Un substrato IC è un sottile portatore stratificato all'interno di un pacchetto di chip. Collega il die di silicio alla PCB principale distribuendo minuscole pad nel passo della sfera di saldatura, instradando segnali e alimentazione, aggiungendo rigidità durante il riflusso e favorendo la diffusione del calore. Questo articolo fornisce informazioni su tipi di substrato, struttura, materiali, instradamento, processi, finiture, regole di progettazione e controlli di affidabilità.
Panoramica del substrato IC
Un substrato IC, chiamato anche substrato package IC, è un sottile portatore stratificato all'interno di un package di chip. Si trova tra il die di silicio e la scheda a circuito stampato principale (PCB). Il suo compito principale è collegare i piccolissimi pad di contatto del die a sfere di saldatura più distanziate, così che il package possa attaccarsi alla scheda. Aiuta anche a tenere il die in posizione, evita che il packaging si pieghi troppo durante il riscaldamento e offre al calore un percorso più ampio per diffondersi nel resto del pacchetto e nella scheda.
Confronto tra substrato integrato e PCB
| Caratteristica | Substrato IC | PCB standard | |
|---|---|---|---|
| Lavoro principale | Collega il die di silicio all'interno di un package alla scheda tramite i contatti del package | Collega parti e connettori su tutta la scheda elettronica | |
| Densità di instradamento | Densità di instradamento molto alta con linee e spaziatura molto sottili | Densità di instradamento inferiore con linee e spaziatura più larghe rispetto al substrato | |
| Vias | Le microvie sono comuni per connessioni verticali brevi e dense tra strati | Microvia può essere usata nelle schede HDI, ma molte schede usano vias | più grandi |
| Uso tipico | Utilizzato all'interno di package di chip come BGA, CSP e flip-chip package | Utilizzato come scheda madre principale in prodotti come telefoni, router e PC |
Instradamento del segnale attraverso il substrato del circuito integrato
All'interno del pacchetto, il substrato fornisce percorsi brevi e controllati per segnali e alimentazione tra il die e le sfere di saldatura.
• I pad del die si collegano al substrato tramite legami a fili, protuberanze (flip-chip) o TAB.
• Gli strati interni instradano i segnali verso l'esterno mantenendo costanti gli obiettivi di impedenza.
• I piani di alimentazione e terra distribuiscono la corrente e riducono il rimbalzo dell'alimentazione.
• Le sfere di saldatura sotto collegano il pacchetto alla scheda principale.
Struttura del Nucleo e del Substrato di Costruzione
• Nucleo: la spina dorsale strutturale; dielettrico più spesso; Supporta rigidità meccanica e un percorso più ampio dove viene utilizzato
• Strati di accumulo: dielettrico sottile + instradamento fine in rame per un ampiamento denso
• Microvie: brevi collegamenti verticali tra strati di accumulo vicini
Materiali comuni dei substrati IC e fattori di selezione
| Famiglia materiale | Esempi | Punti di forza tipici |
|---|---|---|
| Organico rigido | ABF, BT, sistemi epossidici | Supporta il percorrimento a accumulo fine, scala bene per la produzione in volume e bilancia le esigenze elettriche e meccaniche |
| Flex organico | Basato sul poliimide | Permette alla percorrenza di piegarsi pur mantenendo sottile, il che aiuta nei layout che richiedono connessioni flessibili |
| Ceramica | Al₂O₃, AlN | Bassa espansione termica per una migliore stabilità dimensionale e una forte gestione del calore rispetto a molti materiali organici |
Tipi di substrato IC per stile di package
| Tipo di substrato | Miglior adattamento |
|---|---|
| Substrato BGA | Supporta elevati numeri di I/O e forti prestazioni complessive del pacchetto |
| Substrato CSP | Costruito per pacchetti sottili con un'impronta compatta |
| Substrato a chip ribaltabile | Consente connessioni corte e un instradamento molto denso tra il die e il substrato |
| Substrato MCM | Supporta più die posizionati e collegati all'interno di un unico package |
Metodi di interconnessione die-to-substrate
• Il metodo di connessione influisce sulla disposizione della piazzola, i limiti di inclinazione e i requisiti di assemblaggio.
• Collegamento a fili: fili sottili collegano i pad del die per unire le dita sul substrato.
• Flip-chip: piccole protuberanze collegano il die direttamente ai pad sul substrato, creando brevi percorsi elettrici.
• TAB: incollaggio a nastro che utilizza un film sottile per trasportare e collegare i cavi, spesso usato quando è necessario un formato a nastro.
Processi di fabbricazione di substrati IC a fine line
| Processo | Idea centrale | Scopo |
|---|---|---|
| Sottrattrice | Si parte da uno strato di rame e si rimuove il rame indesiderato tramite l'incisione | Ampiamente utilizzato e ben compreso, con una solida ripetibilità per molti strati di substrato |
| Additivo | Costruisce rame solo dove sono necessari tracce e pad, usando placcatura selettiva | Aiuta a formare caratteristiche molto fini con un controllo più stretto sulle forme piccole |
| MSAP/mSAP | Usa uno strato sottile di semi, poi piastra e incide leggermente in modo controllato | Supporta bersagli più piccoli per linee e spazi mantenendo un buon controllo dello spessore |
Formazione e qualità costruttiva Microvia
Le microvie collegano gli strati di accumulo in pile dense. Poiché sono piccoli, la loro geometria e la qualità del rame influiscono fortemente sulla continuità a lungo termine e sulla stabilità della resistenza.
La perforazione laser forma piccole e superficiali vie tra gli strati vicini. La placcatura in rame ricopre le pareti di passaggio per creare un percorso conduttivo continuo. Il riempimento tramite completa la struttura riducendo vuoti e supportando i cuscinetti, il che aiuta quando un via si trova sotto un tappon.
Finiture superficiali per substrati IC
| Fine | A cosa aiuta |
|---|---|
| ENIG | Fornisce una superficie liscia e saldabile e aiuta a proteggere il rame dalla corrosione. |
| ENEPIG | Supporta più opzioni di adesione e aiuta a formare saldature solide e affidabili. |
| Varianti d'oro | Utilizzato quando una superficie necessita di prestazioni di contatto stabili o di uno strato d'oro adatto a determinati metodi di adesione. |
Regole di progettazione del substrato che influenzano la resa
Bersagli di Linea/Spazio
Blocca presto la larghezza minima della linea e la spaziatura e mantiene i target allineati con ciò che il processo può ripetere in modo coerente su tutti i livelli di instradamento.
Via Strategia
Definisci presto le coppie di strati microvia e i limiti di profondità. Stabilisci regole chiare per il via-in-pad, compila le chiamate e qualsiasi zona di keep out che protegga il routing fine.
Stack-up
Fissa presto il numero di core e di accumulo dei layer e assegna ruoli di routing per layer in modo che le modifiche non impongano rilavori importanti nello stack-up in seguito.
Budget Warpage
Definisci i limiti di deformazione tra le fasi di riflusso e assemblaggio, e mantieni controllati l'equilibrio del rame e la simmetria degli strati in modo che il substrato rimanga entro il limite.
Strategia di Test
Pianifica l'accesso ai test per la continuità e il controllo dei cortocircuiti. Riserva abbastanza piattaforme e percorsi di instradamento in modo che la copertura non si riduca con l'aumento della densità.
Conclusione
I substrati IC supportano pacchetti chip fornendo un routing denso, piani di alimentazione e terra, e brevi collegamenti verticali attraverso microvia. I loro livelli core e di costruzione stabiliscono la capacità di espansione e la rigidità del packaging. La scelta dei materiali, i processi a linea fine, la qualità costruttiva di Microvia e le finiture superficiali influenzano i risultati. La resa dipende da bersagli online/spaziali, tramite strategia, impilamento, controllo della distorsione e pianificazione dei test, supportati da AOI, test elettrici, sezioni trasversali e raggi X.
Domande frequenti [FAQ]
Quale larghezza e distanza di linea possono raggiungere i substrati IC?
I substrati IC possono utilizzare linee/spazio inferiore a 10 μm sugli strati di accumulo, con obiettivi più stretti su processi avanzati.
Quanto è spesso un substrato IC?
Lo spessore dipende dallo stile del packaging e dal numero di strati, variando da meno di 0,3 mm per CSP sottile a oltre 1,0 mm per BGA ad alto strato.
Quali proprietà elettriche dei materiali contano di più?
costante dielettrica (Dk), fattore di dissipazione (Df) e resistenza di isolamento. Stable Dk supporta il controllo dell'impedenza; Basso Df riduce la perdita di segnale.
Quali sono le modalità di guasto comuni del substrato del CI?
Crepe microvia, fatica al rame, delaminazione degli strati e fatica della saldatura all'interfaccia a sfera.
Quali esigenze di design aggiuntive hanno i segnali ad alta velocità?
Controllo dell'impedenza più stretto, percorsi di ritorno brevi, diafonia inferiore e una distanza attenta tra le tracce con piani di riferimento solidi.
Come stanno cambiando i substrati IC per AI e pacchetti HPC?
Maggior numero di strati, linee/spazio più fine, maggiore erogazione di potenza, dimensioni più grandi e migliore supporto per layout multi-die o chiplet.
