Тенденції в упаковці напівпровідників: від традиційних друкованих плат до вбудованих підкладок

Вступ

Корпусування напівпровідників зазнає фундаментальної трансформації, оскільки вбудовані підкладки для друкованих плат заповнюють розрив між традиційними друкованими платами та передовими корпусами інтегральних схем. Оскільки закон Мура наближається до фізичних меж, галузь змістила акцент зі зменшення розмірів транзисторів на інноваційні архітектури корпусів. Технологія вбудованих підкладок є критичною точкою перегину, де можливості традиційного виробництва друкованих плат сходяться з вимогами до точності напівпровідникового класу.

Ця еволюція зумовлена ​​вимогами гетерогенної інтеграції, де кілька чіплетів — логіка, пам'ять і спеціалізовані процесори — повинні взаємодіяти з мінімальною затримкою та максимальною ефективністю. Розуміння цього технологічного зрушення є важливим для виробників електроніки та розробників, які готуються до застосувань наступного покоління в штучному інтелекті, автомобілебудуванні та високопродуктивних обчисленнях.

Еволюція від друкованої плати до вдосконаленої підкладки для упаковки

Від дискретної до інтегрованої архітектури

Традиційні друковані плати служили пасивними платформами для з'єднань, направляючи сигнали між упакованими мікросхемами, встановленими на їх поверхні. Такий дискретний підхід відділяв процес упаковки мікросхем від складання плати, створюючи притаманні обмеження щодо цілісності сигналу та форм-фактора. Перехід до технології вбудованих друкованих плат на підкладці фундаментально змінює цю парадигму, інтегруючи мікросхеми безпосередньо в шари підкладки, усуваючи втрати на інтерфейсі та забезпечуючи компактні тривимірні архітектури.

Еволюція матеріалів у вбудованій підкладці друкованої плати

Перехід від ламінату FR-4 до вдосконалених смоляних систем є критично важливим фактором для вбудованих підкладок. Звичайний FR-4, хоча й економічно ефективний для традиційних плат, не має розмірної стабільності та діелектричних властивостей, необхідних для дрібнокаліберних напівпровідникових з'єднань. Сучасні конструкції вбудованих підкладок друкованих плат використовують нарощувальну плівку Ajinomoto (ABF), бісмалеїмід-триазинову (BT) смолу та спеціалізовані мідні матеріали з покриттям смолою (RCC), які забезпечують чудовий коефіцієнт теплового розширення, що відповідає кремнію.

Структурне порівняння між поколіннями

У Highleap Electronics ми спостерігаємо, як вимоги клієнтів зміщуються від стандартних плат HDI до вбудованих підкладок пакувального класу, що вимагають контрольованих допусків імпедансу менше 5% та специфікацій площинності поверхні, що вимірюються в однозначних мікрометрах.

Ключові рушійні сили впровадження вбудованих підкладок для друкованих плат

Мініатюризація зустрічається з вибуховим зростанням вводу/виводу

Сучасні системи на кристалах містять мільярди транзисторів, але стикаються з проблемою щільності вводу/виводу, яку не може вирішити звичайне з'єднання проводів. Високопродуктивний процесор мобільних додатків може вимагати понад 1,000 з'єднань на площі менше 100 квадратних міліметрів. Технологія вбудованих друкованих плат на основі підкладки забезпечує таку щільність завдяки шарам перерозподілу з дрібним кроком та з'єднанням типу "площа-матриця", що підтримують крок між з'єднаннями до 40 мікрометрів.

Вимоги до теплових та електричних характеристик

Високопродуктивні обчислення та прискорювачі штучного інтелекту розсіюють щільність потужності, що перевищує 500 Вт, у компактних корпусах. Традиційні підходи до упаковки створюють теплові вузькі місця та погіршують цілісність сигналу, що обмежує продуктивність. Вбудовані підкладки вирішують обидві проблеми одночасно:

• Мінімальна затримка сигналу – Відстані між чіпами та з’єднаннями, що вимірюються в мікрометрах, забезпечують швидкість передачі даних у кілька гігагерц.
• Чудове теплове зчеплення – Безпосереднє розташування поруч із тепловими площинами зменшує опір між переходом і корпусом на 30–50%
• Менший паразитарний вплив – Зменшена ємність та індуктивність мінімізують відбиття сигналу та перехресні перешкоди

Вимоги гетерогенної інтеграції

Напівпровідникова промисловість отримала архітектуру чіплетів, де спеціалізовані кристали об'єднані в одному корпусі. Такий підхід «система в корпусі» вимагає вбудованої друкованої плати-підкладки, яка функціонує як активна з'єднувальна структура, прокладаючи тисячі високошвидкісних диференціальних пар, забезпечуючи при цьому чистий розподіл живлення. Автомобільні застосування є прикладом цієї тенденції, інтегруючи процесори об'єднання датчиків, прискорювачі штучного інтелекту та критично важливі для безпеки контролери в уніфікованих корпусах.

Конвергенція ланцюгів поставок

Виробники друкованих плат історично працювали окремо від компаній, що займаються упаковкою напівпровідників, але динаміка ринку зараз сприяє вертикальній інтеграції. Провідні виробники друкованих плат, включаючи Highleap Electronics, розширюють можливості для задоволення вимог до рівня упаковки, тоді як традиційні постачальники OSAT впроваджують методи на рівні плат. Ця конвергенція створює можливості для виробників, які можуть поєднати обидві сфери, пропонуючи оптимізовані ланцюги поставок та скорочений час виведення на ринок.

Зростання технології вбудованих друкованих плат

Визначення архітектури вбудованої підкладки

Технологія вбудованих підкладок для друкованих плат інтегрує напівпровідникові кристали в основні шари багатошарової структури, а не монтує їх на поверхні. Сама підкладка стає частиною корпусу, а чіп знаходиться в прецизійному резонаторі або повністю інкапсульований в діелектричних шарах. Така архітектура дозволяє створювати тонші корпуси, покращувати теплове зчеплення та захищати делікатні поверхні кристалів під час подальших операцій складання.

Основні технічні елементи

1. Процес вбудовування чіпа

Процес вбудовування починається з прецизійного формування порожнини в матеріалах серцевини, що досягається за допомогою лазерної абляції або фрезерування на верстаті з ЧПК з допусками менше 25 мікрометрів. Чипи проходять операції "захоплення та розміщення" за допомогою спеціалізованого обладнання, здатного розміщувати їх з точністю до субмікрометра. У Highleap Electronics наш процес вбудовування включає системи машинного зору в режимі реального часу та зворотний зв'язок по зусиллю, щоб забезпечити послідовне розміщення чіпів у всіх обсягах виробництва.

2. Формування лазерних мікропрозорих отворів

Конструкції друкованих плат на вбудованих підкладках значною мірою покладаються на лазерно-перфоровані мікровідкритті для встановлення з'єднань між вбудованими мікросхемами та зовнішніми шарами трасування. Системи з CO2- або УФ-лазером створюють отвори діаметром від 25 до 75 мікрометрів, зі співвідношенням сторін, яке зазвичай обмежується 1:1 для надійного міднення. Багатошарові та шахові конфігурації мікровідкриттів створюють тривимірні мережі взаємозв'язків, що дозволяє уникнути трасування з контактних майданчиків мікросхем з дрібним кроком.

3. Архітектура рівня перерозподілу

Структури RDL на вбудованих підкладках функціонують аналогічно упаковці на рівні пластин, використовуючи фотолітографію тонких ліній для створення шаблонів трасування з шириною ліній та відстанню між ними менше 10 мікрометрів. Кілька шарів RDL створюють складні мережі взаємозв'язків, часто використовуючи напівадитивні процеси (SAP) або модифіковані напівадитивні процеси (mSAP) для контролю розмірів.

Переваги продуктивності вбудованої друкованої плати-підкладки

Підхід до друкованої плати з вбудованою підкладкою забезпечує вимірні покращення продуктивності за кількома напрямками:

• Покращення цілісності сигналу – Затримки поширення зменшуються у 5–10 разів порівняно з альтернативами поверхневого монтажу
• Теплові показники – Термічний опір між з’єднанням та навколишнім середовищем падає на 30–50% завдяки інтеграції прямого теплового шляху
• Зменшення форм-фактора – Товщина корпусу зменшується на 40% або більше для мобільних пристроїв та пристроїв, що носяться
• Механічна надійність – Вбудовані мікросхеми запобігають вигину на рівні плати та тепловому удару

Нові архітектури упаковки з використанням вбудованих підкладок

2.5D інтеграція з кремнієвими інтерпозерами

2.5D-корпус розміщує кілька мікросхем поруч на кремнієвому інтерпозері, що містить дрібний крок трасування та наскрізні кремнієві переходні отвори. Інтерпозер монтується на друковану плату вбудованої підкладки, яка забезпечує подачу живлення, розгалуження сигналу до зовнішніх з'єднань та управління температурою. Цей гібридний підхід поєднує можливості кремнію з надвисокою щільністю трасування з економічно ефективною площею та кількістю шарів органічних вбудованих підкладок.

3D-стекування за допомогою технології TSV

Справжнє 3D-корпусування ІС вертикально укладає кілька активних кристалів з прямими з'єднаннями TSV, що проходять крізь кремнієві підкладки. Вбудована друкована плата підкладки в 3D-конфігураціях служить основою корпусу, керуючи подачею живлення на всі укладені рівні та маршрутизуючи сигнали, що виходять з вертикального стеку. Термічні проблеми посилюються в 3D-структурах, що спонукає до проектування підкладок, що включають теплові переходи, розподільники тепла або вбудовані канали охолодження.

Еволюція розгалуженої упаковки

Розгалужена упаковка на рівні пластини (FOWLP) виключає традиційні підкладки, будуючи структури RDL безпосередньо на відновлених пластинах або великих панелях. Однак, оскільки розгалужені корпуси масштабуються до більших розмірів та вищої складності, вони все більше нагадують вбудовані друковані плати на підкладці за структурою та вимогами до виробництва. Вдосконалені конструкції розгалужених корпусів включають кілька шарів RDL та вбудовані пасивні елементи, що розмиває межу між підходами.

Вбудована друкована плата-підкладка як технологія мосту

Технологія вбудованих підкладок займає критичне положення між традиційним розгалужувальним корпусуванням та традиційними органічними підкладками. Вона забезпечує можливості тонкої трасування та вбудовування, що наближаються до продуктивності розгалужувального корпусування, зберігаючи при цьому механічну стійкість, гнучкість кількості шарів та можливості керування температурою корпусів на основі підкладок. Для застосувань, що вимагають великих розмірів кристалів, кількох гетерогенних мікросхем або інтеграції дискретних компонентів, вбудовані підкладки пропонують оптимальне співвідношення ціни та якості.

Матеріальні та виробничі проблеми у вбудованих підкладках друкованих плат

Удосконалені системи смол для фрезерування з дрібним кроком

Досягнення ширини ліній та інтервалів між ними менше 10 мікрометрів у виробництві вбудованих підкладок для друкованих плат вимагає матеріалів з винятковою розмірною стабільністю та низькою шорсткістю поверхні. ABF залишається галузевим стандартом для багатьох застосувань, пропонуючи чудові характеристики лазерного свердління та надійну адгезію до мідної фольги. Новітні смоли з низькою діелектричною постійною (низький Dk) та низьким коефіцієнтом дисипації (низький Df) відповідають вимогам цілісності сигналу на частотах понад 50 ГГц, зі значеннями Dk нижче 3.0 та Df нижче 0.005.

Контроль процесу ширини та інтервалів між рядками

Підтримка рівномірності ширини та інтервалу ліній 10 мікрометрів на виробничих панелях вимагає точного контролю процесів фотолітографії та міднення. Напівадитивні та модифіковані напівадитивні процеси замінюють традиційне субтрактивне травлення, використовуючи тонкі шари мідного зародка та гальванічне покриття для нарощування провідників з мінімальним підрізанням. У Highleap Electronics ми використовуємо автоматизовані системи оптичного контролю з роздільною здатністю субмікрометра для перевірки відповідності розмірів протягом усього виробництва.

Терморегулюючі матеріали у вбудованих підкладках

Конструкції друкованих плат на вбудованій підкладці з високою потужністю інтегрують спеціалізовані функції терморегуляції:

• Інтеграція мідних монет – Теплорозподільники від 0.3 до 3 міліметрів забезпечують прямі теплові шляхи від мікросхем до зовнішніх радіаторів
• Заповнені термоперехідні отвори – Перехідні отвори з високим співвідношенням сторін та мідною пастою забезпечують ефективну передачу тепла через шари підкладки
• Ядра, що відповідають CTE – Композитні матеріали мінімізують деформацію, а невідповідність коефіцієнтів теплового розтягування (CTE) підтримується нижче 5 ppm/°C

Вимоги виробника друкованих плат до адаптації

Традиційні виробники друкованих плат, що виходять на ринок вбудованих підкладок, стикаються зі значними прогалинами у технологічних можливостях. Системи лазерного свердління повинні досягати розмірів плям та точності позиціонування на порядок кращих, ніж стандартне виробництво HDI. Процеси покриття вимагають точного контролю щільності струму для досягнення рівномірного розподілу міді в мікровідверстиях зі співвідношенням сторін, що наближається до 1:1. Специфікації планарності на рівні панелі звужуються від типової площинності 50 мікрометрів до вимог до однозначного мікрометра для складання з дрібним кроком.

Перспективи на майбутнє: конвергенція друкованих плат на основі вбудованих підкладок

Розчинення меж галузі

Межа між виготовленням друкованих плат (друкованих плат) та упаковкою напівпровідників продовжує розмиватися в міру розвитку технології вбудованих підкладок для друкованих плат. Провідні виробники розробляють дорожні карти щодо упаковки на рівні панелей, яка застосовує літографію та методи осадження в напівпровідниковому стилі до підкладок великої площі, що потенційно може знизити витрати на упаковку на 40–60%. Архітектури RDL-на-підкладці поєднують кількість та площу шарів органічної підкладки з шарами перерозподілу з надтонким кроком.

Штучний інтелект та прискорення розвитку автомобільного ринку

Штучний інтелект та автомобільні додатки прискорюють впровадження вбудованих друкованих плат завдяки унікальним вимогам до продуктивності та надійності. Системи навчання ШІ вимагають максимальної пропускної здатності пам'яті та мінімальної затримки, чого можна досягти лише завдяки вдосконаленому корпусу з вбудованими кристалами та надкороткими з'єднаннями. Автомобільна електроніка вимагає виняткової надійності в розширених температурних діапазонах, водночас дотримуючись суворих цільових показників вартості, які традиційні керамічні корпуси не можуть задовольнити.

Стратегічне позиціонування для зростання

У міру розвитку цієї конвергенції виробники електроніки, які освоюють можливості вбудованих друкованих плат на підкладках, отримають зростаючу цінність у ланцюжку поставок. Ця технологія являє собою не просто поступове вдосконалення, а фундаментальну реструктуризацію того, як електронні системи інтегрують напівпровідникові, пасивні та з'єднувальні функції. Компанії, які успішно поєднують масштаби виробництва друкованих плат з точністю на рівні упаковки, визначатимуть наступне покоління можливостей електронних продуктів.