Substrat IC ialah pembawa nipis berlapis di dalam pakej cip. Ia menghubungkan die silikon ke PCB utama dengan menyebarkan pad die kecil ke dalam padang bola pateri, menghalakan isyarat dan kuasa, menambah kekakuan semasa aliran semula, dan membantu penyebaran haba. Artikel ini memberikan maklumat tentang jenis substrat, struktur, bahan, penghalaan, proses, kemasan, peraturan reka bentuk dan semakan kebolehpercayaan.
Gambaran Keseluruhan Substrat IC
Substrat IC, juga dipanggil substrat pakej IC, ialah pembawa nipis berlapis di dalam pakej cip. Ia terletak di antara die silikon dan papan litar bercetak utama (PCB). Tugas utamanya ialah menyambungkan pad sentuh die yang sangat kecil kepada bola pateri yang dijarakkan lebih jauh, supaya pakej boleh melekat pada papan. Ia juga membantu mengekalkan die di tempatnya, menghalang pakej daripada membengkok terlalu banyak semasa pemanasan, dan memberikan haba laluan yang lebih luas untuk merebak ke seluruh bungkusan dan ke dalam papan.
Perbandingan Substrat IC vs PCB
| Ciri-ciri | Substrat IC | PCB Standard |
|---|---|---|
| Pekerjaan utama | Menyambungkan silikon die di dalam pakej ke papan melalui kenalan pakej | Menyambungkan bahagian dan penyambung merentasi keseluruhan papan litar |
| Ketumpatan penghalaan | Ketumpatan penghalaan yang sangat tinggi dengan garisan dan jarak yang sangat halus | Ketumpatan penghalaan yang lebih rendah dengan garisan dan jarak yang lebih lebar daripada substrat |
| Vias | Mikrovia adalah perkara biasa untuk sambungan menegak pendek dan padat antara lapisan | Mikrovia boleh digunakan dalam papan HDI, tetapi banyak papan menggunakan via yang lebih besar |
| Penggunaan biasa | Digunakan di dalam pakej cip seperti BGA, CSP dan pakej flip-chip | Digunakan sebagai papan sistem utama dalam produk seperti telefon, penghala dan PC |
Penghalaan Isyarat Melalui Substrat IC
Di dalam pakej, substrat menyediakan laluan pendek dan terkawal untuk isyarat dan kuasa antara die dan bola pateri.
• Pad die bersambung ke substrat dengan ikatan wayar, benjolan (flip-chip) atau TAB.
• Lapisan dalaman menghalakan isyarat ke luar sambil mengekalkan sasaran impedans yang konsisten.
• Satah kuasa dan tanah mengagihkan arus dan mengurangkan lantunan bekalan.
• Bola pateri di bahagian bawah menyambungkan pakej ke PCB utama.
Struktur Substrat Teras dan Binaan
• Teras: tulang belakang struktur; dielektrik yang lebih tebal; menyokong kekakuan mekanikal dan penghalaan yang lebih luas di mana digunakan
• Lapisan binaan: dielektrik nipis + penghalaan tembaga halus untuk kipas padat
• Mikrovia: pautan menegak pendek antara lapisan binaan berdekatan
Bahan Substrat IC Biasa dan Faktor Pemilihan
| Keluarga material | Contoh | Kekuatan biasa |
|---|---|---|
| Organik tegar | ABF, BT, sistem epoksi | Menyokong penghalaan binaan halus, menskalakan dengan baik untuk pengeluaran volum, dan mengimbangi keperluan elektrik dan mekanikal |
| Fleksibel organik | Berasaskan polimida | Membolehkan penghalaan membengkok sambil kekal nipis, yang membantu dalam susun atur yang memerlukan sambungan fleksibel |
| Seramik | Al₂O₃, AlN | Pengembangan haba yang rendah untuk kestabilan dimensi yang lebih baik dan pengendalian haba yang kuat berbanding dengan banyak bahan organik |
Jenis Substrat IC mengikut Gaya Pakej
| Jenis substrat | Sesuai terbaik |
|---|---|
| Substrat BGA | Menyokong kiraan I/O yang tinggi dan prestasi pakej keseluruhan yang kukuh |
| Substrat CSP | Dibina untuk pakej nipis dengan jejak padat |
| Substrat cip flip | Membolehkan sambungan pendek dan penghalaan yang sangat padat antara die dan substrat |
| Substrat MCM | Menyokong berbilang cetakan yang diletakkan dan disambungkan dalam satu pakej |
Kaedah Sambungan Die-to-Substrat
• Kaedah sambungan mempengaruhi susun atur pad, had padang dan keperluan pemasangan.
• Ikatan wayar: wayar nipis menyambungkan pad die untuk mengikat jari pada substrat.
• Flip-cip: benjolan kecil menyambungkan die terus ke pad pada substrat, mewujudkan laluan elektrik pendek.
• TAB: ikatan berasaskan pita yang menggunakan filem nipis untuk membawa dan menyambungkan petunjuk, sering digunakan apabila format pita diperlukan.
Proses Fabrikasi Substrat IC Garis Halus
| Proses | Idea teras | Tujuan |
|---|---|---|
| Tolak | Bermula dengan lapisan tembaga dan mengeluarkan tembaga yang tidak diingini dengan etsa | Digunakan secara meluas dan difahami dengan baik, dengan kebolehulangan pepejal untuk banyak lapisan substrat |
| Bahan Tambahan | Membina tembaga hanya di mana jejak dan pad diperlukan, menggunakan penyaduran terpilih | Membantu membentuk ciri yang sangat halus dengan kawalan yang lebih ketat ke atas bentuk kecil |
| MSAP/mSAP | Menggunakan lapisan benih nipis, kemudian pinggan dan terukir ringan dengan cara terkawal | Menyokong sasaran garisan dan ruang yang lebih kecil sambil mengekalkan kawalan ketebalan yang baik |
Pembentukan Mikrovia dan Membina Kualiti
Mikrovia menyambungkan lapisan binaan dalam timbunan padat. Kerana ia kecil, geometri dan kualiti kuprumnya sangat menjejaskan kesinambungan jangka panjang dan kestabilan rintangan.
Penggerudian laser membentuk vias kecil dan cetek antara lapisan berdekatan. Penyaduran tembaga melapisi dinding melalui untuk mencipta laluan konduktif berterusan. Melalui pengisian melengkapkan struktur dengan mengurangkan lompang dan pad sokongan, yang membantu apabila via duduk di bawah pad.
Kemasan Permukaan untuk Substrat IC
| Tamat | Apa yang ia membantu |
|---|---|
| ENIG | Menyediakan permukaan licin, boleh dipateri dan membantu melindungi kuprum daripada kakisan. |
| ENEPIG | Menyokong lebih banyak pilihan ikatan dan membantu membentuk sendi pateri yang kuat dan boleh dipercayai. |
| Varian emas | Digunakan apabila permukaan memerlukan prestasi sentuhan yang stabil atau lapisan emas yang sesuai untuk kaedah ikatan tertentu. |
Peraturan Reka Bentuk Substrat Yang Mempengaruhi Hasil
Sasaran Garisan/Angkasa
Kunci lebar dan jarak garisan minimum lebih awal, dan pastikan sasaran sejajar dengan perkara yang boleh diulang oleh proses secara konsisten merentas semua lapisan penghalaan.
Melalui Strategi
Tentukan pasangan lapisan mikrovia dan had kedalaman lebih awal. Tetapkan peraturan yang jelas untuk via-in-pad, isi serlahan ciri dan sebarang zon halang yang melindungi penghalaan halus.
Susun
Betulkan kiraan teras dan lapisan binaan lebih awal dan tetapkan peranan penghalaan setiap lapisan supaya perubahan penghalaan tidak memaksa kerja semula tindanan utama kemudian.
Belanjawan Warpage
Tentukan had meledingkan merentasi langkah aliran semula dan pemasangan, dan pastikan keseimbangan kuprum dan simetri lapisan dikawal supaya substrat kekal dalam had.
Strategi Ujian
Rancang akses ujian untuk kawalan kesinambungan dan seluar pendek. Simpan pad dan laluan penghalaan yang mencukupi supaya liputan tidak mengecut apabila ketumpatan meningkat.
Kesimpulannya
Substrat IC menyokong pakej cip dengan menyediakan penghalaan padat, satah kuasa dan tanah, dan pautan menegak pendek melalui mikrovia. Lapisan teras dan binaan mereka menetapkan keupayaan kipas dan kekakuan pakej. Pilihan bahan, proses garisan halus, kualiti binaan mikrovia dan kemasan permukaan mempengaruhi keputusan. Hasil bergantung kepada sasaran dalam talian/ruang, melalui strategi, susunan, kawalan meledingkan dan perancangan ujian, disokong oleh AOI, ujian elektrik, keratan rentas dan sinar-X.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
Apakah lebar dan jarak garisan yang boleh dicapai oleh substrat IC?
Substrat IC boleh menggunakan garisan/ruang sub-10 μm pada lapisan binaan, dengan sasaran yang lebih ketat pada proses lanjutan.
Berapa tebal substrat IC?
Ketebalan bergantung pada gaya pakej dan kiraan lapisan, antara di bawah 0.3 mm untuk CSP nipis hingga lebih 1.0 mm untuk BGA lapisan tinggi.
Sifat elektrik bahan manakah yang paling penting?
Pemalar dielektrik (Dk), faktor pelesapan (Df), dan rintangan penebat. Dk stabil menyokong kawalan impedan; Df rendah mengurangkan kehilangan isyarat.
Apakah mod kegagalan substrat IC biasa?
Retak mikrovia, keletihan tembaga, delaminasi lapisan, dan keletihan sendi pateri pada antara muka bola.
Apakah keperluan reka bentuk tambahan yang disertakan dengan isyarat berkelajuan tinggi?
Kawalan impedans yang lebih ketat, laluan pulangan pendek, crosstalk yang lebih rendah, dan jarak surih yang teliti dengan satah rujukan pepejal.
Bagaimanakah substrat IC berubah untuk pakej AI dan HPC?
Kiraan lapisan yang lebih tinggi, garisan/ruang yang lebih halus, penghantaran kuasa yang lebih kuat, saiz badan yang lebih besar dan sokongan yang lebih baik untuk susun atur berbilang die atau ciplet.
