ABF-substrat: Material, tillverkningsprocess, tillämpningar och PCB-integration

För ingenjörer som utvärderar avancerad databehandling, nätverk, AI, acceleratorer, processorer eller andra applikationer med hög I/O- kapacitet är det viktigt att förstå sambandet mellan dielektriska material från ABF, IC-substrat, paketkopplingar, HDI-strukturer och kretskort på systemnivå.

Vad är ett ABF-substrat?

ABF står för Ajinomoto Build-up Film , en dielektrisk filmteknik som utvecklats för halvledarkapslingstillämpningar med hög densitet.

Ett ABF-substrat består vanligtvis av en kärnstruktur kombinerad med flera uppbyggda dielektriska lager och kopparförbindningslager. Fina kopparspår och mikroviaer bildas inuti dessa uppbyggda lager för att skapa den täta dragning som krävs mellan halvledarkapseln och det externa kretskortet.

Denna konstruktion skiljer sig fundamentalt från ett konventionellt flerskikts-PCB.

Ett traditionellt kretskort är vanligtvis optimerat kring mekanisk robusthet, tillverkningsbarhet, elektrisk prestanda, termiska krav och kostnad på moderkortsnivå. Ett ABF-kapselsubstrat måste däremot hantera extremt täta sammankopplingar i omedelbar anslutning till en halvledarkomponent.

Substratet fungerar därför som en elektrisk och mekanisk brygga mellan två mycket olika miljöer:

Denna mellanliggande roll är anledningen till att ABF-tekniken är nära besläktad med IC-substratteknik snarare än vanlig PCB-tillverkning.

Varför används ABF för avancerad IC-kapsling?

Den främsta anledningen till att ABF är viktig är att avancerade halvledarkapslar kräver kopplingstätheter som konventionella kretskortstekniker inte kan erbjuda effektivt.

Moderna processorer, GPU:er, AI-acceleratorer, nätverksenheter och andra halvledarpaket med hög I/O-kapacitet kan innehålla ett mycket stort antal elektriska anslutningar inom ett relativt litet paketområde.

Förpackningssubstratet måste därför tillhandahålla:

• Fin koppardragning
• Hög sammankopplingstäthet
• Flera uppbyggnadslager
• Laserformade mikrovias
• Kontrollerad dielektrisk tjocklek
• Stabila elektriska egenskaper
• Tillförlitliga koppar-till-dielektriska gränssnitt
• Kontrollerat dimensionellt beteende
• Kompatibilitet med halvledarförpackningsprocesser

ABF-uppbyggnadsstrukturer gör det möjligt att öka routingstätheten både vertikalt och horisontellt.

Istället för att försöka leda varje anslutning genom en konventionell tjock PCB-struktur kan ingenjörer bygga ytterligare dielektriska och kopparlager runt ett kärnsubstrat och använda mikrovias för att ansluta intilliggande lager.

Denna metod möjliggör mycket större routningstäthet inom ett begränsat paketutrymme.

Resultatet är särskilt värdefullt för halvledarkomponenter där paketets I/O-täthet har blivit en av de största begränsningarna för den övergripande systemarkitekturen.

ABF-substrat kontra konventionellt kretskort

Det är viktigt att inte använda termerna ABF PCB och ABF-paketsubstrat omväxlande.

Även om båda använder kopparledare och dielektriska material, är deras designmål och tillverkningskrav olika.

Ett konventionellt kretskort kan ansluta en processor, minne, strömkretsar, kontakter och andra komponenter över ett relativt stort kort.

Ett ABF-kapselsubstrat utför en annan uppgift: det tillhandahåller den extremt täta sammankopplingen omedelbart under eller runt halvledarkapseln.

Den skillnaden förklarar också varför teknikerna ofta förekommer tillsammans i avancerade elektroniska system.

Hur ABF-uppbyggnadsstrukturer fungerar

En förenklad ABF-substratstruktur kan förstås som en sekvens av dielektriska och kopparlager byggda runt en kärna.

Tillverkningskonceptet omfattar generellt flera huvudsteg:

Det exakta processflödet varierar beroende på substratarkitektur, tillverkarens kapacitet, designregler och förpackningskrav.

Dielektrisk uppbyggnad

ABF-film utgör det isolerande lagret mellan ledande kopparstrukturer.

Dielektrikumet måste ge de erforderliga elektriska egenskaperna samtidigt som det stöder tillverkning med hög precision och tillförlitlig sammankoppling.

Tjockleken och egenskaperna hos varje dielektriskt lager påverkar routingsgeometrin, via bildning, impedansbeteende, kapacitans och mekaniska egenskaper.

Lasermikrovias

En av de utmärkande egenskaperna hos avancerade uppbyggnadssubstrat är användningen av laserformade mikrovias.

Till skillnad från stora konventionella genomgående hål kan mikrovior ansluta intilliggande uppbyggnadslager samtidigt som de upptar betydligt mindre yta.

Detta gör att routingkanaler kan passera genom tätbefolkade paketregioner.

Mikroviageometri, landningsplattans dimensioner, kopparpläteringskvalitet och uppriktningsnoggrannhet är därför avgörande för substratutbytet.

För relaterad PCB-teknik ger vår guide till PCB-strukturer med hög densitet för sammankoppling användbar bakgrund om hur miniatyriserade vertikala sammankopplingar ökar routingstätheten.

Kopparmetallisering

Efter dielektrisk bildning och laserborrning måste ledande kopparstrukturer skapas.

Beroende på tillverkningsprocessen kan fröskiktsbildning, elektrolös koppar, elektroplätering och mönstringsprocesser kombineras för att producera den erforderliga ledande geometrin.

Vid avancerade substratdimensioner blir processkontroll allt viktigare eftersom relativt små variationer i kopparns tjocklek, linjebredd, avstånd eller registrering kan påverka elektrisk prestanda och tillverkningsprestanda.

Utmaningar vid tillverkning av ABF-substrat

Tillverkning av ABF-substrat är betydligt mer krävande än konventionell tillverkning av flerskikts-PCB.

Svårigheten orsakas inte av en enda process. Den är ett resultat av samspelet mellan extremt fina geometrier, flera uppbyggnadscykler, materialbeteende, kopparbearbetning, laserborrning, registrering, inspektion och utbyteshantering.

Fina linjemönster

Allt eftersom linjebredder och mellanrum minskar blir små variationer proportionellt mer betydande.

En processvariation som skulle vara obetydlig på ett konventionellt kretskort kan bli oacceptabel när ledargeometrin mäts i en mycket mindre skala.

Tillverkare behöver därför noggrant kontrollerade processer för avbildning, plätering, etsning, registrering och inspektion.

Lager-till-lager-registrering

Varje ytterligare uppbyggnadslager medför ytterligare ett krav på uppriktning.

Mikrovian måste landa korrekt på den underliggande kopparkonstruktionen, medan det övre ledningsmönstret också måste vara i linje med den omgivande strukturen.

Registreringsfel kan därför ackumuleras under hela tillverkningssekvensen.

Via Tillförlitlighet

Mikrovias måste upprätthålla tillförlitliga elektriska och mekaniska anslutningar genom efterföljande bearbetning och drift.

Dålig viabildning, otillräcklig kopparavsättning, hålrum, sprickor eller överdriven spänning kan bidra till tillförlitlighetsproblem.

Sambandet mellan laserborrning, avsmearning, fröbildning, plätering och efterföljande termiska cykler måste därför kontrolleras noggrant.

Material- och dimensionsstabilitet

Förpackningssubstrat utsätts för termisk och mekanisk påfrestning under tillverkning, montering och drift.

Skillnader i värmeutvidgningskoefficient, fuktbeteende, dielektriska egenskaper, kopparfördelning och lagerkonstruktion kan påverka dimensionsstabilitet och paketets tillförlitlighet.

Av denna anledning kan materialvalet inte separeras från den fullständiga substratstrukturen.

ABF-substrat och HDI-teknik

ABF-substrat och HDI-kretskort delar flera viktiga tillverkningskoncept, men de bör inte behandlas som identiska tekniker.

Båda kan använda:

• Bygg upp dielektriska lager
• Laserborrning
• Microvias
• Fin linjekoppar
• Sekventiell bearbetning
• Högdensitetsrouting

Ett ABF-kapselsubstrat fungerar dock på halvledarkapselnivå, där kraven på sammankopplingstäthet och dimensioner kan vara betydligt högre.

HDI-tekniken är fortfarande mycket relevant på moderkortssidan.

Till exempel kan ett avancerat datorsystem innehålla:

Kapselsubstratet och system-kretskortet måste därför fungera tillsammans elektriskt och mekaniskt.

Detta är en anledning till att avancerade kretskortstillverkare i allt högre grad behöver expertis inom högdensitetsstrukturer snarare än bara konventionell flerskiktstillverkning.

Sekventiell uppbyggnad är särskilt viktig vid design av komplexa HDI-strukturer. Ingenjörer kan lära sig mer om denna metod i vår artikel om HDI PCB-stackupdesign.

Elektrisk prestanda hos ABF-substrat

Val av ABF-substrat handlar inte bara om fysisk routingstäthet.

Elektrisk prestanda blir allt viktigare i takt med att gränssnitten stöder högre datahastigheter och större signalantal.

Dielektriska egenskaper

Den dielektriska konstanten och dissipationsegenskaperna hos det dielektriska systemet påverkar signalutbredning, kapacitans, impedans och förlust.

De relevanta egenskaperna måste utvärderas tillsammans med den faktiska förpackningsstrukturen snarare än att behandlas som isolerade materialnummer.

Signalintegritet

Korta sammankopplingar eliminerar inte automatiskt problem med signalintegriteten.

Vid höga datahastigheter kan paketspår, vias, övergångar, referensplan och PCB-anslutningar alla bidra till:

• Inkopplingsförlust
• Återgå förlust
• Crosstalk
• Reflektioner
• skew
• Impedansdiskontinuiteter

Paketsubstratet utgör därför en del av den kompletta höghastighetskanalen.

När signalen lämnar paketsubstratet och kommer in i system-PCB:t, måste kretskortsuppsättningen och materialsystemet fortsätta att stödja de elektriska kraven.

För systemnivåapplikationer kan ingenjörer granska våra resurser om höghastighetstillverkning av kretskort och höghastighets-kretskortsmaterial.

Power Integritet

Avancerade processorer och acceleratorer kan också skapa krävande krav på strömförsörjning.

Kapselsubstratet måste kunna hantera täta kraft- och jordanslutningar samtidigt som acceptabel elektrisk och termisk prestanda bibehålls.

Detta blir särskilt viktigt i högpresterande datorsystem där processorns effekttäthet, höghastighetsgränssnitt, minnesbandbredd och termisk design är nära sammankopplade.

ABF-substratapplikationer

ABF-substrat förknippas främst med avancerad halvledarkapsling där hög sammankopplingstäthet krävs.

CPU:er och GPU:er

Högpresterande processorer kräver ett stort antal paketanslutningar och tät substratrouting.

ABF-baserade substrat för paket kan tillhandahålla den fina sammankopplingsstruktur som krävs mellan halvledarpaketet och det externa systemet.

AI-acceleratorer

AI-datorhårdvara ställer stora krav på processor-I/O, minnesgränssnitt, strömförsörjning och höghastighetskommunikation.

I takt med att acceleratorarkitekturer blir mer komplexa blir sammankopplingstäthet på paketnivå allt viktigare.

Det externa kretskortet måste sedan tillhandahålla lämplig elektrisk, mekanisk, termisk och kraftinfrastruktur runt paketet.

Nätverks- och datacenterhårdvara

Höghastighetsswitchar och nätverksenheter kan kräva täta paketsammankopplingar tillsammans med krävande routing mellan moderkort.

Kapselsubstratet och kretskortet måste fungera tillsammans för att bevara signalintegriteten över hela kanalen.

ASIC och anpassade datorenheter

Applikationsspecifika integrerade kretsar kan ha mycket anpassade paketkrav.

Substratarkitekturen kan behöva hantera specifika I/O-arrangemang, kraftdomäner, höghastighetsgränssnitt och mekaniska begränsningar.

Chiplet-baserade arkitekturer

Chiplet-arkitekturer ställer ytterligare krav på paketsammankoppling eftersom flera halvledarchip kan kommunicera via en gemensam paketstruktur.

I takt med att paketarkitekturer utvecklas blir substratet en allt viktigare del av det övergripande sammankopplingssystemet.

ABF-substrat och BGA-förpackning

ABF-tekniken är nära kopplad till avancerade paketstrukturer, inklusive BGA-kapslar av hög I/O-typ.

Kapselsubstratet distribuerar signaler från halvledarchipet till de externa kapselterminalerna, som sedan kan anslutas till systemkretskortet.

Detta skapar flera nivåer av sammankoppling:

Övergången mellan dessa nivåer måste utformas noggrant.

För ingenjörer som arbetar med kortnivåsidan av detta gränssnitt är det användbart att förstå BGA-substrat och kapslingsstrukturer .

När BGA-kapslingen väl är placerad på moderkortet blir även lödfogens geometri, plattans design, termisk profil, komponentplacering och inspektion viktiga.

Designa kretskortet runt ett ABF-baserat paket

Systemets kretskort måste utformas för att komplettera kapslingen snarare än att behandla kapslingen som en isolerad komponent.

Utrymningsväg och utrymningsväg

Paket med höga I/O-nivåer kan skapa extremt täta escape-routing-regioner.

Kretskortskonstruktören kan behöva kombinera fine-pitch BGA-routing, via-in-pad-strukturer, mikrovias, nedgrävda vias och noggrant planerade lagertilldelningar.

Målet är inte bara att få plats med alla anslutningar på kortet. Routingarkitekturen måste också bibehålla tillverkningsbarhet och elektrisk prestanda.

Staplingsval

PCB-uppbyggnaden påverkar:

• Signalimpedans
• Referensplanskontinuitet
• Kraftfördelning
• Crosstalk
• Termiskt beteende
• Via arkitektur
• Tillverkningskomplexitet

För höghastighetsprocessorer och nätverkskort bör övergången från paket till kretskort beaktas under stackup-utveckling.

Strömförsörjning

Stora processorer och acceleratorer kan kräva betydande strömleverans genom relativt små paketregioner.

Kretskortskortet behöver därför en lämplig effektplansstruktur, koppardistribution, via-arrangemang, frikopplingsstrategi och termisk design.

Tillverkningstoleranser

Ett mycket komplext paketgränssnitt kan göra kretskortstillverkning mer känslig för toleransackumulering.

Dynans dimensioner, lödmaskens registrering, viaplacering, koppartjocklek, borrnoggrannhet och lagerregistrering bör alla kontrolleras mot den faktiska tillverkningskapaciteten.

En robust granskning av kretskortsdesign för tillverkning kan identifiera problem med tillverkningsbarheten innan produktionen påbörjas.

ABF-substrat jämfört med andra IC-substrattekniker

ABF är inte det enda materialet eller den enda konstruktionen som används för halvledarsubstrat.

Olika förpackningstyper kan kräva olika substratteknologier.

Det lämpliga valet beror på faktorer som:

• I/O-antal
• Förpackningsstorlek
• Routingdensitet
• Signalhastighet
• Termiska krav
• Kostnadsmål
• Mekaniska begränsningar
• Produktionsvolym
• Halvledarpaketarkitektur

ABF är särskilt förknippat med avancerade organiska substrat med hög densitet, men andra substratmetoder kan vara mer lämpliga för olika förpackningsklasser.

Det är därför substratvalet bör börja med paketets arkitektur och elektriska krav snarare än att bara välja det mest avancerade tillgängliga materialet.

Överväganden gällande tillförlitlighet hos ABF-substrat

Tillförlitligheten måste utvärderas för hela paketet och kortsystemet.

Termisk cykling

Upprepade temperaturförändringar orsakar mekaniska påfrestningar eftersom olika material expanderar och krymper i olika takt.

Kapselsubstratet, halvledarkapseln, lödfogarna och kretskortet måste därför utvärderas som en kombinerad struktur.

Fukt

Organiska dielektriska material kan interagera med fukt, vilket kan påverka bearbetningsbeteende och tillförlitlighet.

Fukthantering och lagringsförhållanden måste därför kontrolleras i enlighet med materialets och förpackningsprocessens krav.

Microvia-tillförlitlighet

Mikrovia-strukturer måste förbli elektriskt och mekaniskt tillförlitliga under tillverkning och driftsmässig termisk cykling.

Kopparkvalitet, via geometri, plätering, dielektriska gränssnitt och termisk stress, bidrar alla till prestandan.

Tillförlitlighet från paket till kretskort

Även när ABF-substratet i sig fungerar korrekt kan hela enheten fortfarande uppleva fel vid gränssnittet mellan paket och kretskort.

BGA-lödfogar, kretskortsförvrängning, termisk missmatchning, monteringsprofil och mekanisk belastning kan alla påverka fälttillförlitligheten.

För BGA-applikationer kan ingenjörer också granska vår information om BGA-kretskortsmontering och relaterad inspektion och lödfogningsöverväganden.

Hur man utvärderar ett ABF-substratprojekt

Vid utvärdering av ett ABF-relaterat projekt är det bra att dela upp kraven i fyra nivåer.

1. Krav för halvledarkapslingar

• Dö storlek
• I/O-antal
• Paketets mått
• I/O-tonhöjd
• Strömförsörjning
• Krav för höghastighetsgränssnitt
• Paketarkitektur

2. Underlagskrav

• Kärnkonstruktion
• Antal uppbyggnadslager
• Dielektriskt system
• Minsta radavstånd/avstånd
• Microvia-dimensioner
• Mått på dynan
• Koppartjocklek
• Ytbehandling
• Registreringskrav
• Krav för warpage

3. Krav för systemkretskort

• Antal PCB-lager
• stapla
• Materialsystem
• Kontrollerad impedans
• BGA-flyktstrategi
• Via-struktur
• Kopparvikt
• Termiska krav
• Kraftfördelning
• Ytbehandling

4. Monteringskrav

• BGA-komponentspecifikationer
• Lödpasta
• Schablondesign
• Återflödesprofil
• AOI-krav
• Röntgeninspektion
• Elektrisk testning
• Omarbetningskrav
• Spårbarhet

Att separera dessa fyra nivåer gör det lättare att identifiera var ett problem har sitt ursprung.

Ett problem på paketnivå bör inte automatiskt behandlas som ett problem med PCB-tillverkning, och en routningsbegränsning på PCB-nivå bör inte automatiskt tillskrivas ABF-substratet.

ABF-substrat i den avancerade elektroniktillverkningskedjan

ABF-tekniken illustrerar hur halvledarkapsling och kretskortstillverkning blir alltmer sammankopplade.

En modern högpresterande datorplattform kan innefatta flera tillverkningstekniker:

Varje steg har olika tekniska krav, men de elektriska och mekaniska gränssnitten mellan dem måste förbli kompatibla.

För kretskortstillverkare innebär detta att förståelse för halvledarkapsling blir allt värdefullare även när det faktiska produktionsansvaret är fokuserat på systemnivåkortet.

Kretskortskortet är inte längre bara en passiv plattform runt processorn. Det utgör en del av den kompletta elektriska, termiska och mekaniska arkitekturen.

Varför DFM är viktigt för ABF-relaterade PCB-projekt

ABF-baserade kapslar kan skapa extremt täta PCB-gränssnitt.

Att försöka lösa dessa gränssnitt först efter att kretskortslayouten har slutförts kan leda till onödiga omdesigner.

DFM-granskning bör helst påbörjas innan tillverkningen släpps.

Målet är att bibehålla den avsedda elektriska designen samtidigt som det fysiska kortet kan tillverkas konsekvent.

Detta är särskilt viktigt när en design kombinerar avancerade paket med HDI-strukturer, eftersom en teoretiskt routerbar design fortfarande kan vara opraktisk i produktionsskala.

Från ABF-paket till färdig PCBA

Själva ABF-substratet är bara en del av den kompletta produkten.

När ett avancerat paket har anslutits till systemkretskortet fortsätter tillverkningsprocessen genom komponentplacering, lödning, inspektion, testning och eventuellt integration på systemnivå. På kretskortsnivå förblir HDI-montering vid moderkortsgränssnittet en separat tillverkningsuppgift från produktionen av paketsubstratet.

En kompetent tillverkningspartner bör därför förstå sambandet mellan det obehandlade kretskortet och den slutliga monteringen.

För projekt som kräver både tillverkning av kort och komponentmontering kan kretskortsmonteringstjänster hjälpa till att koppla samman tillverknings- och monteringsstegen i en samordnad tillverkningsprocess.

Detta blir särskilt värdefullt för processorkort med hög densitet där tillverkningsspecifikationer för kretskort och monteringsparametrar inte kan beaktas oberoende av varandra.

ABF-substrat: Viktiga slutsatser

ABF-substrattekniken intar en viktig position mellan halvledarkapsling och tillverkning av kretskort på systemnivå.

De viktigaste punkterna är:

• ABF betyder Ajinomoto uppbyggnadsfilm, en organisk dielektrisk teknik som används i stor utsträckning i avancerade paketsubstrat.
• An ABF-paketsubstrat är inte bara ett konventionellt kretskort tillverkat av ett annat laminat.
• Dess primära syfte är att tillhandahålla en mycket tät elektrisk sammankoppling mellan ett halvledarkapsel och det externa systemet.
• Uppbyggnadslager, lasermikrovias, fin kopparfräsning och tät registrering är grundläggande för tekniken.
• ABF-substrat är starkt förknippade med halvledarapplikationer med hög I/O-kapacitet, såsom processorer, acceleratorer, ASIC:er och avancerade nätverksenheter.
• Kapselsubstratet och systemkretskortet måste beaktas tillsammans med avseende på signalintegritet, strömförsörjning, termiskt beteende och tillförlitlighet.
• Högdensitets-PCB-tekniker som HDI blir särskilt viktiga vid gränssnittet mellan paket och kort.
• Tillverkningsmöjligheten bör granskas tidigt eftersom fina geometrier och snäva toleranser kan påverka utbyte och kostnad avsevärt.
• Slutprodukten beror inte bara på substratkvaliteten utan även på tillverkning, montering, inspektion och testning av kretskort.

Vanliga frågor om ABF-substrat