ABF基板：材料、制造工艺、应用和PCB集成

对于评估先进计算、网络、人工智能、加速器、处理器或其他高 I/O 应用的工程师来说，了解ABF 介电材料、IC 基板、封装互连、HDI 结构和系统级 PCB之间的关系至关重要。

什么是ABF基质？

ABF 代表味之素增材膜，是一种为高密度半导体封装应用而开发的介电薄膜技术。

ABF基板通常由核心结构和多层增厚介质层及铜互连层组成。在这些增厚层内形成精细的铜线和微孔，以实现半导体封装与外部PCB之间所需的高密度布线。

这种结构与传统的多层PCB有着本质的不同。

传统的PCB通常在系统板层面上围绕机械强度、可制造性、电气性能、散热要求和成本进行优化。相比之下，ABF封装基板必须容纳紧邻半导体器件的极其密集的互连。

因此，基底起到了连接两种截然不同的环境的电气和机械桥梁的作用：

正是由于这种中间角色，ABF 技术才与IC 基板技术密切相关，而不是与普通的 PCB 制造相关。

为什么先进集成电路封装采用ABF？

ABF之所以重要，主要原因是先进的半导体封装需要互连密度，而传统的PCB技术无法有效地提供这种密度。

现代处理器、GPU、AI加速器、网络设备和其他高I/O半导体封装可以在相对较小的封装面积内包含大量的电气连接。

因此，封装基板必须具备以下特性：

• 细线铜缆布线
• 高互连密度
• 多层堆积层
• 激光成形微孔
• 可控介电层厚度
• 稳定的电性能
• 可靠的铜-介质界面
• 受控维度行为
• 与半导体封装工艺的兼容性

ABF 构建结构可以提高垂直和水平方向的布线密度。

工程师们不必再像以前那样，试图通过传统的厚 PCB 结构来布线，而是可以在核心基板周围构建额外的介电层和铜层，并使用微孔连接相邻层。

这种方法可以在有限的封装尺寸内实现更高的布线密度。

该结果对于半导体器件尤其有价值，因为封装 I/O 密度已成为整体系统架构的主要限制因素之一。

ABF基板与传统PCB的比较

请勿将ABF PCB和ABF 封装基板这两个术语混用。

虽然两者都使用铜导体和介电材料，但它们的设计目标和制造要求却不同。

传统的PCB可以将处理器、内存、电源电路、连接器和其他组件连接到一块相对较大的电路板上。

ABF 封装基板执行不同的任务：它在半导体封装的正下方或周围提供极其密集的互连。

这种区别也解释了为什么这些技术经常在先进的电子系统中同时出现。

ABF 构建结构的工作原理

简化的 ABF 基板结构可以理解为围绕核心构建的一系列介电层和铜层。

制造过程通常包括以下几个主要阶段：

具体工艺流程因基板结构、制造商能力、设计规则和封装要求而异。

介电质积累

ABF薄膜在导电铜结构之间提供绝缘层。

介电材料必须提供所需的电气特性，同时还要支持精细特征的制造和可靠的互连。

每个介电层的厚度和特性都会影响布线几何形状、过孔形成、阻抗特性、电容和机械特性。

激光微孔

先进堆积基板的一个显著特点是使用激光成型的微孔。

与大型传统通孔不同，微孔可以在占用面积小得多的情况下连接相邻的堆积层。

这样一来，路由通道就可以穿过人口密集的包裹区域。

因此，微孔几何形状、着陆垫尺寸、镀铜质量和对准精度对基板良率至关重要。

对于相关的 PCB 技术，我们的高密度互连 PCB 结构指南提供了有关微型垂直互连如何提高布线密度的有用背景信息。

铜金属化

介电层形成和激光钻孔之后，必须形成导电铜结构。

根据制造工艺的不同，可以将籽晶层形成、化学镀铜、电镀和图案化工艺结合起来，以生产所需的导电几何形状。

在先进的基板尺寸下，工艺控制变得越来越重要，因为铜厚度、线宽、间距或对准的相对较小的变化都会影响电气和制造性能。

ABF基板制造挑战

ABF基板制造比传统的多层PCB制造要求要高得多。

困难并非由单一工艺造成，而是由极其精细的几何形状、多次堆积循环、材料特性、铜加工、激光钻孔、对准、检测和良率管理等诸多因素相互作用导致的。

精细线条图案

随着线宽和线间距的减小，微小的变化会变得更加显著。

在传统 PCB 上微不足道的工艺偏差，在导体几何形状的测量尺度要小得多时，可能变得不可接受。

因此，制造商需要严格控制成像、电镀、蚀刻、套准和检验流程。

层到层配准

每增加一层堆积层，就会增加一个新的对齐要求。

微孔必须正确落在下方的铜结构上，同时上层布线图案也必须与周围结构对齐。

因此，配准误差会在整个制造过程中不断累积。

通孔可靠性

微孔必须在后续加工和操作过程中保持可靠的电气和机械连接。

通孔形成不良、铜沉积不足、空隙、裂纹或过大应力都可能导致可靠性问题。

因此，必须仔细控制激光钻孔、去污、晶种形成、电镀和后续热循环之间的关系。

材料和尺寸稳定性

封装基板在制造、组装和运行过程中会承受热应力和机械应力。

热膨胀系数、湿度特性、介电特性、铜分布和层结构等方面的差异会影响尺寸稳定性和封装可靠性。

因此，材料的选择不能脱离整个基板结构而独立进行。

ABF 基板和 HDI 技术

ABF基板和HDI PCB有一些重要的制造理念，但它们不应被视为相同的技术。

两者都可以使用：

• 构建介电层
• 激光钻孔
• 微孔
• 细线铜
• 顺序处理
• 高密度布线

然而，ABF 封装基板是在半导体封装级别运行的，其互连密度和尺寸要求可能要高得多。

HDI技术在系统主板方面仍然具有很高的重要性。

例如，一套高端计算系统可能包含：

因此，封装基板和系统PCB需要在电气和机械方面协同工作。

这也是为什么先进的PCB制造商越来越需要高密度结构方面的专业知识，而不仅仅是传统的多层制造技术的原因之一。

在设计复杂的HDI结构时，顺序构建尤为重要。工程师可以在我们关于HDI PCB叠层设计的文章中了解更多关于这种方法的信息。

ABF基板的电性能

ABF基板的选择不仅仅取决于物理布线密度。

随着封装接口支持更高的数据速率和更大的信号数量，电气性能变得越来越重要。

介电特性

介电系统的介电常数和损耗特性会影响信号传播、电容、阻抗和损耗。

相关属性必须与实际封装结构一起评估，而不是作为孤立的材料编号来处理。

信号完整性

短距离互连并不能自动消除信号完整性问题。

在高数据速率下，封装走线、过孔、过渡区、参考平面和PCB连接都可能导致：

• 插入损耗
• 回波损耗
• 相声
• 思考
• 歪斜
• 阻抗不连续性

因此，封装基板构成了完整的高速通道的一部分。

一旦信号离开封装基板并进入系统PCB，PCB叠层和材料系统必须继续满足电气要求。

对于系统级应用，工程师可以查看我们关于高速PCB制造和高速PCB材料的资源。

电源完整性

先进的处理器和加速器也会对供电提出更高的要求。

封装基板必须能够容纳密集的电源和接地连接，同时保持可接受的电气和热性能。

这在高性能计算系统中尤为重要，因为处理器功率密度、高速接口、内存带宽和散热设计密切相关。

ABF基材应用

ABF基板主要与需要高互连密度的先进半导体封装相关。

CPU 和 GPU

高性能处理器需要大量的封装连接和密集的基板布线。

基于 ABF 的封装基板可以提供半导体封装与外部系统之间所需的精细互连结构。

人工智能加速器

人工智能计算硬件对处理器 I/O、内存接口、电源供应和高速通信提出了很高的要求。

随着加速器架构变得越来越复杂，封装级互连密度变得越来越重要。

外部PCB必须为封装提供适当的电气、机械、热学和电源基础设施。

网络和数据中心硬件

高速交换和网络设备可能需要密集的封装互连以及要求严格的系统板布线。

封装基板和PCB必须协同工作，以保持整个通道的信号完整性。

专用集成电路和定制计算设备

专用集成电路可能具有高度定制化的封装要求。

基板结构可能需要适应特定的 I/O 布局、电源域、高速接口和机械限制。

基于芯片组的架构

Chiplet架构对封装互连提出了更高的要求，因为多个半导体芯片可能通过同一个封装结构进行通信。

随着封装架构的演进，基板成为整个互连系统中越来越重要的组成部分。

ABF基板和BGA封装

ABF 技术与先进的封装结构密切相关，包括高 I/O BGA 型封装。

封装基板将来自半导体芯片的信号分配到外部封装端子，然后这些端子可以连接到系统PCB。

这就形成了多层次的相互联系：

这些层级之间的过渡必须精心设计。

对于从事该接口板级工作的工程师来说，了解BGA 基板和封装结构是有用的。

BGA封装放置在系统板上后，焊点几何形状、焊盘设计、散热特性、元件放置和检验也变得非常重要。

基于ABF封装的PCB设计

系统PCB的设计必须与封装相匹配，而不是将封装视为一个孤立的组件。

扇出和逃逸路由

高 I/O 封装可以创建极其密集的逃逸布线区域。

PCB 设计人员可能需要将细间距 BGA 布线、焊盘内过孔结构、微孔、埋孔和精心规划的层分配结合起来。

目标并非仅仅是将所有连接都塞进电路板上。布线架构还必须兼顾可制造性和电气性能。

堆叠选择

PCB叠层结构影响：

• 信号阻抗
• 参考平面连续性
• 电力调配
• 相声
• 热行为
• 通过建筑
• 制造复杂性

对于高速处理器和网络板，在叠层开发过程中应考虑封装到 PCB 的过渡。

供电

大型处理器和加速器可能需要通过相对较小的封装区域输送大量电流。

因此，PCB 需要合适的电源层结构、铜分布、过孔布置、去耦策略和散热设计。

制造公差

高度复杂的封装接口会使PCB制造对公差累积更加敏感。

焊盘尺寸、阻焊层对准、过孔位置、铜厚度、钻孔精度和层对准等都应与实际制造能力进行比对。

完善的PCB设计可制造性审查可以在生产开始前发现可制造性问题。

ABF基板与其他IC基板技术

ABF 并不是半导体衬底使用的唯一材料或结构。

不同的封装类型可能需要不同的基板技术。

合适的选择取决于以下因素：

• I/O 计数
• 包装尺寸
• 路由密度
• 信号速度
• 散热要求
• 成本目标
• 机械限制
• 生产量
• 半导体封装架构

ABF 特别适用于先进的高密度有机基材，但其他基材方法可能更适合不同的封装类别。

因此，基板的选择应该从封装结构和电气要求开始，而不是简单地选择最先进的可用材料。

ABF基板可靠性考虑因素

必须对整个封装和电路板系统进行可靠性评估。

热循环

反复的温度变化会引起机械应力，因为不同的材料膨胀和收缩的速度不同。

因此，需要将封装基板、半导体封装、焊点和PCB作为一个整体结构进行评估。

水分

有机介电材料会与水分发生反应，这可能会影响其加工性能和可靠性。

因此，需要根据材料和包装工艺要求来控制水分处理和储存条件。

微孔可靠性

微孔结构必须在制造和运行的热循环过程中保持电气和机械可靠性。

铜的质量、通孔几何形状、镀层、介电界面和热应力都会影响性能。

封装到PCB的可靠性

即使 ABF 基板本身性能正常，整个组件在封装到 PCB 的接口处仍然可能出现故障。

BGA焊点、PCB翘曲、热失配、组装轮廓和机械载荷都会影响现场可靠性。

对于 BGA 应用，工程师还可以查看我们关于BGA PCB 组装以及相关检验和焊点注意事项的信息。

如何评估 ABF 基质项目

在评估与 ABF 相关的项目时，将需求分为四个级别是很有用的。

1. 半导体封装要求

• 模具尺寸
• I/O 计数
• 包装尺寸
• I/O 间距
• 电源要求
• 高速接口要求
• 封装架构

2. 基材要求

• 核心结构
• 堆积层数
• 介电系统
• 最小行/空格
• 微孔尺寸
• 垫子尺寸
• 铜厚
• 表面光洁度
• 注册要求
• 变形要求

3. 系统PCB要求

• PCB层数
• 叠起
• 物料系统
• 可控阻抗
• BGA逃逸策略
• 通过结构
• 铜重量
• 散热要求
• 电力调配
• 表面光洁度

4. 组装要求

• BGA元件规格
• 焊锡膏
• 模板设计
• 回流焊曲线
• AOI 要求
• X射线检查
• 电气测试
• 返工要求
• 可追溯分析仪

将这四个层次区分开来，可以更容易地确定问题的根源。

封装级问题不应自动视为 PCB 制造问题，PCB 级布线限制也不应自动归因于 ABF 基板。

先进电子制造链中的ABF基板

ABF 技术表明半导体封装和 PCB 制造是如何日益相互关联的。

现代高性能计算平台可能涉及多种制造技术：

每个阶段都有不同的技术要求，但它们之间的电气和机械接口必须保持兼容。

对于 PCB 制造商而言，这意味着即使实际生产责任集中在系统级电路板上，了解半导体封装也变得越来越有价值。

印刷电路板不再仅仅是处理器周围的被动平台，它构成了完整的电气、散热和机械架构的一部分。

为什么面向制造的设计 (DFM) 对 ABF 相关 PCB 项目至关重要

基于 ABF 的封装可以创建极其密集的 PCB 接口。

如果在PCB布局完成后才尝试解决这些接口问题，可能会导致不必要的重新设计。

理想情况下，DFM审查应该在制造发布之前开始。

目标是在保持预期电气设计的同时，确保物理电路板能够稳定制造。

当设计结合了先进的封装和 HDI 结构时，这一点尤其重要，因为理论上可布线的设计在生产规模上可能仍然不切实际。

从ABF封装到成品PCBA

ABF 基材本身只是完整产品的一部分。

一旦将高级封装贴装到系统PCB上，制造流程将继续进行，包括元件贴装、焊接、检验、测试以及可能的系统级集成。在PCB层面，系统板接口处的HDI组装与封装基板的生产是两个独立的制造环节。

因此，一个称职的制造合作伙伴应该了解裸PCB和最终组装之间的关系。

对于既需要电路板制造又需要元件组装的项目，PCB组装服务可以帮助将制造和组装阶段连接起来，形成一个协调的制造流程。

对于高密度处理器板而言，这一点尤其有价值，因为 PCB 制造规范和组装参数不能单独考虑。

ABF 基质：主要结论

ABF基板技术在半导体封装和系统级PCB制造之间占据着重要的地位。

最重要的几点是：

• ABF 指的是味之素增容膜，一种广泛应用于先进封装基板的有机介电技术。
• An ABF封装基板并非只是用不同层压板制成的普通PCB。.
• 它的主要目的是在半导体封装和外部系统之间提供非常密集的电气互连。
• 堆积层、激光微孔、精细铜布线和精确对准是该技术的基础。
• ABF 衬底与高 I/O 半导体应用（如处理器、加速器、ASIC 和高级网络设备）密切相关。
• 封装基板和系统PCB必须结合起来考虑，以确保信号完整性、供电、散热性能和可靠性。
• 高密度PCB技术（如HDI）在封装与电路板的接口处变得尤为重要。
• 应尽早审查制造可行性，因为精细的几何形状和严格的公差会显著影响产量和成本。
• 最终产品的质量不仅取决于基板质量，还取决于PCB的制造、组装、检验和测试。

关于ABF基质的常见问题