Substrat ABF: Materiale, Proces de Fabricație, Aplicații și Integrare PCB

Pentru inginerii care evaluează aplicații avansate de calcul, rețele, inteligență artificială, acceleratoare, procesoare sau alte aplicații cu I/O ridicat, înțelegerea relației dintre materialele dielectrice ABF, substraturile IC, interconexiunile pachetelor, structurile HDI și PCB-urile la nivel de sistem este esențială.

Ce este un substrat ABF?

ABF este prescurtarea de la Ajinomoto Build-up Film , o tehnologie de peliculă dielectrică dezvoltată pentru aplicații de ambalare a semiconductorilor de înaltă densitate.

Un substrat ABF constă, în general, dintr-o structură centrală combinată cu mai multe straturi de dielectric și interconectare din cupru. În aceste straturi de construcție se formează urme fine de cupru și microviauri pentru a crea rutarea densă necesară între pachetul semiconductorului și PCB-ul extern.

Această construcție este fundamental diferită de un PCB multistrat convențional.

Un PCB tradițional este de obicei optimizat în funcție de robustețea mecanică, fabricabilitatea, performanța electrică, cerințele termice și costul la nivel de placă de sistem. Prin comparație, un substrat de tip capsula ABF trebuie să găzduiască interconexiuni extrem de dense imediat adiacente unui dispozitiv semiconductor.

Prin urmare, substratul acționează ca o punte electrică și mecanică între două medii foarte diferite:

Acest rol intermediar este motivul pentru care tehnologia ABF este strâns legată de tehnologia substraturilor IC, mai degrabă decât de fabricarea obișnuită a PCB-urilor.

De ce este utilizat ABF pentru ambalarea avansată a circuitelor integrate?

Principalul motiv pentru care ABF este important este că pachetele avansate de semiconductori necesită densități de interconectare pe care tehnologiile convenționale PCB nu le pot oferi eficient.

Procesoarele moderne, GPU-urile, acceleratoarele AI, dispozitivele de rețea și alte pachete de semiconductori cu I/O ridicat pot conține un număr foarte mare de conexiuni electrice într-o zonă relativ mică a pachetului.

Prin urmare, substratul ambalajului trebuie să ofere:

• Rutare fină a cuprului
• Densitate mare de interconectare
• Mai multe straturi de construcție
• Microvii formate cu laser
• Grosime dielectrică controlată
• Proprietăți electrice stabile
• Interfețe fiabile cupru-dielectric
• Comportament dimensional controlat
• Compatibilitate cu procesele de ambalare a semiconductorilor

Structurile de acumulare ABF permit creșterea densității de rutare atât pe verticală, cât și pe orizontală.

În loc să încerce să direcționeze fiecare conexiune printr-o structură convențională groasă de PCB, inginerii pot construi straturi suplimentare de dielectric și cupru în jurul unui substrat central și pot utiliza microvia-uri pentru a conecta straturile adiacente.

Această abordare permite o densitate de rutare mult mai mare într-o amprentă limitată a pachetului.

Rezultatul este deosebit de valoros pentru dispozitivele semiconductoare unde densitatea I/O a pachetelor a devenit una dintre principalele limitări ale arhitecturii generale a sistemului.

Substrat ABF vs. PCB convențional

Este important să nu se utilizeze termenii ABF PCB și substrat de pachet ABF în mod interschimbabil.

Deși ambele utilizează conductori de cupru și materiale dielectrice, obiectivele lor de proiectare și cerințele de fabricație sunt diferite.

Un PCB convențional poate conecta un procesor, memorie, circuite de alimentare, conectori și alte componente pe o placă relativ mare.

Un substrat de încapsulare ABF îndeplinește o funcție diferită: asigură interconectarea extrem de densă imediat sub sau în jurul încapsularii semiconductorului.

Această distincție explică și de ce tehnologiile apar adesea împreună în sistemele electronice avansate.

Cum funcționează structurile de construcție ABF

O structură simplificată a substratului ABF poate fi înțeleasă ca o secvență de straturi dielectrice și de cupru construite în jurul unui miez.

Conceptul de fabricație implică, în general, mai multe etape majore:

Fluxul exact al procesului variază în funcție de arhitectura substratului, capacitatea producătorului, regulile de proiectare și cerințele ambalajului.

Acumulare dielectrică

Pelicula ABF asigură stratul izolator dintre structurile conductive de cupru.

Dielectricul trebuie să ofere caracteristicile electrice necesare, permițând în același timp fabricarea cu caracteristici fine și interconectarea fiabilă.

Grosimea și proprietățile fiecărui strat dielectric influențează geometria rutării, formarea via, comportamentul impedanței, capacitatea și caracteristicile mecanice.

Microvii laser

Una dintre caracteristicile definitorii ale substraturilor avansate de construire este utilizarea microviilor formate cu laser.

Spre deosebire de găurile străpunse convenționale mari, microviile pot conecta straturile de acumulare adiacente ocupând în același timp o suprafață substanțial mai mică.

Acest lucru permite canalelor de rutare să treacă prin regiuni dens populate ale pachetelor.

Prin urmare, geometria microviilor, dimensiunile plăcuței de aterizare, calitatea cuprării și precizia alinierii sunt esențiale pentru randamentul substratului.

Pentru tehnologia PCB conexă, ghidul nostru despre structurile PCB de interconectare de înaltă densitate oferă informații utile despre modul în care interconexiunile verticale miniaturale cresc densitatea de rutare.

Metalizarea cuprului

După formarea dielectricului și găurirea cu laser, trebuie create structuri conductive de cupru.

În funcție de procesul de fabricație, formarea stratului de însămânțare, cuprajul electrolitic, galvanizarea și procesele de modelare pot fi combinate pentru a produce geometria conductivă necesară.

La dimensiuni avansate ale substratului, controlul procesului devine din ce în ce mai important deoarece variațiile relativ mici ale grosimii cuprului, lățimii liniei, spațierii sau înregistrării pot afecta performanța electrică și de fabricație.

Provocările de fabricare a substratului ABF

Fabricarea substraturilor ABF este considerabil mai solicitantă decât fabricarea convențională a PCB-urilor multistrat.

Dificultatea nu este cauzată de un singur proces. Ea rezultă din interacțiunea unor geometrii extrem de fine, a mai multor cicluri de construire, a comportamentului materialului, a procesării cuprului, a găuririi cu laser, a înregistrării, a inspecției și a managementului randamentului.

Modelare cu linii fine

Pe măsură ce lățimile și spațiile dintre linii scad, micile variații devin proporțional mai semnificative.

O variație a procesului care ar fi nesemnificativă pe un PCB convențional poate deveni inacceptabilă atunci când geometria conductorului este măsurată la o scară mult mai mică.

Prin urmare, producătorii au nevoie de procese strict controlate de imagistică, placare, gravare, înregistrare și inspecție.

Înregistrare strat la strat

Fiecare strat suplimentar de construire introduce o altă cerință de aliniere.

Microvia trebuie să aterizeze corect pe elementul de cupru subiacent, în timp ce modelul de rutare superior trebuie să se alinieze și cu structura înconjurătoare.

Prin urmare, erorile de înregistrare se pot acumula pe parcursul secvenței de fabricație.

Prin fiabilitate

Microviile trebuie să mențină conexiuni electrice și mecanice fiabile pe parcursul procesării și funcționării ulterioare.

Formarea deficitară a via-urilor, depunerea inadecvată de cupru, golurile, fisurile sau stresul excesiv pot contribui la probleme de fiabilitate.

Prin urmare, relația dintre găurirea cu laser, desmearing, formarea semințelor, placare și ciclurile termice ulterioare trebuie controlată cu atenție.

Stabilitate materială și dimensională

Substraturile de ambalare sunt supuse unor solicitări termice și mecanice în timpul fabricării, asamblării și funcționării.

Diferențele în coeficientul de dilatare termică, comportamentul la umiditate, proprietățile dielectrice, distribuția cuprului și construcția straturilor pot afecta stabilitatea dimensională și fiabilitatea pachetului.

Din acest motiv, selecția materialelor nu poate fi separată de structura completă a substratului.

Substrat ABF și tehnologie HDI

Substraturile ABF și PCB-urile HDI au în comun câteva concepte importante de fabricație, dar nu ar trebui tratate ca tehnologii identice.

Ambele pot folosi:

• Construirea straturilor dielectrice
• Foraj cu laser
• Microvia
• Cupru cu linie fină
• Prelucrare secvențială
• Rutare de înaltă densitate

Cu toate acestea, un substrat de încapsulare ABF funcționează la nivelul încapsularii semiconductoare, unde densitatea de interconectare și cerințele dimensionale pot fi substanțial mai exigente.

Tehnologia HDI rămâne extrem de relevantă pe partea plăcii de bază.

De exemplu, un sistem de calcul de înaltă performanță poate conține:

Prin urmare, substratul pachetului și placa de circuit imprimat a sistemului trebuie să funcționeze împreună din punct de vedere electric și mecanic.

Acesta este unul dintre motivele pentru care producătorii avansați de PCB au nevoie din ce în ce mai mult de expertiză în structuri de înaltă densitate, mai degrabă decât doar în fabricarea convențională multistrat.

Construcția secvențială este deosebit de importantă atunci când se proiectează structuri HDI complexe. Inginerii pot afla mai multe despre această abordare în articolul nostru despre proiectarea suprapunerii PCB-urilor HDI.

Performanța electrică a substraturilor ABF

Selecția substratului ABF nu se referă doar la densitatea fizică a rutării.

Performanța electrică devine din ce în ce mai importantă, deoarece interfețele pachetelor suportă rate de date mai mari și un număr mai mare de semnale.

Proprietățile dielectrice

Constanta dielectrică și caracteristicile de disipație ale sistemului dielectric influențează propagarea semnalului, capacitatea, impedanța și pierderea.

Proprietățile relevante trebuie evaluate împreună cu structura reală a ambalajului, mai degrabă decât tratate ca numere de material izolate.

Integritatea semnalului

Interconexiunile scurte nu elimină automat problemele de integritate a semnalului.

La rate de transfer de date mari, traseele pachetelor, via-urile, tranzițiile, planurile de referință și conexiunile PCB pot contribui la:

• Pierdere de inserție
• Reveni pierderea
• Crosstalk
• Reflecții
• oblic
• Discontinuități de impedanță

Prin urmare, substratul pachetului formează o parte a canalului complet de mare viteză.

Odată ce semnalul părăsește substratul pachetului și intră în PCB-ul sistemului, stivuirea PCB-ului și sistemul de materiale trebuie să continue să suporte cerințele electrice.

Pentru aplicații la nivel de sistem, inginerii pot consulta resursele noastre despre fabricarea de PCB-uri de mare viteză și materialele pentru PCB-uri de mare viteză.

Integritatea puterii

Procesoarele și acceleratoarele avansate pot crea, de asemenea, cerințe exigente de furnizare a energiei.

Substratul pachetului trebuie să permită conexiuni dense de alimentare și împământare, menținând în același timp performanțe electrice și termice acceptabile.

Acest lucru devine deosebit de important în sistemele de calcul de înaltă performanță, unde densitatea puterii procesorului, interfețele de mare viteză, lățimea de bandă a memoriei și designul termic sunt strâns interconectate.

Aplicații ale substratului ABF

Substraturile ABF sunt asociate în principal cu ambalarea avansată a semiconductorilor, unde este necesară o densitate mare de interconectare.

CPU-uri și GPU-uri

Procesoarele de înaltă performanță necesită un număr mare de conexiuni la pachet și o rutare densă a substratului.

Substraturile de încapsulare bazate pe ABF pot oferi structura fină de interconectare necesară între încapsularea semiconductorului și sistemul extern.

Acceleratoare AI

Hardware-ul de calcul bazat pe inteligență artificială impune cerințe substanțiale asupra I/O-urilor procesorului, interfețelor de memorie, furnizării de energie și comunicării de mare viteză.

Pe măsură ce arhitecturile acceleratoarelor devin mai complexe, densitatea interconectărilor la nivel de pachet devine din ce în ce mai importantă.

PCB-ul extern trebuie apoi să ofere infrastructura electrică, mecanică, termică și energetică adecvată în jurul pachetului.

Hardware pentru rețele și centre de date

Dispozitivele de comutare și rețea de mare viteză pot necesita interconexiuni dense în pachete, împreună cu rutare dificilă pe placa de sistem.

Substratul capsularului și PCB-ul trebuie să funcționeze împreună pentru a păstra integritatea semnalului pe întregul canal.

ASIC și dispozitive de calcul personalizate

Circuitele integrate specifice aplicației pot avea cerințe de pachet extrem de personalizate.

Arhitectura substratului poate necesita adaptarea la aranjamente specifice de I/O, domenii de alimentare, interfețe de mare viteză și constrângeri mecanice.

Arhitecturi bazate pe chiplet-uri

Arhitecturile chiplet impun cerințe suplimentare privind interconectarea capsulatelor, deoarece mai multe matrițe semiconductoare pot comunica printr-o structură comună a capsulatei.

Pe măsură ce arhitecturile pachetelor evoluează, substratul devine o parte din ce în ce mai importantă a sistemului general de interconectare.

Substrat ABF și ambalare BGA

Tehnologia ABF este strâns legată de structuri avansate de pachete, inclusiv pachete de tip BGA cu I/O ridicat.

Substratul capsular distribuie semnale de la placa semiconductoare către terminalele externe ale capsularului, care se pot conecta apoi la PCB-ul sistemului.

Aceasta creează mai multe niveluri de interconectare:

Tranziția între aceste niveluri trebuie proiectată cu atenție.

Pentru inginerii care lucrează cu partea la nivel de placă a acestei interfețe, înțelegerea substraturilor BGA și a structurilor pachetelor este utilă.

Odată ce pachetul BGA este plasat pe placa de sistem, geometria îmbinării de lipire, designul pad-urilor, profilul termic, amplasarea componentelor și inspecția devin, de asemenea, importante.

Proiectarea PCB-ului în jurul unui pachet bazat pe ABF

PCB-ul sistemului trebuie proiectat să completeze pachetul, mai degrabă decât să îl trateze ca pe o componentă izolată.

Fan-Out și Escape Routing

Pachetele cu I/O ridicat pot crea regiuni de rutare de evadare extrem de dense.

Proiectantul de PCB poate fi nevoit să combine rutarea BGA cu pas fin, structuri via-in-pad, microvia-uri, via-uri îngropate și alocări de straturi atent planificate.

Obiectivul nu este pur și simplu de a potrivi toate conexiunile pe placă. Arhitectura de rutare trebuie să mențină, de asemenea, fabricabilitatea și performanța electrică.

Selecție Stackup

Suprapunerea PCB-urilor afectează:

• Impedanța semnalului
• Continuitatea planului de referință
• Distributia puterii
• Crosstalk
• Comportament termic
• Prin arhitectură
• Complexitatea producției

Pentru procesoarele de mare viteză și plăcile de rețea, tranziția de la pachet la PCB ar trebui luată în considerare în timpul dezvoltării stackup-ului.

Livrarea energiei

Procesoarele și acceleratoarele mari pot necesita o livrare substanțială de curent prin regiuni de pachete relativ mici.

Prin urmare, PCB-ul necesită o structură adecvată a planului de alimentare, o distribuție a cuprului, un aranjament al firei de conectare, o strategie de decuplare și un design termic.

Toleranțe de fabricație

O interfață de pachet extrem de complexă poate face fabricarea PCB-urilor mai sensibilă la acumularea de toleranțe.

Dimensiunile pad-ului, înregistrarea măștii de lipire, plasarea via, grosimea cuprului, precizia găuririi și înregistrarea straturilor ar trebui verificate în raport cu capacitatea reală de fabricație.

O analiză robustă a proiectării PCB-urilor pentru fabricație poate identifica problemele de fabricabilitate înainte de începerea producției.

Substrat ABF vs. alte tehnologii de substrat IC

ABF nu este singurul material sau construcție utilizată pentru substraturile semiconductoare.

Diferite tipuri de ambalaje pot necesita tehnologii de substrat diferite.

Alegerea potrivită depinde de factori precum:

• Număr I/O
• Dimensiunea pachet
• Densitatea de rutare
• Viteza semnalului
• Cerințe termice
• Cost țintă
• Constrângeri mecanice
• Volumul producției
• Arhitectura pachetelor semiconductoare

ABF este asociat în special cu substraturi organice avansate de înaltă densitate, dar alte abordări ale substraturilor pot fi mai potrivite pentru diferite clase de ambalaje.

De aceea, selecția substratului ar trebui să înceapă cu arhitectura pachetului și cerințele electrice, mai degrabă decât să aleagă pur și simplu cel mai avansat material disponibil.

Considerații privind fiabilitatea substratului ABF

Fiabilitatea trebuie evaluată la nivelul întregului sistem de pachete și plăci.

Ciclism termic

Schimbările repetate de temperatură provoacă solicitări mecanice deoarece diferite materiale se dilată și se contractă la viteze diferite.

Prin urmare, substratul pachetului, pachetul semiconductorului, îmbinările de lipire și PCB-ul trebuie evaluate ca o structură combinată.

Umiditate

Materialele dielectrice organice pot interacționa cu umiditatea, ceea ce poate afecta comportamentul și fiabilitatea procesării.

Prin urmare, condițiile de manipulare și depozitare a umidității trebuie controlate în funcție de cerințele procesului de ambalare și ale materialului.

Fiabilitatea Microvia

Structurile Microvia trebuie să rămână fiabile din punct de vedere electric și mecanic pe parcursul fabricației și al ciclului termic operațional.

Calitatea cuprului, prin geometrie, placare, interfețe dielectrice și stres termic, toate contribuie la performanță.

Fiabilitate pachet-PCB

Chiar și atunci când substratul ABF în sine funcționează corect, ansamblul complet poate întâmpina defecțiuni la interfața dintre pachet și PCB.

Îmbinările de lipire BGA, deformarea PCB-ului, nepotrivirea termică, profilul de asamblare și încărcarea mecanică pot influența fiabilitatea pe teren.

Pentru aplicațiile BGA, inginerii pot consulta și informațiile noastre despre asamblarea PCB-urilor BGA și considerațiile aferente privind inspecția și îmbinările de lipire.

Cum se evaluează un proiect de substrat ABF

Atunci când se evaluează un proiect legat de ABF, este util să se separe cerințele în patru niveluri.

1. Cerințe privind ambalajele semiconductoarelor

• Dimensiunea matriței
• Număr I/O
• Dimensiunile pachetului
• Pas I/O
• Cerințe de alimentare
• Cerințe pentru interfața de mare viteză
• Arhitectura pachetului

2. Cerințe de substrat

• Construcția miezului
• Numărul de straturi de construcție
• Sistem dielectric
• Linie/spațiu minim
• Dimensiunile microviilor
• Dimensiunile padului
• Grosime cupru
• Finisaj
• Cerințe de înregistrare
• Cerințe de deformare

3. Cerințe PCB de sistem

• Număr de straturi PCB
• Stivuire
• Sistem material
• Impedanță controlată
• Strategia de evadare BGA
• Structura prin intermediul
• Greutate de cupru
• Cerințe termice
• Distributia puterii
• Finisaj

4. Cerințe de asamblare

• Specificațiile componentelor BGA
• Pastă de lipit
• Design șablon
• Profil de reflow
• Cerințe AOI
• Inspecția cu raze X
• Testarea electrică
• Cerințe de reluare
• Trasabilitatea

Separarea acestor patru niveluri facilitează identificarea originii unei probleme.

O problemă la nivel de pachet nu ar trebui tratată automat ca o problemă de fabricație a PCB-ului, iar o limitare de rutare la nivel de PCB nu ar trebui atribuită automat substratului ABF.

Substrat ABF în lanțul de fabricație a electronicelor avansate

Tehnologia ABF ilustrează modul în care ambalajele semiconductorilor și fabricarea PCB-urilor devin din ce în ce mai interconectate.

O platformă modernă de calcul de înaltă performanță poate implica mai multe tehnologii de fabricație:

Fiecare etapă are cerințe tehnice diferite, dar interfețele electrice și mecanice dintre ele trebuie să rămână compatibile.

Pentru producătorii de PCB-uri, aceasta înseamnă că înțelegerea ambalajelor semiconductoarelor este din ce în ce mai valoroasă, chiar și atunci când responsabilitatea reală a producției se concentrează pe placa la nivel de sistem.

PCB-ul nu mai este doar o platformă pasivă în jurul procesorului. Acesta face parte din arhitectura electrică, termică și mecanică completă.

De ce este important DFM pentru proiectele PCB legate de ABF

Pachetele bazate pe ABF pot crea interfețe PCB extrem de dense.

Încercarea de a rezolva aceste interfețe numai după finalizarea machetei PCB poate duce la reproiectări inutile.

În mod ideal, revizuirea DFM ar trebui să înceapă înainte de lansarea procesului de fabricație.

Obiectivul este de a menține designul electric prevăzut, asigurându-se în același timp că placa fizică poate fi fabricată în mod consecvent.

Acest lucru este deosebit de important atunci când un design combină pachete avansate cu structuri HDI, deoarece un design teoretic rutabil poate fi totuși impracticabil la scară de producție.

De la pachetul ABF la PCBA finit

Substratul ABF în sine este doar o parte a produsului complet.

Odată ce un pachet avansat este atașat la PCB-ul sistemului, procesul de fabricație continuă prin plasarea componentelor, lipire, inspecție, testare și, eventual, integrare la nivel de sistem. La nivel de PCB, asamblarea HDI la interfața sistem-placă rămâne o sarcină de fabricație separată de producerea substratului pachetului.

Prin urmare, un partener de producție capabil ar trebui să înțeleagă relația dintre PCB-ul simplu și ansamblul final.

Pentru proiectele care necesită atât fabricarea plăcilor, cât și asamblarea componentelor, serviciile de asamblare PCB pot ajuta la conectarea etapelor de fabricație și asamblare în cadrul unui proces de fabricație coordonat.

Acest lucru devine deosebit de valoros pentru plăcile de procesoare de mare densitate, unde specificațiile de fabricație ale PCB-urilor și parametrii de asamblare nu pot fi luați în considerare independent.

Substrat ABF: Concluzii cheie

Tehnologia substraturilor ABF ocupă o poziție importantă între ambalarea semiconductorilor și fabricarea PCB-urilor la nivel de sistem.

Cele mai importante puncte sunt:

• ABF înseamnă Ajinomoto Build-up Film, o tehnologie dielectrică organică utilizată pe scară largă în substraturile avansate pentru ambalaje.
• An Substratul pachetului ABF nu este pur și simplu un PCB convențional realizat dintr-un laminat diferit.
• Scopul său principal este de a asigura o interconectare electrică foarte densă între un pachet de semiconductori și sistemul extern.
• Straturile de acumulare, microviile laser, rutarea fină a cuprului și înregistrarea precisă sunt fundamentale pentru această tehnologie.
• Substraturile ABF sunt puternic asociate cu aplicații semiconductoare cu I/O ridicat, cum ar fi procesoare, acceleratoare, ASIC-uri și dispozitive de rețea avansate.
• Substratul pachetului și placa de circuit imprimat a sistemului trebuie luate în considerare împreună pentru integritatea semnalului, furnizarea de energie, comportamentul termic și fiabilitatea.
• Tehnologiile PCB de înaltă densitate, cum ar fi HDI, devin deosebit de importante la interfața pachet-placă.
• Fezabilitatea fabricației ar trebui revizuită din timp, deoarece geometriile fine și toleranțele strânse pot afecta semnificativ randamentul și costul.
• Produsul final depinde nu numai de calitatea substratului, ci și de fabricarea, asamblarea, inspecția și testarea PCB-ului.

Întrebări frecvente despre substraturile ABF