mais à redistribuição de encapsulamento, onde a densidade local, a simetria e a interação entre camadas estão intimamente ligadas ao comportamento de montagem e empenamento. Um layout que parece eletricamente eficiente ainda pode ser estruturalmente deficiente se criar desequilíbrio de cobre ou concentrações de tensão sem suporte na pilha do interposer.

4. Simetria de empilhamento e gerenciamento de empenamento

A deformação é um dos principais riscos de engenharia no projeto de interpositores de vidro, pois o espaçamento reduzido entre os contatos deixa pouca margem para distorções na montagem. Se a estrutura de redistribuição não estiver balanceada, o resfriamento devido à temperatura de montagem pode criar curvatura suficiente para causar abertura dos contatos, contato irregular ou perda de rendimento. Os fatores mais comuns que contribuem para isso são o desequilíbrio de cobre entre os dois lados, acúmulo dielétrico incompatível, comportamento de preenchimento insuficiente e interação com o substrato da embalagem abaixo.

Por essa razão, as camadas interpostas geralmente são projetadas com a simetria em mente. As estruturas de redistribuição superior e inferior precisam ser consideradas em conjunto, e não independentemente. O equilíbrio da densidade de cobre, a quantidade de camadas e a ordem do processo influenciam a planicidade final da camada interposta. Essa é uma das principais razões pelas quais o vidro é atraente: seu menor coeficiente de expansão térmica (CTE) e boa estabilidade dimensional ajudam a controlar a deformação da embalagem melhor do que as alternativas orgânicas em ambientes de alta densidade.

5. Planejamento de sinal, energia e térmico

Embora o interposer seja passivo, ele ainda precisa desempenhar três funções diferentes no sistema: redistribuição de sinal, distribuição de energia e interação térmica com o restante do encapsulamento. Essas funções nem sempre direcionam o projeto para o mesmo objetivo. O roteamento lateral denso de sinais pode competir com a necessidade de caminhos de alimentação ou continuidade de aterramento. Da mesma forma, o layout dos bumps e o posicionamento do chip podem criar zonas de concentração térmica localizadas. Portanto, um bom projeto de interposer requer coordenação entre os objetivos elétricos, mecânicos e de encapsulamento, em vez de otimizar apenas um deles.

Por isso, um interposer de vidro deve ser tratado como um problema de projeto de encapsulamento, e não apenas como um problema de roteamento preciso. O padrão de vias correto, a pilha RDL e o arranjo de construção são determinados por toda a arquitetura do encapsulamento, incluindo a quantidade de chips, o espaçamento entre eles, o substrato subjacente e o método de montagem.

Onde os interconexões de vidro são usados ​​em sistemas ópticos 2.5D, 3D e co-embalados.

Os interpositores de vidro são mais frequentemente discutidos no contexto de embalagens avançadas, mas os tipos de aplicação não são todos iguais. O interpositor pode desempenhar funções muito diferentes, dependendo se a embalagem é 2.5D, 3D ou fotônica-eletrônica.

Embalagem de chiplets 2.5D

Em encapsulamentos 2.5D, vários chips ficam lado a lado no interposer, e o interposer gerencia o roteamento lateral denso entre eles. Este é um dos casos de uso mais claros para a tecnologia de interposer de vidro, pois exige redistribuição precisa, geometria estável e área de substrato escalável.

estruturas de suporte de embalagens 3D

Em configurações 3D, o interposer pode servir como camada base de redistribuição, suportando uma pilha mais integrada verticalmente. A importância aqui reside não apenas na densidade de roteamento, mas também na estabilidade mecânica e na confiabilidade das interconexões verticais dentro de um encapsulamento mais compacto.

Co-embalagem fotônica-eletrônica

Uma das vantagens mais marcantes da tecnologia de interconexão de vidro é sua transparência óptica. Essa propriedade abre um espaço de design que nem os interconexões de silício nem os substratos orgânicos conseguem suportar da mesma forma. Em sistemas fotônicos-eletrônicos co-empacotados, as funções ópticas e elétricas podem ser integradas na mesma plataforma de substrato, possibilitando arquiteturas mais compactas e eficientes para aplicações de comunicação e sensoriamento de alta largura de banda.

Esses casos de uso também mostram por que os interpositores de vidro não podem ser avaliados apenas por meio de simples comparações de custo. Em algumas soluções de encapsulamento, o vidro pode ser escolhido por ser menos caro que o silício. Em outros casos, ele é selecionado por suas capacidades únicas, como acesso óptico, formatos de substrato maiores ou características de material diferentes. Nessas situações, o vidro funciona não apenas como uma alternativa de menor custo, mas como um substrato que possibilita opções de design indisponíveis com outros materiais.

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Perguntas frequentes e planejamento de projetos do Glass Interposer

Qual a diferença entre um interpositor de vidro e um substrato com núcleo de vidro?

Um interposer de vidro é uma camada passiva de redistribuição inserida entre os chips e o substrato da embalagem. Um substrato de núcleo de vidro é a estrutura completa do substrato da embalagem que fica abaixo do chip ou do interposer e que, em última instância, se conecta à interface da embalagem na placa.

Quando um interpositor de vidro é melhor que um interpositor de silício?

O interposer de vidro costuma ser mais atraente quando a embalagem exige uma redistribuição mais precisa do que a oferecida pelos materiais orgânicos, mas não requer a densidade máxima disponível em interposers de silício. Ele também se torna mais interessante quando a economia em escala de painel ou a funcionalidade óptica são fatores importantes.

Que informações são necessárias para iniciar um projeto de interconexão de vidro?

Normalmente, o projeto começa com o tamanho do chip, a quantidade de chips, o mapa de relevo, a área de contato desejada, a quantidade de sinais, a taxa de dados, os requisitos de energia e a estrutura do encapsulamento abaixo do interposer. Essas informações determinam a densidade de roteamento do interposer, a estratégia de vias e a direção de empilhamento.

É possível montar interconexões de vidro usando métodos flip-chip padrão?

Elas podem ser integradas em fluxos de montagem avançados padrão, mas a abordagem de ferramentas e suporte deve refletir o comportamento frágil do substrato de vidro. O planejamento da montagem geralmente é revisado juntamente com o caminho mais amplo do processo de encapsulamento descrito na fabricação de PCBs de vidro.

Como deve ser apresentado o orçamento de um projeto?

Uma cotação útil geralmente começa com a arquitetura do encapsulamento, em vez de apenas uma solicitação de dimensões básicas. Se você já possui informações sobre o chip, mapa de relevo, área de contato desejada ou restrições de interconexão, envie-as pela página de cotação para que o interposer de vidro possa ser avaliado em relação aos requisitos reais do encapsulamento.