Substrát IC je tenký, vrstvený nosič uvnitř pouzdra čipu. Spojuje silikonový čip s hlavní PCB tím, že rozprostírá malé podložky čipu do rozptylu pájených koulí, směruje signály a napájení, přidává tuhost při přetavování a pomáhá rozptylovat teplo. Tento článek poskytuje informace o typech substrátů, struktuře, materiálech, trasování, procesech, povrchových úpravách, návrhových pravidlech a kontrolách spolehlivosti.
Přehled substrátu IC
Substrát IC, také nazývaný substrát IC pouzdra, je tenký, vrstvený nosič uvnitř pouzdra čipu. Nachází se mezi čipem křemíku a hlavní deskou plošných spojů (PCB). Jeho hlavní úkolem je spojit velmi malé kontaktní podložky čipu s pájecími kuličkami rozmístěnými dál od sebe, aby se pouzdro mohlo připevnit k desce. Také to pomáhá držet čip na místě, zabraňuje přílišnému ohýbání pouzdra při zahřívání a umožňuje teplo širší cestu k šíření do zbytku balení a do desky.
Srovnání substrátu IC a PCB
| Funkce | IC substrát | Standardní PCB |
|---|---|---|
| Hlavní práce | Připojuje křemíkový čip uvnitř pouzdra k desce přes kontakty balíčku | Spojuje součástky a konektory napříč celou deskou. |
| Hustota směrování | Velmi vysoká hustota trasování s velmi jemnými liniemi a rozestupy | Nižší hustota směrování s širšími liniemi a rozestupy než substrát |
| Průchody | Mikrovie jsou běžné pro krátká, hustá vertikální spojení mezi vrstvami | Microvias lze použít v HDI deskách, ale mnoho desek používá větší vias |
| Typické použití | Používá se uvnitř čipových balíčků, jako jsou BGA, CSP a flip-chip balíčky | Používá se jako hlavní základní deska v produktech jako telefony, routery a PC |
Směrování signálu přes IC substrát
Uvnitř pouzdra poskytuje substrát krátké, kontrolované cesty pro signály a napájení mezi čipem a pájecími kuličkami.
• Podložky pro matrice jsou připojeny k substrátu pomocí drátových vazeb, výstupků (flip-chip) nebo TAB.
• Vnitřní vrstvy směrují signály ven, přičemž impedance jsou konzistentní.
• Napájecí a zemní roviny rozvádějí proud a snižují odrazy od napájení.
• Pájecí kuličky na spodní straně spojují pouzdro s hlavní plošnou spojí.
Jádro a struktura substrátu
• Jádro: strukturální páteř; silnější dielektrikum; podporuje mechanickou tuhost a širší vedení tam, kde se používá
• Vrstvy nahromadění: tenké dielektrikum + jemné měděné vedení pro hustý odfuk
• Mikroviály: krátké vertikální spojení mezi blízkými vrstvami nánosu
Běžné materiály substrátu IC a selekční faktory
| Rodina materiálů | Příklady | Typické silné stránky |
|---|---|---|
| Rigidní organický | ABF, BT, epoxidové systémy | Podporuje jemné postupování při hromadě, dobře se škáluje pro sériovou výrobu a vyvažuje elektrické a mechanické potřeby |
| Flex organický | Polyimidové | Umožňuje ohýbání směrování a přitom zůstává tenké, což pomáhá při rozloženích, která vyžadují flexibilní spojení |
| Keramika | Al₂O₃, AlN | Nízká tepelná roztažnost pro lepší rozměrovou stabilitu a silnější zpracování tepla ve srovnání s mnoha organickými materiály |
Typy substrátů IC podle typu obalu
| Typ substrátu | Nejlepší padnutí |
|---|---|
| BGA substrát | Podporuje vysoký počet I/O a silný celkový výkon balíčku |
| CSP substrát | Postaveno pro tenké balení s kompaktní plochou |
| Substrát flip-chip | Umožňuje krátká spojení a velmi husté vedení mezi čipem a substrátem |
| MCM substrát | Podporuje více čipů umístěných a propojených v jednom balíčku |
Metody propojení čip-substrát
• Způsob připojení ovlivňuje rozložení podložky, limity výšky a požadavky na montáž.
• Drátové spojení: tenké dráty spojují podložky s čipovými podložkami a spojují prsty na podkladu.
• Flip-chip: malé výstupky spojují čip přímo s destičkami na podkladu, čímž vznikají krátké elektrické cesty.
• TAB: páskové lepení, které používá tenkou vrstvu k přenášení a propojení vodičů, často používané při použití formátu pásky.
Procesy výroby substrátu IC s jemnou linií
| Proces | Základní myšlenka | Účel |
|---|---|---|
| Odčítat | Začíná měděnou vrstvou a odstraňuje nežádoucí měď leptáním | Široce používané a dobře pochopené, s pevnou opakovatelností pro mnoho vrstev substrátu |
| Aditivní | Měď se staví pouze tam, kde jsou potřeba stopy a plosky, používá selektivní povlakování | Pomáhá vytvářet velmi jemné rysy s přesnější kontrolou nad malými tvary |
| MSAP/mSAP | Používá tenkou vrstvu semen, pak desky a lehce leptá kontrolovaným způsobem | Podporuje menší cíle na linii a prostor při dobré kontrole tloušťky |
Vznik mikrovií a kvalita zpracování
Mikrovie spojují vrstvy hromadění v hustých vrstvách. Protože jsou malé, jejich geometrie a kvalita mědi výrazně ovlivňují dlouhodobou kontinuitu a stabilitu odporu.
Laserové vrtání vytváří malé, mělké průchody mezi okolními vrstvami. Měděné pokovování pokrývá stěny přes cestu, čímž vytváří souvislou vodivost. Via výplň dokončuje strukturu zmenšováním dutin a podpůrných podložek, což pomáhá, když via sedí pod podložkou.
Povrchové úpravy pro IC substráty
| Dokončit | S čím to pomáhá |
|---|---|
| ENIG | Poskytuje hladký, pájetelný povrch a pomáhá chránit měď před korozí. |
| ENEPIG | Podporuje více možností spojování a pomáhá vytvářet pevné, spolehlivé pájené spoje. |
| Zlaté varianty | Používá se, když povrch potřebuje stabilní kontaktní výkon nebo zlatou vrstvu vhodnou pro určité metody lepení. |
Pravidla návrhu substrátu, která ovlivňují výtěžnost
Cíle v linii/prostoru
Uzamkněte minimální šířku řádku a mezery brzy a udržujte cíle zarovnané s tím, co proces může konzistentně opakovat napříč všemi směrovacími vrstvami.
Přes Strategy
Definujte páry vrstev mikrovií a limity hloubky včas. Stanovte jasná pravidla pro výpisy přes vstup do podložky, vyplnění výpisů a jakékoli zóny pro omezení, která chrání jemné trasování.
Stack-Up
Opravte počet základních a build-up vrstv včas a přiřaďte směrovací role na jednotlivé vrstvy, aby změny směrování později nevynutily velké přepracování stack-upů.
Warpage Budget
Definujte limity deformace napříč přetavením a montáží a udržujte vyvážení mědi a symetrii vrstev pod kontrolou, aby substrát zůstal v mezích.
Testovací strategie
Plánujte testovací přístup pro kontinuitu a řízení zkratů. Rezervujte dostatek ploch a tras, aby se pokrytí s rostoucí hustotou nezmenšovalo.
Závěr
IC substráty podporují čipové balíčky tím, že poskytují husté směrování, napájení a zemní roviny a krátké vertikální propojení přes mikrovie. Jejich základní a vrstvy vytvářejí schopnost rozvíjet se a zpevnit balení. Na výsledky má vliv výběr materiálu, jemné linie, kvalita zpracování mikrovií a povrchové úpravy. Výtěžnost závisí na online a vesmírných cílech, prostřednictvím strategie, stack-upu, kontroly warpage a plánování testů, podpořených AOI, elektrickými testy, průřezy a rentgenem.
Často kladené otázky [FAQ]
Jaká šířka a rozstup může dosáhnout substrátů IC?
IC substráty mohou využívat linku/prostor pod 10 μm na vrstvách nahromadění, s těsnějšími cíli u pokročilých procesů.
Jak silný je substrát IC?
Tloušťka závisí na stylu obalu a počtu vrstev, od méně než 0,3 mm u tenkého CSP až po více než 1,0 mm u vysokovrstvého BGA.
Na kterých elektrických vlastnostech záleží nejvíce?
Dielektrická konstanta (Dk), disipační faktor (Df) a izolační odpor. Stable DK podporuje řízení impedance; nízké df snižuje ztráty signálu.
Jaké jsou běžné způsoby selhání substrátu IC?
Mikroviální trhliny, únava mědi, delaminace vrstev a únava pájených spojů na rozhraní kuličky.
Jaké další konstrukční potřeby přinášejí vysokorychlostní signály?
Přesnější řízení impedance, krátké návratové cesty, nižší přeslech a pečlivé rozteči stop s pevnými referenčními rovinami.
Jak se mění substráty IC pro AI a HPC balíčky?
Vyšší počet vrstev, jemnější řádky/mezery, silnější dodávka energie, větší tělo a lepší podpora pro vícečipové nebo chipletové uspořádání.
