Підкладка ABF: матеріали, виробничий процес, застосування та інтеграція друкованих плат

Для інженерів, які оцінюють передові обчислення, мережеві системи, штучний інтелект, прискорювачі, процесори або інші програми з високим обсягом вводу/виводу, розуміння взаємозв'язку між діелектричними матеріалами ABF, підкладками ІС, міжз'єднаннями корпусів, структурами HDI та друкованими платами системного рівня є важливим.

Що таке субстрат ABF?

ABF розшифровується як Ajinomoto Build-up Film (Нарощувальна плівка Ajinomoto) – технологія діелектричної плівки, розроблена для застосування в упаковці напівпровідників високої щільності.

Підкладка ABF зазвичай складається з серцевини, поєднаної з кількома нарощеними діелектричними та мідними з'єднувальними шарами. У цих нарощених шарах утворюються тонкі мідні доріжки та мікровідкритки для створення щільної траси, необхідної між корпусом напівпровідника та зовнішньою друкованою платою.

Ця конструкція принципово відрізняється від звичайної багатошарової друкованої плати.

Традиційна друкована плата зазвичай оптимізована з урахуванням механічної надійності, технологічності, електричних характеристик, теплових вимог та вартості на рівні системної плати. Підкладка корпусу ABF, для порівняння, повинна вміщувати надзвичайно щільні з'єднання безпосередньо поруч із напівпровідниковим пристроєм.

Таким чином, підкладка діє як електричний та механічний місток між двома дуже різними середовищами:

Ця проміжна роль пояснює, чому технологія ABF тісно пов'язана з технологією підкладок ІС, а не зі звичайним виготовленням друкованих плат.

Чому ABF використовується для вдосконаленого корпусування ІС?

Основна причина важливості ABF полягає в тому, що сучасні напівпровідникові корпуси вимагають щільності міжз'єднань, яку звичайні технології друкованих плат не можуть ефективно забезпечити.

Сучасні процесори, графічні процесори, прискорювачі штучного інтелекту, мережеві пристрої та інші напівпровідникові корпуси з високим обсягом вводу/виводу можуть містити дуже велику кількість електричних з'єднань у відносно невеликій площі корпусу.

Таким чином, підкладка упаковки повинна забезпечувати:

• Тонкопровідна мідна траса
• Висока щільність взаємозв'язків
• Кілька шарів нарощування
• Лазерно сформовані мікровідкритки
• Контрольована товщина діелектрика
• Стабільні електричні властивості
• Надійні інтерфейси мідь-діелектрик
• Контрольована розмірна поведінка
• Сумісність з процесами упаковки напівпровідників

Структури нарощування ABF дозволяють збільшити щільність трасування як вертикально, так і горизонтально.

Замість того, щоб намагатися прокласти кожне з'єднання через звичайну товсту структуру друкованої плати, інженери можуть створити додаткові діелектричні та мідні шари навколо основної підкладки та використовувати мікровідкритті для з'єднання сусідніх шарів.

Такий підхід забезпечує набагато більшу щільність маршрутизації в межах обмеженого розміру корпусу.

Результат особливо цінний для напівпровідникових пристроїв, де щільність вводу/виводу корпусу стала одним з основних обмежень загальної архітектури системи.

Підкладка ABF проти звичайної друкованої плати

Важливо не використовувати терміни друкована плата ABF та підкладка корпусу ABF як взаємозамінні.

Хоча обидва використовують мідні провідники та діелектричні матеріали, їхні конструктивні цілі та вимоги до виробництва відрізняються.

Звичайна друкована плата може з'єднувати процесор, пам'ять, схеми живлення, роз'єми та інші компоненти на відносно великій платі.

Підкладка корпусу ABF виконує іншу функцію: вона забезпечує надзвичайно щільне з'єднання безпосередньо під або навколо корпусу напівпровідника.

Ця відмінність також пояснює, чому ці технології часто з'являються разом у передових електронних системах.

Як працюють нарощувальні конструкції ABF

Спрощену структуру підкладки ABF можна розуміти як послідовність діелектричних та мідних шарів, побудованих навколо осердя.

Концепція виробництва зазвичай включає кілька основних етапів:

Точний технологічний процес залежить від архітектури підкладки, можливостей виробника, правил проектування та вимог до корпусу.

Діелектричне нарощування

Плівка ABF забезпечує ізоляційний шар між струмопровідними мідними структурами.

Діелектрик повинен забезпечувати необхідні електричні характеристики, а також підтримувати виготовлення високоякісних елементів та надійне взаємоз'єднання.

Товщина та властивості кожного діелектричного шару впливають на геометрію трасування, формування переходних отворів, імпедансну поведінку, ємність та механічні характеристики.

Лазерні мікровідкритті

Однією з визначальних особливостей передових підкладок для нарощування є використання лазерно-формованих мікроотвірів.

На відміну від великих звичайних наскрізних отворів, мікровідкритті можуть з'єднувати сусідні шари нарощування, займаючи значно меншу площу.

Це дозволяє маршрутизаційним каналам проходити через густонаселені області пакетів.

Тому геометрія мікровідверстий, розміри посадкових майданчиків, якість мідного покриття та точність вирівнювання мають вирішальне значення для виходу підкладки.

Щодо суміжних технологій друкованих плат, наш посібник зі структур друкованих плат високої щільності з'єднань надає корисну інформацію про те, як мініатюрні вертикальні з'єднання збільшують щільність трасування.

Металізація міді

Після формування діелектрика та лазерного свердління необхідно створити провідні мідні структури.

Залежно від виробничого процесу, для створення необхідної провідної геометрії можна поєднувати формування зародкового шару, хімічне міднення, гальванічне покриття та формування структури.

При великих розмірах підкладок контроль процесу стає дедалі важливішим, оскільки відносно невеликі коливання товщини міді, ширини лінії, інтервалу або суміщення можуть впливати на електричні та виробничі характеристики.

Проблеми виробництва субстрату ABF

Виготовлення підкладок ABF значно складніше, ніж виготовлення традиційних багатошарових друкованих плат.

Складність не спричинена одним окремим процесом. Вона є результатом взаємодії надзвичайно точних геометрій, кількох циклів нарощування, поведінки матеріалу, обробки міді, лазерного свердління, реєстрації, контролю та управління виходом.

Тонколінійне візерункування

Зі зменшенням ширини ліній та проміжків між ними невеликі варіації стають пропорційно більш значними.

Варіація процесу, яка була б незначною на звичайній друкованій платі, може стати неприйнятною, коли геометрія провідника вимірюється в набагато меншому масштабі.

Тому виробникам потрібні суворо контрольовані процеси візуалізації, гальванічного покриття, травлення, реєстрації та контролю.

Реєстрація від рівня до рівня

Кожен додатковий шар нарощування вводить ще одну вимогу до вирівнювання.

Мікровідвід повинен правильно розташовуватися на нижньому мідному елементі, а верхній шаблон трасування також повинен збігатися з навколишньою структурою.

Таким чином, помилки реєстрації можуть накопичуватися протягом усієї послідовності виробництва.

Через надійність

Мікроперехідні отвори повинні підтримувати надійні електричні та механічні з'єднання під час подальшої обробки та експлуатації.

Погане формування перехідних отворів, недостатнє осадження міді, пустоти, тріщини або надмірне напруження можуть сприяти проблемам надійності.

Тому взаємозв'язок між лазерним свердлінням, знебарвленням, утворенням зародка, покриттям та подальшими термічними циклами необхідно ретельно контролювати.

Матеріальна та розмірна стабільність

Підкладки упаковки зазнають термічних та механічних напружень під час виготовлення, складання та експлуатації.

Різниця в коефіцієнті теплового розширення, поведінці вологи, діелектричних властивостях, розподілі міді та конструкції шарів може впливати на розмірну стабільність та надійність корпусу.

З цієї причини вибір матеріалу не можна відокремити від повної структури основи.

Субстрат ABF та технологія HDI

Підкладки ABF та друковані плати HDI мають кілька спільних важливих виробничих концепцій, але їх не слід розглядати як ідентичні технології.

Обидва можуть використовувати:

• Нарощування діелектричних шарів
• Лазерне буріння
• Мікровіаси
• Мідь з тонким покриттям
• Послідовна обробка
• Маршрутизація високої щільності

Однак, підкладка корпусу ABF працює на рівні напівпровідникового корпусу, де вимоги до щільності міжз'єднань та розмірів можуть бути значно суворішими.

Технологія HDI залишається дуже актуальною на стороні системних плат.

Наприклад, високопродуктивна обчислювальна система може містити:

Тому підкладка корпусу та системна друкована плата повинні працювати разом електрично та механічно.

Це одна з причин, чому передовим виробникам друкованих плат дедалі більше потрібен досвід у виготовленні високощільних структур, а не лише у традиційному багатошаровому виготовленні.

Послідовне нарощування особливо важливе під час проектування складних структур HDI. Інженери можуть дізнатися більше про цей підхід у нашій статті про проектування стека друкованих плат HDI.

Електричні характеристики підкладок ABF

Вибір підкладки ABF стосується не лише фізичної щільності трасування.

Електричні характеристики стають дедалі важливішими, оскільки інтерфейси корпусу підтримують вищі швидкості передачі даних та більшу кількість сигналів.

Діелектричні властивості

Діелектрична проникність та характеристики дисипації діелектричної системи впливають на поширення сигналу, ємність, імпеданс та втрати.

Відповідні властивості необхідно оцінювати разом із фактичною структурою упаковки, а не розглядати як окремі показники матеріалу.

Цілісність сигналу

Короткі з'єднання не усувають автоматично проблеми з цілісністю сигналу.

За високих швидкостей передачі даних, доріжки корпусу, перехідні отвори, переходи, опорні площини та з'єднання друкованих плат можуть сприяти:

• Вносяться втрати
• Зворотні втрати
• Перехресні перешкоди
• Роздуми
• скіс
• Розриви імпедансу

Таким чином, підкладка корпусу є частиною повного високошвидкісного каналу.

Після того, як сигнал залишає підкладку корпусу та потрапляє на друковану плату системи, стек друкованих плат та система матеріалів повинні продовжувати підтримувати електричні вимоги.

Для системних застосувань інженери можуть ознайомитися з нашими ресурсами щодо високошвидкісного виробництва друкованих плат та високошвидкісних матеріалів для друкованих плат.

Цілісність живлення

Сучасні процесори та прискорювачі також можуть створювати високі вимоги до енергопостачання.

Підкладка корпусу повинна забезпечувати щільні силові та заземлювальні з'єднання, зберігаючи при цьому прийнятні електричні та теплові характеристики.

Це стає особливо важливим у високопродуктивних обчислювальних системах, де щільність потужності процесора, високошвидкісні інтерфейси, пропускна здатність пам'яті та теплова конструкція тісно взаємопов'язані.

Застосування субстрату ABF

Підкладки ABF в першу чергу пов'язані з передовою упаковкою напівпровідників, де потрібна висока щільність міжз'єднань.

ЦП і графічні процесори

Високопродуктивні процесори вимагають великої кількості з'єднань корпусу та щільної трасування підкладок.

Підкладки корпусів на основі ABF можуть забезпечити тонку структуру взаємозв'язку, необхідну між напівпровідниковим корпусом та зовнішньою системою.

Прискорювачі AI

Апаратне забезпечення для обчислень штучного інтелекту пред'являє значні вимоги до вводу/виводу процесора, інтерфейсів пам'яті, живлення та високошвидкісного зв'язку.

Оскільки архітектури прискорювачів стають складнішими, щільність взаємозв'язків на рівні корпусу стає дедалі важливішою.

Зовнішня друкована плата повинна забезпечити відповідну електричну, механічну, теплову та енергетичну інфраструктуру навколо корпусу.

Мережеве та обладнання для центрів обробки даних

Високошвидкісні комутаційні та мережеві пристрої можуть вимагати щільних з'єднань корпусів разом із вимогливою маршрутизацією на системній платі.

Підкладка корпусу та друкована плата повинні працювати разом, щоб зберегти цілісність сигналу по всьому каналу.

ASIC та користувацькі обчислювальні пристрої

Інтегральні схеми, що спеціалізуються на застосуванні, можуть мати дуже налаштовані вимоги до корпусу.

Архітектура підкладки може потребувати врахування специфічних схем введення/виведення, доменів живлення, високошвидкісних інтерфейсів та механічних обмежень.

Архітектури на основі чіплетів

Чіплетні архітектури висувають додаткові вимоги до взаємоз'єднання корпусів, оскільки кілька напівпровідникових кристалів можуть взаємодіяти через спільну структуру корпусу.

З розвитком архітектур корпусів, підкладка стає дедалі важливішою частиною загальної системи взаємоз'єднань.

Підкладка ABF та корпус BGA

Технологія ABF тісно пов'язана з передовими структурами корпусів, включаючи корпуси типу BGA з високим рівнем вводу/виводу.

Підкладка корпусу розподіляє сигнали від напівпровідникового кристала до зовнішніх клем корпусу, які потім можуть підключатися до системної друкованої плати.

Це створює кілька рівнів взаємозв'язку:

Перехід між цими рівнями має бути ретельно розроблений.

Для інженерів, які працюють з платною частиною цього інтерфейсу, корисним буде розуміння підкладок BGA та структури корпусів .

Після розміщення корпусу BGA на системній платі важливими також стають геометрія паяного з'єднання, конструкція контактних майданчиків, тепловий профіль, розміщення компонентів та перевірка.

Проектування друкованої плати на основі корпусу на основі ABF

Системна друкована плата повинна бути розроблена як доповнення до корпусу, а не розглядати корпус як ізольований компонент.

Розгалуження та евакуаційні маршрути

Пакети з високим обсягом вводу/виводу можуть створювати надзвичайно щільні області маршрутизації виходу.

Розробнику друкованих плат може знадобитися поєднати дрібний крок трасування BGA, структури з перехідними отворами в контактних площадках, мікроперехідні отвори, приховані перехідні отвори та ретельно сплановані розподіли шарів.

Мета полягає не просто в тому, щоб розмістити всі з'єднання на платі. Архітектура трасування також повинна підтримувати технологічність та електричні характеристики.

Вибір стеку

Розташування друкованої плати впливає на:

• Імпеданс сигналу
• Неперервність опорної площини
• Розподіл електроенергії
• Перехресні перешкоди
• Термічна поведінка
• Через архітектуру
• Складність виготовлення

Для високошвидкісних процесорів та мережевих плат перехід від корпусу до друкованої плати слід враховувати під час розробки стекапу.

Постачання електроенергії

Великі процесори та прискорювачі можуть вимагати значної подачі струму через відносно невеликі області корпусу.

Тому друкована плата потребує відповідної структури площини живлення, розподілу міді, розташування переходних отворів, стратегії розв'язки та теплового дизайну.

Виробничі допуски

Дуже складний інтерфейс корпусу може зробити виготовлення друкованих плат більш чутливим до накопичення допусків.

Розміри контактних площадок, реєстрація паяльної маски, розміщення переходних отворів, товщина міді, точність свердління та реєстрація шарів повинні бути звірені з фактичними можливостями виготовлення.

Ретельний аналіз конструкції друкованих плат для виробництва може виявити проблеми технологічності ще до початку виробництва.

Підкладка ABF проти інших технологій підкладок ІС

ABF — не єдиний матеріал чи конструкція, що використовується для напівпровідникових підкладок.

Різні типи упаковки можуть вимагати різних технологій підкладки.

Правильний вибір залежить від таких факторів, як:

• Кількість вводів/виводів
• Розмір упаковки
• Щільність маршрутизації
• Швидкість сигналу
• Теплові вимоги
• Цільова вартість
• Механічні обмеження
• Обсяг виробництва
• Архітектура напівпровідникового корпусу

ABF особливо асоціюється з передовими органічними субстратами високої щільності, але інші підходи до субстратів можуть бути більш доцільними для різних класів упаковок.

Ось чому вибір підкладки слід починати з архітектури корпусу та електричних вимог, а не просто вибирати найсучасніший доступний матеріал.

Міркування щодо надійності субстрату ABF

Надійність необхідно оцінювати для всієї системи корпусу та плати.

Тепловий велосипед

Повторні зміни температури викликають механічні напруження, оскільки різні матеріали розширюються та стискаються з різною швидкістю.

Тому підкладку корпусу, корпус напівпровідника, паяні з'єднання та друковану плату необхідно оцінювати як єдину структуру.

Вологість

Органічні діелектричні матеріали можуть взаємодіяти з вологою, що може вплинути на характеристики обробки та надійність.

Тому умови поводження з вологою та зберігання необхідно контролювати відповідно до вимог до матеріалу та процесу упаковки.

Надійність Microvia

Мікровіатурні конструкції повинні залишатися електрично та механічно надійними під час виробництва та експлуатації під час термоциклування.

Якість міді, її геометрія, покриття, діелектричні межі розділу та термічне напруження – все це впливає на продуктивність.

Надійність від корпусу до друкованої плати

Навіть коли сама підкладка ABF працює належним чином, вся збірка все одно може мати збої на межі між корпусом та друкованою платою.

Паяні з'єднання BGA, деформація друкованих плат, теплова невідповідність, профіль складання та механічне навантаження – все це може впливати на надійність польових умов.

Для застосувань BGA інженери також можуть ознайомитися з нашою інформацією щодо складання друкованих плат BGA та пов'язаних з цим питань перевірки та паяння.

Як оцінити проект субстрату ABF

Під час оцінювання проекту, пов'язаного з ABF, корисно розділити вимоги на чотири рівні.

1. Вимоги до корпусу напівпровідників

• Розмір кристала
• Кількість вводів/виводів
• Розміри упаковки
• крок вводу/виводу
• Вимоги до харчування
• Вимоги до високошвидкісного інтерфейсу
• Архітектура пакета

2. Вимоги до основи

• Конструкція ядра
• Кількість шарів нарощування
• Діелектрична система
• Мінімальний рядок/пробіл
• Розміри мікровідверстий
• Розміри колодки
• Товщина міді
• чистота поверхні
• Реєстраційні вимоги
• Вимоги до деформації

3. Вимоги до системної плати

• Кількість шарів друкованої плати
• Укладання
• Матеріальна система
• Контрольований опір
• Стратегія втечі від BGA
• Через структуру
• Мідна вага
• Теплові вимоги
• Розподіл електроенергії
• чистота поверхні

4. Вимоги до складання

• Специфікації компонентів BGA
• Паяльна паста
• Дизайн трафарету
• Профіль оплавлення
• Вимоги до області інтересів
• Рентгенологічне обстеження
• Електричні випробування
• Вимоги до переробки
• Простежуваність

Розділення цих чотирьох рівнів полегшує визначення джерела проблеми.

Проблему на рівні корпусу не слід автоматично розглядати як проблему виготовлення друкованої плати, а обмеження трасування на рівні друкованої плати не слід автоматично відносити до підкладки ABF.

Субстрат ABF у ланцюжку виробництва передової електроніки

Технологія ABF ілюструє, як виробництво напівпровідникової упаковки та друкованих плат стають дедалі взаємопов'язанішими.

Сучасна високопродуктивна обчислювальна платформа може включати кілька виробничих технологій:

Кожен етап має різні технічні вимоги, але електричні та механічні інтерфейси між ними повинні залишатися сумісними.

Для виробників друкованих плат це означає, що розуміння корпусування напівпровідників стає дедалі ціннішим, навіть коли фактична відповідальність за виробництво зосереджена на платі системного рівня.

Друкована плата більше не є просто пасивною платформою навколо процесора. Вона є частиною повної електричної, теплової та механічної архітектури.

Чому DFM важливий для проектів з друкованими платами, пов'язаних з ABF

Корпуси на основі ABF можуть створювати надзвичайно щільні інтерфейси друкованих плат.

Спроба вирішити ці інтерфейси лише після завершення компонування друкованої плати може призвести до непотрібних переробок.

В ідеалі, перевірку DFM слід розпочати до випуску продукції.

Мета полягає в тому, щоб зберегти заплановану електричну конструкцію, забезпечуючи при цьому стабільне виробництво фізичної плати.

Це особливо важливо, коли конструкція поєднує в собі розширені пакети зі структурами HDI, оскільки теоретично маршрутизована конструкція все ще може бути непрактичною у виробничому масштабі.

Від пакету ABF до готової друкованої плати

Сама підкладка ABF є лише однією частиною готового продукту.

Після того, як удосконалений корпус прикріплено до системної друкованої плати, виробничий процес продовжується шляхом розміщення компонентів, паяння, перевірки, тестування та, можливо, інтеграції на системному рівні. На рівні друкованої плати, складання HDI на інтерфейсі системної плати залишається окремим виробничим завданням від виготовлення підкладки корпусу.

Тому кваліфікований партнер-виробник повинен розуміти взаємозв'язок між голою друкованою платою та кінцевою складальною частиною.

Для проектів, що потребують як виготовлення плат, так і складання компонентів, послуги зі складання друкованих плат можуть допомогти об'єднати етапи виготовлення та складання в рамках скоординованого виробничого процесу.

Це стає особливо цінним для плат процесорів високої щільності, де специфікації виготовлення друкованих плат та параметри складання не можуть розглядатися незалежно.

Субстрат ABF: ключові висновки

Технологія підкладок ABF займає важливе місце між корпусуванням напівпровідників та виробництвом друкованих плат на системному рівні.

Найважливішими моментами є:

• ABF означає плівку для нарощування Ajinomoto., технологія органічного діелектрика, що широко використовується в сучасних підкладках для корпусів.
• An Підкладка корпусу ABF — це не просто звичайна друкована плата, виготовлена ​​з іншого ламінату..
• Його основне призначення — забезпечити дуже щільний електричний зв'язок між напівпровідниковим корпусом та зовнішньою системою.
• Нарощування шарів, лазерні мікровідкритті, тонка мідна траса та щільна реєстрація є основоположними для цієї технології.
• Підкладки ABF тісно пов'язані з напівпровідниковими застосуваннями з високим рівнем вводу/виводу, такими як процесори, прискорювачі, ASIC та передові мережеві пристрої.
• Підкладку корпусу та системну друковану плату необхідно розглядати разом з точки зору цілісності сигналу, подачі живлення, теплових властивостей та надійності.
• Технології друкованих плат високої щільності, такі як HDI, стають особливо важливими на межі між корпусом та платою.
• Можливість виробництва слід переглядати заздалегідь, оскільки точна геометрія та жорсткі допуски можуть суттєво вплинути на вихід продукції та вартість.
• Кінцевий продукт залежить не лише від якості підкладки, але й від виготовлення, складання, перевірки та тестування друкованої плати.

Часті запитання про субстрати ABF