IC substrat je tanek, slojevit nosilec znotraj paketa čipa. Povezuje silicijev čip z glavno tiskano vezjo tako, da razširi majhne ploščice v naklon spajkalne kroglice, usmerja signale in napajanje, doda togost med prelivom in pomaga pri širjenju toplote. Ta članek ponuja informacije o vrstah substratov, strukturi, materialih, trasah, procesih, zaključkih, pravilih načrtovanja in preverjanjih zanesljivosti.
Pregled IC substrata
IC substrat, imenovan tudi IC paketni substrat, je tanek, slojevit nosilec znotraj čip paketa. Nahaja se med silicijevim čipom in glavno tiskano vezjem (PCB). Njegova glavna naloga je povezati zelo majhne kontaktne ploščice čipa z spajkalnimi kroglicami, ki so bolj razmaknjene, da se paket lahko pritrdi na ploščo. Prav tako pomaga držati matrico na mestu, preprečuje, da bi se embalaža preveč upognila med segrevanjem, in omogoča širši poti toplote, ki se lahko razširi v preostanek embalaže in v ploščo.
Primerjava IC substrata s PCB
| Značilnost | IC substrat | Standardna tiskana vezja |
|---|---|---|
| Primarno delo | Poveže silicijevo čip znotraj paketa s ploščo preko kontaktov paketa | Povezuje dele in konektorje čez celotno vezje |
| Gostota usmerjanja | Zelo visoka gostota usmerjanja z zelo tankimi linijami in razmiki | Nižja gostota usmerjanja z širšimi črtami in razmiki kot substrat |
| Vias | Mikrovije so pogoste za kratke, goste navpične povezave med plastmi | Microvias se lahko uporabljajo na HDI ploščah, vendar mnoge uporabljajo večje vias |
| Tipična uporaba | Uporablja se znotraj paketov čipov, kot so BGA, CSP in flip-chip paketi | Uporablja se kot glavna matična plošča v izdelkih, kot so telefoni, usmerjevalniki in osebni računalniki |
Usmerjanje signala skozi IC substrat
V notranjosti embalaže substrat zagotavlja kratke, nadzorovane poti za signale in napajanje med čipom in spajkalnimi kroglicami.
• Podloge za podlago so povezane s pomočjo žičnih vezi, izbokline (flip-chip) ali TAB.
• Notranje plasti usmerjajo signale navzven, hkrati pa ohranjajo impedančne cilje dosledne.
• Močne in zemeljske ravnine razporejajo tok in zmanjšujejo odboj napajanja.
• Spajkalne kroglice na spodnji strani povezujejo paket z glavno tiskano vezjem.
Jedro in struktura substrata
• Jedro: strukturna hrbtenica; debelejši dielektrik; podpira mehansko togost in širše usmerjanje, kjer se uporablja
• Plasti kopičenja: tanka dielektrika + fina bakrena usmeritev za gosto razširjanje
• Mikrovije: kratke navpične povezave med bližnjimi plastmi kopičenja
Pogosti materiali IC substrata in selekcijski faktorji
| Družina materialov | Primeri | Tipične prednosti |
|---|---|---|
| Tog organski | ABF, BT, epoksi sistemi | Podpira natančno naraščanje smeri, dobro se prilagaja množični proizvodnji in uravnava električne ter mehanske potrebe |
| Flex organski | Poliimidno osnovana | Omogoča, da se usmerjanje upogne, hkrati pa ostane tanko, kar pomaga pri postavitvah, ki potrebujejo prilagodljive povezave |
| Keramika | Al₂O₃, AlN | Nizka toplotna razteznost za boljšo dimenzijsko stabilnost in močno prenašanje toplote v primerjavi z mnogimi organskimi materiali |
Vrste IC substratov po slogu embalaže
| Tip substrata | Najboljša prileganje |
|---|---|
| BGA substrat | Podpira visoko število I/O in močno splošno zmogljivost paketa |
| CSP substrat | Narejeno za tanke pakete s kompaktno površino |
| Flip-chip substrat | Omogoča kratke povezave in zelo gosto usmerjanje med čipom in substratom |
| MCM substrat | Podpira več matric, nameščenih in povezanih znotraj enega paketa |
Metode povezovanja čip-substrat
• Način povezave vpliva na razporeditev ploščic, omejitve višine in zahteve sestavljanja.
• Žična vez: tanke žice povezujejo blazinice s povezovalnimi prsti na podlagi.
• Flip-chip: majhne izbokline neposredno povežejo matrico s ploščicami na podlagi, kar ustvarja kratke električne poti.
• TAB: lepljenje na osnovi traku, ki uporablja tanek film za prenos in povezovanje vodnic, pogosto uporabljeno, kadar je potreben format traku.
Procesi izdelave substrata IC s fino linijo
| Postopek | Osnovna ideja | Namen |
|---|---|---|
| Odštevanje | Začne se z bakreno plastjo in odstrani nezaželen baker z jedkanjem | Široko uporabljena in dobro razumljena, s trdno ponovljivostjo za več plasti substrata |
| Additive | Baker izdeluje le tam, kjer so potrebne sledi in blazinice, z uporabo selektivne prevleke | Pomaga oblikovati zelo fine poteze z natančnejšim nadzorom nad majhnimi oblikami |
| MSAP/mSAP | Uporablja tanko plast semen, nato plošče in rahlo jedka na nadzorovan način | Podpira manjše črte in razmike ter ohranja dober nadzor debeline |
Nastanek mikrovij in kakovost izdelave
Mikrovije povezujejo plasti kopičenja v goste sklade. Ker so majhni, njihova geometrija in kakovost bakra močno vplivata na dolgoročno kontinuiteto in stabilnost upornosti.
Lasersko vrtanje tvori majhne, plitve prehode med bližnjimi plastmi. Bakrena prevleka prekriva via-stene in ustvarja neprekinjeno prevodno pot. Via polnjenje dopolni strukturo z zmanjšanjem vrzelin in podpornih podlog, kar pomaga, ko via sedi pod blazinico.
Površinske obdelave IC podlag
| Zaključi | Pri čem pomaga |
|---|---|
| ENIG | Zagotavlja gladko, spajkalno površino in pomaga zaščititi baker pred korozijo. |
| ENEPIG | Podpira več možnosti lepljenja in pomaga oblikovati močne, zanesljive spajkalne spoje. |
| Zlate različice | Uporablja se, kadar površina potrebuje stabilno kontaktno zmogljivost ali zlato plast, primerno za določene metode vezave. |
Pravila oblikovanja substratov, ki vplivajo na pridelek
Cilji v liniji/prostoru
Zaklenite minimalno širino vrstic in razmik zgodaj ter ohranite cilje poravnane s tem, kar proces lahko dosledno ponavlja na vseh usmerjevalnih plasteh.
Preko strategije
Zgodaj določite pare plasti mikrovij in omejitve globine. Določite jasna pravila za via-in-pad, izpolnjevanje klicev in vse cone prepovedi, ki varujejo natančno traso.
Stack-Up
Zgodaj popravite število osnovnih in gradilnih plasti ter dodelite usmerjevalne vloge posamezni plasti, da spremembe usmerjanja kasneje ne prisilijo večjih predelav nalaganja.
Proračun za Warpage
Določite meje ukrivljanja pri korakih pretapljanja in sestavljanja ter nadzorujte ravnotežje bakra in simetrijo plasti, da podlaga ostane znotraj meje.
Testna strategija
Načrtujte testni dostop za nadzor kontinuitete in kratkih stikov. Rezervirajte dovolj ploščadi in poti usmerjanja, da se pokritost ne zmanjša z naraščajočo gostoto.
Zaključek
IC substrati podpirajo pakete čipov z gostim usmerjanjem, napajalnimi in ozemljitvenimi ravninami ter kratkimi navpičnimi povezavami preko mikrovij. Njihova osnovna in gradbena plast določata sposobnost razširjanja in togost embalaže. Izbira materialov, fini postopki, kakovost izdelave mikrovij in površinski zaključki vplivajo na rezultate. Izkoristek je odvisen od spletnih in vesoljskih ciljev, preko strategije, zlaganja, nadzora ukrivljanja in načrtovanja testov, podprtih z AOI, električnimi testi, preseki in rentgenskim žarkom.
Pogosta vprašanja [FAQ]
Kakšno širino in razmik lahko dosežejo IC podlage?
IC substrati lahko uporabljajo linije/prostor pod 10 μm na plasteh kopičenja, pri naprednejših procesih pa so bolj ožji cilji.
Kako debel je IC substrat?
Debelina je odvisna od sloga embalaže in števila plasti, od manj kot 0,3 mm za tanek CSP do več kot 1,0 mm za visokoplastni BGA.
Katere električne lastnosti materiala so najpomembnejše?
Dielektrična konstanta (Dk), faktor disipacije (Df) in izolacijska upornost. Stable Dk podpira nadzor impedance; nizka DF zmanjša izgubo signala.
Kateri so pogosti načini odpovedi substrata IC?
Razpoke mikrovij, utrujenost bakra, delaminacija plasti in utrujenost spajkalnih spojev na mejazi krogle.
Kakšne dodatne oblikovne potrebe prinašajo hitre signale?
Natančnejši nadzor impedance, kratke povratne poti, manjši prečni signali in skrbno razmik sledi s trdnimi referenčnimi ravninami.
Kako se IC substrati spreminjajo za AI in HPC pakete?
Večje število plasti, bolj fina linija/prostor, močnejša dostava moči, večje velikosti ohišja in boljša podpora za več-čip ali čipletne postavitve.
