Тенденции в области корпусирования полупроводников: от традиционных печатных плат до встраиваемых подложек

Введение

Полупроводниковая упаковка претерпевает фундаментальную трансформацию, поскольку встраиваемые печатные платы с подложкой заполняют пробел между традиционными печатными платами и современными корпусами ИС. По мере приближения закона Мура к физическим пределам отрасль смещает акцент с уменьшения размеров транзисторов на инновационные архитектуры корпусов. Технология встраиваемых подложек представляет собой переломный момент, где возможности традиционного производства печатных плат совпадают с требованиями к точности полупроводникового уровня.

Эта эволюция обусловлена ​​требованиями гетерогенной интеграции, где множество чиплетов — логика, память и специализированные процессоры — должны взаимодействовать с минимальной задержкой и максимальной эффективностью. Понимание этого технологического сдвига крайне важно для производителей и разработчиков электроники, готовящихся к внедрению приложений нового поколения в области искусственного интеллекта, автомобилестроения и высокопроизводительных вычислений.

Эволюция от печатной платы к усовершенствованной подложке для корпусирования

От дискретной к интегрированной архитектуре

Традиционные печатные платы служили пассивными межсоединительными платформами, обеспечивая маршрутизацию сигналов между корпусированными микросхемами, установленными на их поверхности. Этот дискретный подход разделял процесс упаковки микросхемы и сборки платы, создавая неизбежные ограничения на целостность сигнала и форм-фактор. Переход к технологии встраиваемых печатных плат с подложкой фундаментально меняет эту парадигму, интегрируя микросхемы непосредственно в слои подложки, устраняя потери на интерфейсе и позволяя создавать компактные трёхмерные архитектуры.

Эволюция материалов в печатных платах со встроенными подложками

Переход от ламината FR-4 к современным смоляным системам знаменует собой критически важный шаг в развитии встраиваемых подложек. Обычный FR-4, хотя и экономически эффективен для традиционных плат, не обладает необходимой размерной стабильностью и диэлектрическими свойствами для мелкошаговых полупроводниковых межсоединений. Современные встраиваемые подложки печатных плат используют пленку Ajinomoto Build-up Film (ABF), бисмалеимид-триазиновую смолу (BT) и специализированные медные материалы с покрытием смолой (RCC), которые обеспечивают превосходный коэффициент теплового расширения, сопоставимый с кремнием.

Структурное сравнение между поколениями

В компании Highleap Electronics мы наблюдаем изменение требований клиентов от стандартных плат HDI к встраиваемым подложкам корпусного класса, требующим контролируемых допусков импеданса менее 5% и характеристик плоскостности поверхности, измеряемых в микрометрах с точностью до одной цифры.

Ключевые факторы, способствующие внедрению печатных плат со встроенными подложками

Миниатюризация встречает взрывной рост ввода-вывода

Современные системы на кристалле содержат миллиарды транзисторов, но сталкиваются с проблемой плотности ввода-вывода, которую не может решить традиционная проводная разводка. Высокопроизводительный процессор для мобильных приложений может потребовать более 1,000 соединений на площади менее 100 квадратных миллиметров. Технология встраиваемых печатных плат с подложкой обеспечивает такую ​​плотность благодаря слоям перераспределения с малым шагом и межсоединениям типа «массив», поддерживая шаг выводов до 40 микрометров.

Требования к тепловым и электрическим характеристикам

Высокопроизводительные вычислительные системы и ускорители искусственного интеллекта рассеивают мощность, превышающую 500 Вт, в компактных корпусах. Традиционные решения для корпусирования создают узкие места по теплу и снижают целостность сигнала, что ограничивает производительность. Встраиваемые подложки решают обе проблемы одновременно:

• Минимальная задержка сигнала – Расстояние между чипом и межсоединением измеряется в микрометрах, что позволяет обеспечить скорость передачи данных в несколько гигагерц.
• Превосходная тепловая связь – Расположение непосредственно рядом с тепловыми плоскостями снижает сопротивление перехода к корпусу на 30–50%
• Снижение паразитарных эффектов – Уменьшенная емкость и индуктивность минимизируют отражения сигнала и перекрестные помехи

Требования гетерогенной интеграции

В полупроводниковой промышленности широко используются архитектуры чиплетов, в которых специализированные кристаллы объединены в одном корпусе. Этот подход «система в корпусе» требует встроенной печатной платы, которая выполняет функцию активной межсоединительной матрицы, маршрутизируя тысячи высокоскоростных дифференциальных пар и обеспечивая чистое распределение питания. Автомобильные приложения иллюстрируют эту тенденцию, объединяя процессоры для обработки данных датчиков, ускорители искусственного интеллекта и критически важные для безопасности контроллеры в унифицированных корпусах.

Конвергенция цепочек поставок

Производители печатных плат Традиционно компании, занимающиеся упаковкой полупроводников, работали отдельно от компаний, занимающихся упаковкой полупроводников, но сейчас динамика рынка благоприятствует вертикальной интеграции. Ведущие производители печатных плат, включая Highleap Electronics, расширяют возможности для удовлетворения требований к упаковке, в то время как традиционные поставщики OSAT внедряют технологии на уровне плат. Такая конвергенция создаёт возможности для производителей, которые могут объединить обе области, предлагая оптимизированные цепочки поставок и сокращая время вывода продукции на рынок.

Развитие технологии встраиваемых печатных плат

Определение архитектуры встраиваемой подложки

Технология печатных плат с встраиваемой подложкой (Integrated Sublate PCB) позволяет интегрировать кристаллы полупроводников в основные слои многослойной структуры, а не монтировать их на поверхность. Сама подложка становится частью корпуса, а кристалл размещается в прецизионной полости или полностью инкапсулируется диэлектрическими слоями. Такая архитектура позволяет создавать более тонкие корпуса, улучшать тепловое взаимодействие и защищать чувствительные поверхности кристаллов во время последующих операций сборки.

Основные технические элементы

1. Процесс встраивания чипа

Процесс встраивания начинается с прецизионного формирования полости в материале сердечника с помощью лазерной абляции или фрезерования на станке с ЧПУ с допуском менее 25 микрометров. Кристаллы устанавливаются и устанавливаются с помощью специализированного оборудования, обеспечивающего субмикронную точность установки. В Highleap Electronics процесс встраивания включает в себя системы машинного зрения в реальном времени и силовую обратную связь, что обеспечивает единообразное размещение кристаллов при любом объёме производства.

2. Формирование лазерных микроотверстий

В конструкциях печатных плат с встраиваемыми подложками широко используются микроотверстия, просверленные лазером, для создания соединений между встроенными кристаллами и внешними слоями маршрутизации. Системы CO2- или УФ-лазеров создают отверстия диаметром от 25 до 75 микрометров с соотношением сторон, как правило, ограниченным 1:1 для надежного медного покрытия. Многоуровневые и смещенные конфигурации микроотверстий создают трехмерные сети межсоединений, позволяя отводить проводку от контактных площадок кристалла с малым шагом выводов.

3. Архитектура уровня перераспределения

Структуры RDL на встроенных подложках функционируют аналогично корпусированию на уровне пластины, используя тонкую фотолитографию для создания маршрутных схем с шириной линий и расстоянием между ними менее 10 микрометров. Многочисленные слои RDL формируют сложные сети межсоединений, часто с использованием полуаддитивных процессов (SAP) или модифицированных полуаддитивных процессов (mSAP) для контроля размеров.

Преимущества производительности печатных плат со встроенной подложкой

Подход с использованием встроенной подложки печатной платы обеспечивает ощутимое повышение производительности по нескольким направлениям:

• Улучшение целостности сигнала – Задержки распространения сигнала уменьшаются в 5–10 раз по сравнению с наземными аналогами
• Тепловая производительность – Тепловое сопротивление перехода к окружающей среде снижается на 30–50 % за счет прямой интеграции теплового пути
• Уменьшение форм-фактора – Толщина корпуса уменьшается на 40% и более для мобильных и носимых устройств.
• Механическая надежность – Встроенные чипы защищены от изгиба на уровне платы и теплового удара

Новые архитектуры упаковки с использованием встроенных подложек

Интеграция 2.5D с кремниевыми интерпозерами

2.5D-корпус позволяет размещать несколько микросхем рядом друг с другом на кремниевом интерпозере с мелкошаговой маршрутизацией и сквозными кремниевыми переходными отверстиями. Интерпозер монтируется на встроенную печатную плату-подложку, которая обеспечивает питание, разветвление сигналов на внешние разъемы и теплоотвод. Этот гибридный подход сочетает в себе сверхплотную маршрутизацию кремния с экономичными показателями площади и количества слоев органических встраиваемых подложек.

3D-укладка с использованием технологии TSV

В 3D-корпусе ИС несколько активных кристаллов размещаются вертикально друг над другом с прямыми межсоединениями TSV, проходящими через кремниевые подложки. Встроенная печатная плата подложки в 3D-конфигурации служит основой корпуса, управляя подачей питания на все ярусы и маршрутизируя сигналы, выходящие из вертикальной подложки. В 3D-структурах тепловые проблемы усугубляются, что обуславливает необходимость разработки подложек с тепловыми переходами, теплораспределителями или встроенными каналами охлаждения.

Эволюция разветвленной упаковки

Корпус с разветвленными выводами (FOWLP) позволяет отказаться от традиционных подложек, создавая структуры RDL непосредственно на восстановленных пластинах или больших панелях. Однако по мере увеличения размеров и сложности корпусов с разветвленными выводами они всё больше напоминают печатные платы с встраиваемыми подложками по своей структуре и требованиям к производству. Современные конструкции с разветвленными выводами включают несколько слоёв RDL и встроенные пассивные компоненты, стирая различия между подходами.

Технология встроенной подложки печатной платы в качестве моста

Технология встраиваемых подложек занимает важнейшее положение между традиционными корпусами с разветвленной структурой и традиционными органическими подложками. Она обеспечивает возможности тонкой трассировки и встраивания, приближающиеся к производительности корпусов с разветвленной структурой, сохраняя при этом механическую прочность, гибкость в количестве слоёв и возможности терморегулирования, характерные для корпусов на основе подложек. Для приложений, требующих больших размеров кристалла, множества гетерогенных кристаллов или интеграции дискретных компонентов, встраиваемые подложки обеспечивают оптимальное соотношение цены и производительности.

Проблемы материалов и производства встраиваемых печатных плат

Современные смоляные системы для мелкошаговой маршрутизации

Для достижения ширины линий и межслойных интервалов менее 10 микрометров при производстве встраиваемых печатных плат требуются материалы с исключительной размерной стабильностью и низкой шероховатостью поверхности. ABF остаётся отраслевым стандартом для многих применений, обеспечивая превосходные характеристики лазерного сверления и надёжную адгезию к медной фольге. Новые смолы с низкой диэлектрической проницаемостью (low-Dk) и низким коэффициентом рассеяния (low-Df) отвечают требованиям к целостности сигнала на частотах свыше 50 ГГц, со значениями Dk менее 3.0 и Df менее 0.005.

Контроль ширины линии и интервала между линиями

Поддержание 10-микрометровой ширины линий и равномерного расстояния между ними на всех производственных панелях требует точного контроля процессов фотолитографии и меднения. Полуаддитивные и модифицированные полуаддитивные процессы заменяют традиционное субтрактивное травление, используя тонкие затравочные слои меди и гальванопокрытие для формирования проводников с минимальным подрезом. В Highleap Electronics мы используем автоматизированные системы оптического контроля с субмикрометровым разрешением для проверки соответствия размеров на всех этапах производства.

Материалы для терморегулирования во встраиваемых подложках

Высокомощные встраиваемые печатные платы оснащены специализированными функциями управления тепловым режимом:

• Интеграция медных монет – Теплораспределители от 0.3 до 3 миллиметров обеспечивают прямой отвод тепла от чипов к внешним радиаторам.
• Заполненные тепловые отверстия – Высококачественные переходные отверстия с использованием медной пасты обеспечивают эффективную передачу тепла через слои подложки
• Ядра, соответствующие КТР – Композитные материалы минимизируют коробление, при этом несоответствие КТР поддерживается на уровне ниже 5 ppm/°C

Требования к адаптации производителя печатных плат

Традиционные производители печатных плат, выходящие на рынок встраиваемых подложек, сталкиваются со значительными пробелами в технологических возможностях. Системы лазерного сверления должны обеспечивать размеры пятна и точность позиционирования на порядок выше, чем при стандартном производстве HDI. Процессы гальванизации требуют точного контроля плотности тока для достижения равномерного распределения меди в структурах с микроотверстиями с соотношением сторон, приближающимся к 1:1. Требования к плоскостности на уровне панели ужесточаются с типичных 50 микрометров до требований порядка нескольких микрометров для мелкошаговой сборки.

Перспективы на будущее: конвергенция печатных плат со встраиваемыми подложками

Разрушение отраслевых границ

Граница между Изготовление печатных плат Корпуса полупроводников продолжают исчезать по мере развития технологии печатных плат со встраиваемыми подложками. Ведущие производители разрабатывают планы по корпусированию на уровне панелей, применяя методы литографии и осаждения, аналогичные полупроводниковым, на подложках большой площади, что потенциально снижает стоимость корпуса на 40–60%. Архитектуры RDL-на-подложке сочетают количество и площадь слоёв органической подложки со слоями перераспределения с ультратонким шагом.

Ускорение рынка искусственного интеллекта и автомобильной промышленности

Искусственный интеллект и автомобильные приложения ускоряют внедрение встраиваемых печатных плат благодаря уникальным требованиям к производительности и надежности. Системы обучения ИИ требуют максимальной пропускной способности памяти и минимальной задержки, что достижимо только благодаря передовым корпусам со встроенными кристаллами и сверхкороткими межсоединениями. Автомобильная электроника требует исключительной надежности в расширенном диапазоне температур и соответствия строгим ценовым показателям, которые не могут быть достигнуты с помощью традиционных керамических корпусов.

Стратегическое позиционирование для роста

По мере развития этой конвергенции производители электроники, осваивающие возможности встраиваемых печатных плат с подложкой, будут получать всё большую выгоду в цепочке поставок. Эта технология представляет собой не просто постепенное усовершенствование, а фундаментальную перестройку процесса интеграции полупроводниковых, пассивных компонентов и функций межсоединений в электронных системах. Компании, успешно сочетающие масштаб производства печатных плат с точностью корпусирования, определят следующее поколение возможностей электронных продуктов.