Подложка ABF: материалы, производственный процесс, области применения и интеграция в печатные платы.

Для инженеров, занимающихся оценкой передовых вычислительных систем, сетей, искусственного интеллекта, ускорителей, процессоров и других приложений с высокой интенсивностью ввода-вывода, понимание взаимосвязи между диэлектрическими материалами ABF, подложками интегральных схем, межсоединениями корпусов, структурами HDI и печатными платами системного уровня имеет важное значение.

Что такое субстрат ABF?

ABF расшифровывается как Ajinomoto Build-up Film (пленка Аджиномото для наращивания толщины) — технология диэлектрической пленки, разработанная для применения в высокоплотной упаковке полупроводниковых микросхем.

Подложка ABF обычно состоит из сердцевины, соединенной с несколькими слоями диэлектрика и медными межсоединениями. Внутри этих слоев формируются тонкие медные дорожки и микроотверстия для создания плотной трассировки, необходимой между полупроводниковым корпусом и внешней печатной платой.

Данная конструкция принципиально отличается от обычной многослойной печатной платы.

Традиционная печатная плата обычно оптимизируется с учетом механической прочности, технологичности изготовления, электрических характеристик, тепловых требований и стоимости на уровне системной платы. Подложка в корпусе ABF, напротив, должна вмещать чрезвычайно плотные межсоединения, непосредственно примыкающие к полупроводниковому устройству.

Таким образом, подложка выступает в качестве электрического и механического моста между двумя совершенно разными средами:

Именно эта промежуточная роль объясняет тесную связь технологии ABF с технологией изготовления подложек для интегральных схем, а не с обычным изготовлением печатных плат.

Почему ABF используется для современных систем упаковки интегральных схем?

Основная причина важности технологии ABF заключается в том, что для современных полупроводниковых корпусов требуется такая плотность межсоединений, которую традиционные технологии печатных плат не могут эффективно обеспечить.

Современные процессоры, графические процессоры, ускорители искусственного интеллекта, сетевые устройства и другие полупроводниковые корпуса с большим количеством входов/выходов могут содержать очень большое количество электрических соединений на относительно небольшой площади корпуса.

Таким образом, подложка корпуса должна обеспечивать:

• Тонкая прокладка медных проводов
• Высокая плотность межсоединений
• Многослойная конструкция
• Микроотверстия, сформированные лазером
• Контролируемая толщина диэлектрика
• Стабильные электрические свойства
• Надежные интерфейсы медь-диэлектрик
• Контролируемое размерное поведение
• Совместимость с процессами упаковки полупроводников.

Структуры ABF позволяют увеличивать плотность трассировки как по вертикали, так и по горизонтали.

Вместо того чтобы пытаться проложить каждое соединение через обычную толстую структуру печатной платы, инженеры могут создавать дополнительные диэлектрические и медные слои вокруг основной подложки и использовать микропереходы для соединения соседних слоев.

Такой подход позволяет значительно повысить плотность маршрутизации в рамках ограниченных габаритов корпуса.

Полученный результат особенно ценен для полупроводниковых устройств, где плотность ввода-вывода в корпусе стала одним из основных ограничений общей архитектуры системы.

Подложка ABF против обычной печатной платы

Важно не использовать термины ABF PCB и ABF package substrate взаимозаменяемо.

Хотя в обоих случаях используются медные проводники и диэлектрические материалы, цели проектирования и требования к производству у них разные.

На обычной печатной плате процессор, память, силовая цепь, разъемы и другие компоненты могут быть объединены на относительно большой плате.

Подложка из ABF-материала выполняет другую функцию: она обеспечивает чрезвычайно плотное соединение элементов непосредственно под полупроводниковым корпусом или вокруг него.

Это различие также объясняет, почему эти технологии часто встречаются вместе в современных электронных системах.

Как работают сборные конструкции ABF

Упрощенную структуру подложки ABF можно представить как последовательность диэлектрических и медных слоев, построенных вокруг сердцевины.

Концепция производства, как правило, включает несколько основных этапов:

Точная последовательность технологических процессов варьируется в зависимости от архитектуры подложки, возможностей производителя, правил проектирования и требований к упаковке.

Накопление диэлектрика

Пленка ABF обеспечивает изолирующий слой между проводящими медными структурами.

Диэлектрик должен обеспечивать требуемые электрические характеристики, а также поддерживать изготовление деталей с высокой точностью и надежное соединение.

Толщина и свойства каждого диэлектрического слоя влияют на геометрию трассировки, формирование переходных отверстий, импедансные характеристики, емкость и механические свойства.

Лазерные микроотверстия

Одной из отличительных особенностей современных подложек для многослойной печати является использование микроотверстий, сформированных лазером.

В отличие от больших обычных сквозных отверстий, микроотверстия позволяют соединять соседние слои, занимая при этом значительно меньшую площадь.

Это позволяет каналам маршрутизации проходить через регионы с высокой плотностью пакетов.

Таким образом, геометрия микроотверстий, размеры контактных площадок, качество меднения и точность выравнивания имеют решающее значение для выхода годных изделий из подложки.

В разделе, посвященном смежным технологиям печатных плат, наше руководство по структурам печатных плат с высокой плотностью межсоединений содержит полезную информацию о том, как миниатюрные вертикальные межсоединения увеличивают плотность трассировки.

Металлизация меди

После формирования диэлектрика и лазерного сверления необходимо создать проводящие медные структуры.

В зависимости от технологического процесса, для получения необходимой проводящей геометрии можно комбинировать процессы формирования затравочного слоя, химического меднения, электролитического осаждения и нанесения рисунка.

При увеличении размеров подложки контроль технологического процесса приобретает все большее значение, поскольку относительно небольшие изменения толщины меди, ширины линий, расстояния между ними или точности совмещения могут влиять на электрические и производственные характеристики.

Проблемы производства подложек ABF

Производство подложек ABF значительно сложнее, чем традиционное изготовление многослойных печатных плат.

Сложность заключается не в каком-то одном процессе. Она является результатом взаимодействия чрезвычайно тонкой геометрии, многократных циклов наращивания, поведения материала, обработки меди, лазерного сверления, совмещения, контроля и управления выходом годной продукции.

Тонколинейная техника нанесения узоров

По мере уменьшения толщины линий и межстрочного расстояния небольшие отклонения становятся пропорционально более значимыми.

Незначительные вариации технологического процесса, которые были бы несущественными на обычной печатной плате, могут стать неприемлемыми при измерении геометрии проводника в гораздо меньшем масштабе.

Поэтому производителям необходимы строго контролируемые процессы получения изображений, нанесения покрытий, травления, совмещения и контроля качества.

Послойная регистрация

Каждый дополнительный слой наращивания вводит новые требования к выравниванию.

Микропереходное отверстие должно правильно прилегать к нижележащему медному элементу, а верхняя трассировка должна также совпадать с окружающей структурой.

Таким образом, ошибки совмещения могут накапливаться на протяжении всего производственного процесса.

Через надежность

Микроотверстия должны обеспечивать надежные электрические и механические соединения на протяжении всей последующей обработки и эксплуатации.

Некачественное формирование переходных отверстий, недостаточное осаждение меди, пустоты, трещины или чрезмерное напряжение могут способствовать возникновению проблем с надежностью.

Поэтому необходимо тщательно контролировать взаимосвязь между лазерным сверлением, удалением загрязнений, формированием затравки, нанесением покрытия и последующими термическими циклами.

Материальная и размерная стабильность

В процессе изготовления, сборки и эксплуатации подложки корпусов устройств подвергаются термическим и механическим нагрузкам.

Различия в коэффициенте теплового расширения, поведении при контакте с влагой, диэлектрических свойствах, распределении меди и структуре слоев могут влиять на стабильность размеров и надежность корпуса.

По этой причине выбор материала неотделим от общей структуры подложки.

Технология подложки ABF и HDI

Подложки ABF и печатные платы HDI имеют ряд общих важных производственных концепций, но их не следует рассматривать как идентичные технологии.

Оба варианта могут использовать:

• Накопление диэлектрических слоев
• Лазерное сверление
• Микропереходы
• Тонкая линия меди
• Последовательная обработка
• Маршрутизация высокой плотности

Однако подложка ABF работает на уровне полупроводникового корпуса, где требования к плотности межсоединений и размерам могут быть значительно выше.

Технология HDI по-прежнему остается весьма актуальной на уровне системных плат.

Например, высокопроизводительная вычислительная система может содержать:

Таким образом, подложка корпуса и системная печатная плата должны взаимодействовать друг с другом как в электрическом, так и в механическом плане.

Это одна из причин, почему передовым производителям печатных плат все чаще требуется опыт в создании структур высокой плотности, а не только в традиционном многослойном изготовлении.

Последовательная сборка особенно важна при проектировании сложных структур HDI. Инженеры могут узнать больше об этом подходе в нашей статье о проектировании многослойной структуры печатных плат HDI.

Электрические характеристики подложек ABF

Выбор подложки ABF — это не только вопрос физической плотности трассировки.

Электрические характеристики приобретают все большее значение по мере того, как интерфейсы корпусов поддерживают более высокие скорости передачи данных и большее количество сигналов.

Диэлектрические свойства

Диэлектрическая постоянная и характеристики рассеяния диэлектрической системы влияют на распространение сигнала, емкость, импеданс и потери.

Соответствующие свойства следует оценивать вместе с фактической структурой упаковки, а не рассматривать как отдельные параметры материалов.

Целостность сигнала

Короткие межсоединения не устраняют автоматически проблемы с целостностью сигнала.

При высоких скоростях передачи данных дорожки корпуса, переходные отверстия, переходы, опорные плоскости и соединения на печатной плате могут вносить свой вклад в следующие процессы:

• Вносимые потери
• Обратные потери
• Перекрестные помехи
• Отражения
• скос
• Разрывы импеданса

Таким образом, подложка корпуса является частью всего высокоскоростного канала.

После того как сигнал покидает подложку корпуса и попадает на печатную плату системы, структура печатной платы и система материалов должны продолжать обеспечивать выполнение электрических требований.

Для системных приложений инженеры могут ознакомиться с нашими ресурсами по высокоскоростному производству печатных плат и высокоскоростным материалам для печатных плат.

Энергетическая целостность

Современные процессоры и ускорители также могут предъявлять высокие требования к электропитанию.

Подложка корпуса должна обеспечивать плотное расположение силовых и заземляющих соединений, сохраняя при этом приемлемые электрические и тепловые характеристики.

Это становится особенно важным в высокопроизводительных вычислительных системах, где плотность мощности процессора, высокоскоростные интерфейсы, пропускная способность памяти и тепловая конструкция тесно взаимосвязаны.

Применение подложек ABF

Подложки ABF в основном используются в современных технологиях упаковки полупроводников, где требуется высокая плотность межсоединений.

ЦП и графические процессоры

Высокопроизводительные процессоры требуют большого количества соединений в корпусе и плотной трассировки на подложке.

Подложки для корпусов на основе ABF могут обеспечить необходимую тонкую структуру межсоединений между полупроводниковым корпусом и внешней системой.

Ускорители ИИ

Аппаратное обеспечение для вычислений с использованием искусственного интеллекта предъявляет значительные требования к вводу-выводу процессора, интерфейсам памяти, системе питания и высокоскоростной связи.

По мере усложнения архитектур ускорителей плотность межсоединений на уровне корпуса приобретает все большее значение.

Внешняя печатная плата должна обеспечивать соответствующую электрическую, механическую, тепловую и силовую инфраструктуру вокруг корпуса.

Сетевое оборудование и оборудование для центров обработки данных

Высокоскоростные коммутационные и сетевые устройства могут требовать плотной компоновки корпусов в сочетании со сложной трассировкой на системной плате.

Для обеспечения целостности сигнала по всему каналу необходимо, чтобы подложка корпуса и печатная плата работали согласованно.

ASIC и специализированные вычислительные устройства

Специализированные интегральные схемы могут иметь весьма специфические требования к корпусу.

Архитектура подложки может потребовать учета специфических схем ввода-вывода, областей питания, высокоскоростных интерфейсов и механических ограничений.

Архитектуры на основе чиплетов

Чиплетные архитектуры предъявляют дополнительные требования к межсоединениям в корпусе, поскольку несколько полупроводниковых кристаллов могут взаимодействовать через общую структуру корпуса.

По мере развития архитектуры корпусов подложка становится все более важной частью общей системы межсоединений.

Подложка ABF и корпусирование BGA

Технология ABF тесно связана с передовыми структурами корпусов, включая корпуса типа BGA с большим количеством входов/выходов.

Корпусная подложка распределяет сигналы от полупроводникового кристалла к внешним выводам корпуса, которые затем могут подключаться к печатной плате системы.

Это создает множество уровней взаимосвязи:

Переход между этими уровнями должен быть тщательно спланирован.

Для инженеров, работающих с интерфейсом на уровне печатной платы, полезно понимать структуру BGA-подложек и корпусов .

После установки BGA-корпуса на системную плату важными становятся геометрия паяных соединений, конструкция контактных площадок, тепловой профиль, размещение компонентов и контроль качества.

Разработка печатной платы на основе корпуса ABF.

Системная печатная плата должна быть спроектирована таким образом, чтобы дополнять корпус, а не рассматривать корпус как изолированный компонент.

Рассредоточение и маршрутизация эвакуации

Пакеты с высокой интенсивностью ввода-вывода могут создавать чрезвычайно плотные области маршрутизации выходных каналов.

Разработчику печатной платы может потребоваться объединить трассировку BGA с малым шагом выводов, структуры переходных отверстий в контактных площадках, микропереходные отверстия, скрытые переходные отверстия и тщательно спланированное размещение слоев.

Цель состоит не просто в том, чтобы разместить все соединения на плате. Архитектура трассировки должна также обеспечивать технологичность изготовления и электрические характеристики.

Выбор стека

Структура печатной платы влияет на:

• Сопротивление сигнала
• Непрерывность плоскости отсчета
• Распределение мощности
• Перекрестные помехи
• Тепловое поведение
• Через архитектуру
• Сложность изготовления

При разработке высокоскоростных процессорных и сетевых плат переход от корпуса к печатной плате следует учитывать на этапе проектирования структуры платы.

Электропитание

Крупные процессоры и ускорители могут требовать значительной подачи тока через относительно небольшие участки корпуса.

Таким образом, печатная плата должна иметь соответствующую структуру силовой плоскости, распределение медных проводников, расположение переходных отверстий, стратегию развязки и схему теплоотвода.

Допуски при производстве

Чрезвычайно сложный интерфейс корпуса может сделать процесс изготовления печатных плат более чувствительным к накоплению допусков.

Размеры контактных площадок, совмещение паяльной маски, размещение переходных отверстий, толщина меди, точность сверления и совмещение слоев — все это следует проверять с учетом фактических производственных возможностей.

Тщательный анализ конструкции печатной платы с учетом технологичности производства позволяет выявить проблемы, связанные с технологичностью, еще до начала серийного производства.

Подложка ABF по сравнению с другими технологиями подложек для интегральных схем

ABF — не единственный материал или конструкция, используемые для полупроводниковых подложек.

Для разных типов корпусов могут потребоваться разные технологии подложек.

Правильный выбор зависит от таких факторов, как:

• Количество операций ввода-вывода
• Размер упаковки
• Плотность маршрутизации
• Скорость сигнала
• Тепловые требования
• Целевая стоимость
• Механические ограничения
• Объем производства
• Архитектура полупроводникового корпуса

Метод ABF особенно характерен для современных органических субстратов высокой плотности, однако для других классов корпусов могут быть более подходящими другие подходы к субстратам.

Именно поэтому выбор подложки следует начинать с архитектуры корпуса и электрических требований, а не просто с выбора самого современного доступного материала.

Вопросы надежности подложки ABF

Надежность необходимо оценивать по всей системе корпуса и платы.

Термальный цикл

Повторяющиеся изменения температуры вызывают механические напряжения, поскольку разные материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью.

Таким образом, подложку корпуса, полупроводниковый корпус, паяные соединения и печатную плату необходимо оценивать как единую структуру.

Влажность

Органические диэлектрические материалы могут взаимодействовать с влагой, что может повлиять на технологические процессы и надежность.

Таким образом, условия обращения с влагой и хранения необходимо контролировать в соответствии с требованиями к материалу и процессу упаковки.

Надежность Microvia

Микроотверстия в структурах должны сохранять электрическую и механическую надежность на протяжении всего процесса производства и циклов термической обработки в процессе эксплуатации.

Качество меди, геометрия сквозных отверстий, покрытие, диэлектрические границы раздела и термические напряжения — все это влияет на рабочие характеристики.

Надежность от корпуса до печатной платы

Даже если сама подложка ABF работает корректно, вся сборка может выйти из строя на стыке корпуса и печатной платы.

Пайка BGA-компонентов, деформация печатной платы, несоответствие температурных параметров, профиль сборки и механическая нагрузка — все это может влиять на надежность в полевых условиях.

Для приложений BGA инженеры также могут ознакомиться с нашей информацией по сборке печатных плат BGA , а также по вопросам контроля качества и пайки.

Как оценить проект с использованием субстрата ABF

При оценке проекта, связанного с ABF, полезно разделить требования на четыре уровня.

1. Требования к корпусу полупроводникового устройства

• Умереть размер
• Количество операций ввода-вывода
• Размеры упаковки
• шаг ввода/вывода
• Требования к питанию
• Требования к высокоскоростному интерфейсу
• Архитектура пакета

2. Требования к субстрату

• Основная конструкция
• Количество слоев конструкции
• Диэлектрическая система
• Минимальное расстояние между строками/ячейками
• Размеры микроотверстий
• Размеры колодки
• Толщина меди
• Чистота поверхности
• Регистрационные требования
• Требования к деформации

3. Требования к печатной плате системы

• Количество слоев печатной платы
• Стек
• Материальная система
• Контролируемый импеданс
• стратегия побега BGA
• Через структуру
• Вес меди
• Тепловые требования
• Распределение мощности
• Чистота поверхности

4. Требования к сборке

• Технические характеристики компонентов BGA
• Паяльная паста
• Дизайн трафарета
• Профиль оплавления
• Требования к AOI
• Рентгеновское обследование
• Электрические испытания
• Требования к доработке
• Прослеживаемость

Разделение на эти четыре уровня упрощает определение источника проблемы.

Проблема на уровне корпуса не должна автоматически рассматриваться как проблема изготовления печатной платы, а ограничение трассировки на уровне печатной платы не должно автоматически приписываться подложке ABF.

Подложка ABF в цепочке производства передовой электроники

Технология ABF наглядно демонстрирует, насколько тесно взаимосвязаны упаковка полупроводников и производство печатных плат.

Современная высокопроизводительная вычислительная платформа может включать в себя несколько производственных технологий:

Каждый этап имеет свои технические требования, но электрические и механические интерфейсы между ними должны оставаться совместимыми.

Для производителей печатных плат это означает, что понимание процесса упаковки полупроводников становится все более ценным, даже когда фактическая ответственность за производство сосредоточена на плате системного уровня.

Печатная плата больше не является просто пассивной платформой вокруг процессора. Она составляет часть полной электрической, тепловой и механической архитектуры.

Почему DFM важен для проектов печатных плат, связанных с ABF.

Корпуса на основе ABF позволяют создавать чрезвычайно плотные интерфейсы на печатных платах.

Попытка решить эти проблемы с интерфейсами только после завершения проектирования печатной платы может привести к ненужным перепроектированиям.

В идеале, анализ DFM-моделирования следует начинать до начала изготовления.

Цель состоит в том, чтобы сохранить задуманную электрическую схему, обеспечив при этом возможность стабильного производства физической платы.

Это особенно важно, когда в проекте сочетаются передовые пакеты с высокопроизводительными структурами (HDI), поскольку теоретически трассируемая конструкция может оказаться непрактичной в производственных масштабах.

От корпуса ABF до готовой печатной платы

Сама по себе подложка ABF является лишь частью готового изделия.

После установки усовершенствованного корпуса на системную печатную плату производственный процесс продолжается, включая размещение компонентов, пайку, контроль качества, тестирование и, возможно, интеграцию на системном уровне. На уровне печатной платы сборка HDI на границе системной платы остается отдельной производственной задачей, отличной от изготовления подложки корпуса.

Поэтому компетентный производственный партнер должен понимать взаимосвязь между самой печатной платой и конечной сборкой.

Для проектов, требующих как изготовления печатных плат, так и сборки компонентов, услуги по сборке печатных плат могут помочь объединить этапы изготовления и сборки в рамках скоординированного производственного процесса.

Это особенно ценно для плат с процессорами высокой плотности, где технические характеристики изготовления печатных плат и параметры сборки не могут рассматриваться независимо друг от друга.

Субстрат ABF: основные выводы

Технология подложек ABF занимает важное место между упаковкой полупроводников и производством печатных плат системного уровня.

Наиболее важные моменты:

• ABF означает пленку для наращивания кожного среза Ajinomoto., технология органических диэлектриков, широко используемая в современных подложках для корпусирования микросхем.
• An Подложка корпуса ABF — это не просто обычная печатная плата, изготовленная из другого типа ламината..
• Его основное назначение — обеспечение очень плотного электрического соединения между полупроводниковым корпусом и внешней системой.
• Основой этой технологии являются многослойные структуры, лазерные микроотверстия, точная трассировка медных проводников и точная совмещение.
• Подложки ABF тесно связаны с полупроводниковыми приложениями с большим количеством входов/выходов, такими как процессоры, ускорители, ASIC и передовые сетевые устройства.
• При оценке целостности сигнала, передачи питания, тепловых характеристик и надежности необходимо учитывать как подложку корпуса, так и системную печатную плату.
• Технологии печатных плат высокой плотности, такие как HDI, приобретают особое значение на стыке корпуса и платы.
• Технологическую осуществимость производства следует оценивать на ранних этапах, поскольку точные геометрические параметры и жесткие допуски могут существенно повлиять на выход годной продукции и себестоимость.
• Качество конечного продукта зависит не только от качества подложки, но и от изготовления, сборки, контроля и тестирования печатных плат.

Часто задаваемые вопросы о субстратах ABF