Технологія друкованих плат HDI: створення передових рішень для упаковки напівпровідників

Вступ: Еволюція до міжмережевих з'єднань з вищою щільністю

Сучасне корпусування напівпровідників вимагає дедалі складніших рішень для міжз'єднань. Зі зменшенням геометрії кристалів та збільшенням кількості вводів/виводів, традиційні друковані плати не можуть належним чином підтримувати передові архітектури корпусування, такі як системне корпусування (SiP), корпуси масштабу кристала (CSP) та корпусування на рівні пластини з розгалуженням (FOWLP).

Технологія друкованих плат HDI усуває цю прогалину, забезпечуючи меншу ширину ліній, менші структури переходів та вищу щільність трасування, порівняно з підкладками корпусів. У цій статті розглядається, як технології HDI та підкладкоподібних друкованих плат (SLP) поєднують традиційне виробництво друкованих плат та виготовлення підкладок інтегральних схем, зокрема для носіїв корпусів, шарів перерозподілу та з'єднань на рівні кристалів.

Визначення технологій друкованих плат HDI, SLP та підкладок для інтегральних схем

Основи високощільних міжз'єднувальних друкованих плат

У друкованій платі HDI використовуються мікровідкритті, сформовані за допомогою лазерного свердління, послідовне нарощування шарів, сліпі та закопані відкритті, а також конфігурації «відкритті в контактній площадкі». Ці плати зазвичай мають ширину ліній та інтервали між ними від 75/75 мкм до 40/40 мкм, з діаметром мікровідкриттів від 100 до 150 мкм. Процес нарощування послідовно додає тонкі діелектричні та мідні шари, що дозволяє виконувати складну трасування в компактних форм-факторах, необхідних для мобільних пристроїв та високопродуктивних обчислювальних застосувань.

Друкована плата, подібна до підкладки: поєднання двох світів

Друкована плата на основі підложки (SLP) займає простір проектування між вдосконаленими підложками HDI та справжніми підложками для корпусів ІС. SLP підтримує процеси виробництва друкованих плат на рівні панелі, досягаючи геометрії ліній/простору, що наближається до 20/35 мкм, завдяки напівадитивним процесам (SAP). Такий підхід забезпечує щільність підложки за нижчими витратами, ніж традиційні підложки ІС, що робить його привабливим для застосувань, що вимагають високої щільності з'єднань без повних інвестицій на рівні підложки.

Порівняльне позиціонування технологій друкованих плат HDI

Позиціонування між цими технологіями відображає різні виробничі можливості та структуру витрат:

• HDI PCB – Підходить для елементів розміром 50-100 мкм з використанням звичайних матеріалів та процесів друкованих плат
• Друкована плата типу "підкладка" – Досягає геометрії 20-35 мкм завдяки модифікованій обробці SAP на панельному обладнанні
• Підкладки для корпусів ІС – Забезпечує характеристики з точністю менше 20 мкм завдяки спеціалізованим матеріалам BT/ABF, але вимагає значних капіталовкладень

SLP пропонує проміжне рішення, використовуючи модифіковане обладнання для друкованих плат, щоб наблизитися до продуктивності підкладки, зберігаючи при цьому економічність друкованих плат завдяки обробці панелей.

Структура та технології обробки друкованих плат HDI

Варіанти архітектури забудови

Сучасні структури друкованих плат HDI використовують кілька конфігурацій залежно від вимог до щільності. Багатошарові мікровідверстия створюють вертикальні з'єднання через кілька шарів нарощування, мінімізуючи відстань трасування для високошвидкісних сигналів. Шахматні конструкції мікровідверстий розподіляють механічне навантаження та підвищують надійність при термоциклуванні, тоді як заглиблені в основний шар дозволяють створювати складні топології трасування.

Формування лазерних мікровідверстий у друкованій платі HDI

Лазерне свердління за допомогою CO₂ або УФ-лазерів створює мікровідкритті контрольованої глибини діаметром від 75 до 100 мкм. Процес абляції передбачає видалення діелектричного матеріалу, щоб оголити мідні контактні площадки, що знаходяться під ними, які потім знебарвлюються та металізуються шляхом хімічного осадження міді з подальшим нанесенням малюнка. Параметри лазера, включаючи енергію імпульсу, частоту та фокус, повинні точно контролюватися, щоб запобігти пошкодженню підкладки, забезпечуючи водночас чисте формування отворів.

Напівадитивні та повністюадитивні процеси

Напівадитивні процеси дозволяють формувати надтонкі лінії в SLP-застосуваннях шляхом нанесення тонких шарів мідного зародка, фоторезисту та покриття провідниками перед видаленням надлишку мідного зародка. Цей підхід дозволяє досягти ширини ліній 20-30 мкм порівняно з 75-100 мкм, типовими для субтрактивного травлення. Модифіковані процеси SAP (mSAP) ще більше вдосконалюють цю можливість, наближаючись до геометрій на рівні підкладки, зберігаючи при цьому сумісність зі стандартними матеріалами для друкованих плат.

Системи матеріалів для передових застосувань HDI

Для високопродуктивних застосувань на друкованих платах з високою щільністю склування (HDI) потрібні матеріали з контрольованим коефіцієнтом теплового розширення (КТР), низькою діелектричною проникністю та високою температурою склування (Tg). Модифіковані формули FR-4 з Tg вище 170°C забезпечують достатню продуктивність для побутової електроніки, тоді як поліімідні плівки пропонують чудову термостабільність для жорстко-гнучких конструкцій. Матеріали BT та ABF дозволяють конструкціям SLP досягати теплових та електричних властивостей, що наближаються до властивостей підкладок корпусів.

Міркування щодо проектування друкованих плат HDI для успішного виробництва

Геометричні характеристики та електричні характеристики

Правила проектування для друкованих плат HDI повинні враховувати досяжну ширину та інтервал між лініями відносно ваги міді та можливостей процесу. Конструкції, орієнтовані на геометрію 40/40 мкм, вимагають півунції міді з жорстким контролем травлення, тоді як конструкції SLP, що наближаються до 25/25 мкм, вимагають обробки SAP.

Контроль імпедансу стає дедалі важливішим зі зменшенням розмірів трас, що вимагає точного контролю товщини діелектрика та управління профілем міді. Диференціальна парна трасування повинна враховувати щільніший зв'язок та підвищену схильність до перехресних перешкод у сусідніх шарах зі збільшенням щільності трасування.

Теплова та механічна надійність

Розподіл міді суттєво впливає на деформацію плати в структурах HDI через невідповідність коефіцієнта теплової розриву (CTE) між матеріалами. Стратегії проектування для забезпечення надійності включають:

• Симетричне балансування міді – Розподіляє вагу міді по центральній лінії плати, щоб мінімізувати деформацію
• Розташовано поетапно за допомогою візерунків – Зменшує концентрацію напружень та покращує механічну цілісність
• Термодоріжки всередині контактної площадки – Забезпечує прямий потік тепла від компонентів до внутрішніх силових панелей
• Мікровідкритки, заповнені міддю – Забезпечує багаторазові цикли оплавлення без деградації перехідних отворів у BGA-пристроях

Обмеження обробки на рівні панелі

Виготовлення панелей дозволяє економічно ефективне виробництво друкованих плат HDI, але створює проблеми однорідності, яких немає у виробництві підкладок. Точність лазерного свердління варіюється залежно від площі панелі, що вимагає статистичного контролю процесу та калібрування позиціонування. Розподіл товщини мідного покриття по великих панелях впливає на узгодженість імпедансу, що вимагає ретельного проектування, яке розміщує критичні елементи для мінімізації ефектів крайових поверхонь.

Відповідність вимогам до корпусування напівпровідників за допомогою друкованої плати HDI

Розширена інтеграція пакетів

Технологія друкованих плат HDI слугує платформою для гетерогенної інтеграції в передові архітектури корпусів. У корпусах на рівні панелей з розгалуженням, плати HDI забезпечують підкладку шару перерозподілу з дрібним кроком трасування, що з'єднує кристали з міжз'єднаннями на рівні корпусу.

Для 2.5D інтеграції високощільні інтерпозери, побудовані за технологією SLP, пропонують економічні переваги порівняно з кремнієвими інтерпозерами для застосувань, що допускають помірну щільність сигналу. Модульні підкладки, що містять кілька кристалів, пасивні компоненти та екрануючі структури, покладаються на можливості HDI для досягнення необхідної щільності вводу/виводу в компактних розмірах.

Мобільні та портативні додатки

Материнські плати смартфонів відповідають вимогам щодо щільності друкованих плат HDI, зазвичай маючи 8-12 шарів нарощування з геометрією ліній/простору 50/50 мкм, що підтримує крок компонентів до 0.35 мм. Структури HDI з будь-яким шаром дозволяють довільне розміщення переходних отворів, максимізуючи ефективність трасування в конструкціях з обмеженим простором. Жорстко-гнучкі конструкції HDI інтегрують гнучкі з'єднання в структури нарощування, усуваючи роз'єми та зменшуючи товщину збірки для носимих пристроїв та складних смартфонів.

Забезпечення якості та валідація процесу для друкованих плат HDI

Методології критичної перевірки

Контроль якості для виробництва друкованих плат HDI використовує кілька методів перевірки на різних етапах процесу:

• Автоматизований оптичний контроль (AOI) – Перевіряє цілісність малюнка провідника за допомогою точності суміщення та якості обробки поверхні
• Рентгенологічне обстеження – Виявляє якість формування внутрішніх віапрохідних отворів, включаючи безперервність стовбура та потенційне утворення пустот
• Перехресний аналіз – Перевіряє реєстрацію шарів, товщину діелектрика, однорідність мідного покриття та якість формування перехідних отворів

Ці методи встановлюють базові рівні технологічних можливостей, необхідні для надійного серійного виробництва складних конструкцій HDI.

Електричні випробування та випробування надійності

Чотириточкові вимірювання опору підтверджують безперервність ланцюга перехідного отвору та опір провідника в межах специфікацій. Рефлектометрія в часовій області (TDR) перевіряє профілі імпедансу вздовж критичних сигнальних шляхів, виявляючи розриви, спричинені переходами перехідних отворів або змінами геометрії.

Термоциклічне нагрівання від -55°C до 125°C протягом 500-1000 циклів створює напруження міжз'єднань, виявляючи приховані дефекти адгезії циліндра відсіку або інтерфейсів між контактними площадками та відсіками. Високоприскорені стрес-тести (HAST) за підвищеної температури та вологості виявляють схильність до утворення провідних анодних ниток (CAF) у геометріях з дрібним кроком.

Структура витрат та фактори ланцюга поставок

Економічне позиціонування рішень HDI PCB

Друковані плати на основі підложки досягають зниження вартості на 30-50% порівняно з традиційними підложками для інтегральних схем завдяки використанню обробки панелей, стандартних матеріалів для друкованих плат та існуючої виробничої інфраструктури з цілеспрямованою модернізацією обладнання. Однак витрати на SLP перевищують витрати на звичайні HDI на 20-40% через спеціалізовані вимоги до лазерного свердління, обробку SAP та суворіший контроль процесу. Масове виробництво амортизує капітальні інвестиції в усі кількості панелей, що робить HDI та SLP економічно привабливими для застосувань, що потребують від тисяч до мільйонів одиниць щорічно.

Вимоги до виробничих потужностей

Виробництво вдосконалених друкованих плат HDI вимагає систем лазерного свердління з точним контролем глибини та точністю позиціонування, можливостей надтонкого травлення ліній або SAP, а також автоматизованих систем оптичного контролю, здатних виявляти дефекти розміром менше 50 мкм. До факторів, що впливають на ланцюг поставок, належать наявність відповідних діелектричних матеріалів, тонких мідних фольг товщиною менше 12 мкм та спеціалізованих обробок поверхні, сумісних з дрібним кроком складання. Терміни виконання зазвичай становлять від 2 до 4 тижнів для друкованих плат HDI порівняно з 6-10 тижнями для підкладок для корпусів.

Майбутня траєкторія технології друкованих плат HDI

Межа між технологіями підкладок друкованих плат та інтегральних схем продовжує розмиватися, оскільки виробничі можливості зближуються. Напівадітивні процеси поширюються на виробництво елементів розміром менше 20 мкм на рівні панелей, кидаючи виклик традиційній області виробництва підкладок. Підкладки зі скляним сердечником, що з'являються для високопродуктивних обчислювальних застосувань, використовують обробку панелей у стилі друкованих плат, забезпечуючи при цьому електричні характеристики та розмірну стабільність рівня підкладки.

Удосконалена друкована плата HDI, що включає вбудовані кристали, пасивні компоненти та активні пристрої в шарах нарощування, являє собою наступний рубіж, перетворюючи друковані плати з пасивних платформ з'єднань на активні засоби системної інтеграції. Оскільки корпусування напівпровідників розвивається в напрямку чіплетних архітектур та гетерогенної інтеграції, технології HDI та SLP відіграватимуть дедалі більшу ключову роль у забезпеченні економічно ефективних, високопродуктивних рішень для з'єднань.

Висновок

Технологія друкованих плат HDI еволюціонувала від спеціалізованої можливості до загального рішення для передової упаковки напівпровідників та електронних систем високої щільності. Конвергенція процесів виробництва друкованих плат та підкладок через підходи, подібні до підкладок, надає розробникам гнучкі варіанти, що охоплюють континуум від традиційного HDI до рівнів продуктивності, близьких до підкладок. Оскільки ширина ліній продовжує скорочуватися, а архітектури упаковок стають складнішими, друковані плати HDI залишатимуться важливими для економічно ефективного впровадження електронних продуктів наступного покоління.

Highleap Electronics: Ваш партнер для передового виробництва друкованих плат HDI

Highleap Electronics пропонує комплексні рішення для друкованих плат та складання HDI, адаптовані для застосування в корпусуванні напівпровідників:

• Розширені можливості HDI – Лазерне свердління мікровідверстий, обробка наплавлених шарів та будь-які шари HDI-структур, що підтримують геометрію до 30/30 мкм
• Експертиза з друкованих плат, подібних до субстратів – Впровадження напівадитивного процесу для формування надтонких ліній, що наближаються до щільності підкладки
• Комплексні послуги з монтажу – Розміщення BGA з дрібним кроком, вбудовування компонентів та жорстко-гнучка збірка в одному корпусі
• Гарантія якості – Повні протоколи інспекції, включаючи AOI, рентгенівський аналіз, поперечний аналіз та випробування на надійність
• Підтримка дизайну – DFM-аналіз та оптимізація стеку для забезпечення технологічності та продуктивності

Зверніться до нашої інженерної команди , щоб обговорити, як наші можливості з виробництва друкованих плат HDI можуть пришвидшити розробку вашої продукції та оптимізувати ваш ланцюг поставок для передових застосувань упаковки.