Подложки для интегральных схем: основные функции и ключевые применения в передовой электронике

ПКБ на подложке IC представляют собой критический мост между интегральными схемами (IC) и традиционными печатными платами,позволяет миниатюризировать и высокопроизводительности, требуемых в современной электроникеВ отличие от стандартных ПХБ, эти специализированные подложки спроектированы для обработки сверхтонких связей современных чипов.поддерживающие скорость передачи данных до 112 Гбит/с и плотность мощности, которая перегрузила бы обычные платы с электрическими цепямиОт смартфонов до серверов центров обработки данных, ПКБ на подложке IC являются неизвестными героями, обеспечивающими развитие технологий следующего поколения.

В данном руководстве рассматриваются уникальные функции ПХБ на подложках с интегральными интегралами, их сложность производства, их отличие от традиционных ПХБ и их незаменимая роль в ключевых отраслях.Независимо от того, проектируете ли вы 5G-модем или высокопроизводительный графический процессор, понимание этих субстратов имеет важное значение для раскрытия передовых характеристик.

Ключевые выводы
1ПКБ с подложкой IC служат “посредниками” между ПКБ и ПКБ, переводя ультратонкий пич (≤50 мкм) микросхем на более грубый пич (≥100 мкм) стандартных ПКБ.
2Они поддерживают плотность ввода/вывода в 3×5 раза выше, чем традиционные печатные платформы, с до 10 000 соединений на чип, что имеет решающее значение для современных процессоров и 5G-передатчиков.
3Продвинутые материалы, такие как смола BT (бисмалеимид триазин) и ABF (Ajinomoto Build-up Film), обеспечивают высокочастотную производительность (до 112 Гбит/с) с низкой потерей сигнала.
4Ключевые приложения включают в себя смартфоны (чипы AP / BB), серверы центров обработки данных (CPU / GPU) и автомобильную электронику (чипы ADAS), причем глобальный рынок, по прогнозам, достигнет $ 35B к 2026 году.

Что такое ПХБ на подложке ИК?
ПКЖ на подложке ИК представляют собой высокоточные межконтактные (HDI) структуры, предназначенные для физического и электрического соединения интегрированных схем (таких как ЦПУ, графические процессоры и радиочастотные чипы) с более крупными ПКЖ.Они выступают в роли слоя перевода.,?? преобразование крошечных, близко расположенных пинов IC (часто <50 мкм) в более крупные, более широко расположенные пластинки на стандартной печатной плате (обычно более 100 мкм).

Основные компоненты
a.Базовый материал: смола BT (бисмалеимид триазин) или ABF (Ajinomoto Build-up Film) для высокой тепловой стабильности и низкой диэлектрической потери.
b.Компасные слои: тонкие (12-18μm) следы меди с линейным/пространственным (L/S) соотношением 10/10μm, что позволяет обеспечить плотное направление.
c. Виасы: микровиасы (50-100 мкм в диаметре) с соотношением сторон до 1:1, соединяя слои, не занимая слишком много места..
d.Поверхностная отделка: безэлектрическое никелевое погруженное золото (ENIG) или никелевое палладиевое золото (ENEPIG) для надежных сварных соединений с выпучками IC.

Как работают ПХБ на подложке IC
Основная функция ПКБ-субстрата IC заключается в решении проблемы "несоответствия высоты" между ПК и ПКБ:
1Присоединение к чипу: IC (например, процессор приложений смартфона) соединен с подложкой с помощью подложки, причем каждая из них соединяется с подложкой на подложке.
2Маршрутизация сигнала: тонкозвуковые следы подложки направляют сигналы от выступов IC к более крупным подложкам на нижней стороне подложки.
3.Связь с ПКБ: Затем подложка устанавливается на стандартную ПКБ с помощью запорных шаров (BGA), перевод высокоплотных соединений IC на маршрутизацию с более низкой плотностью ПКБ.
Этот процесс обеспечивает передачу сигналов с минимальными потерями, даже при скоростях, превышающих 100 Гбит / с, управляя теплом, генерируемым высокопроизводительными чипами.

ПХБ на подложке IC против традиционных ПХБ: ключевые различия
ПХБ на подложке ИК намного сложнее стандартных ПХБ, с спецификациями, адаптированными к интеграции ИК:

Основные функции ПКБ на подложке IC
ПКБ на подложке ИК выполняют четыре важных функции, которые позволяют развивать электронную технику:
1Маршрутизация сигнала высокой плотности
Современные микросхемы (например, процессоры 7 нм) имеют тысячи пинов ввода/вывода, упакованных в крошечные отпечатки (например, 15 мм × 15 мм).предотвращение перекрестного звука и потери сигналаНапример, подложка IC 5G-модема обрабатывает более 2000 радиочастотных и цифровых сигналов, каждый из которых требует точного контроля импеданса (50Ω) для поддержания производительности на частоте 28 ГГц.

2Тепловое управление
Высокопроизводительные чипы (например, графические процессоры) генерируют более 100 Вт тепла, которое должно быть рассеяно, чтобы предотвратить сжатие.
a.Теплопроводящие материалы: смола BT с керамическими наполнителями улучшает теплопередачу теплоотводам.
b. Медные теплораспределители: толстые (70 мкм) слои меди в подложке равномерно распределяют тепло.
Данные: IC-субстрат с медным теплораспределителем снижает температуру соединения микросхем на 15 °C по сравнению со стандартным субстрат, повышая надежность на 30%.

3Распределение энергии
Ключевые интегралы требуют стабильной мощности (например, 0,8 В для процессоров) с минимальным шумом.
a.Плоскости питания: тонкие непрерывные слои меди, которые обеспечивают питание всех пинов ИС.
b.Интеграция декоппирующего конденсатора: встроенные конденсаторы (размер 01005) уменьшают волну напряжения.
Результат: колебания напряжения в интегральной системе сохраняются ниже 2%, обеспечивая стабильную производительность даже во время работы с высокой нагрузкой (например, игры на смартфоне).

4Механическая поддержка
ИС являются хрупкими, с соединительными выпучками, склонными к трещинам при тепловом или механическом напряжении.
a. Соответствие CTE (коэффициент теплового расширения): смола BT (1216 ppm/°C) тесно соответствует кремнию (2,6 ppm/°C), уменьшая напряжение во время температурных циклов.
b.Обеспечить жесткость: предотвратить изгиб, который может повредить выступы IC, что имеет решающее значение для устройств, устойчивых к падениям, таких как смартфоны.

Процесс производства ПХБ на подложке IC
Производство IC-субстратов требует более точного изготовления, чем стандартные процессы PCB:
1Подготовка базового материала: листы смолы BT или ABF разрезаются по размеру, с ламинированной медной фольгой с одной или обеих сторон.
2.Складные слои: с помощью фотолитографии слои добавляются последовательно:
a.Паттерн: УФ-луч подвергает фоторезистент воздействию через маску, определяя следы.
b.Этировка: беззащитная медь удаляется, оставляя тонкие следы.
c. Бурение микроволнов: лазерное бурение создает 50-100 мкм путей между слоями.
3Пластировка: проемы покрываются медью для соединения слоев, обеспечивая проводимость.
4Поверхностная отделка: ENIG или ENEPIG наносится на подкладки для обеспечения надежной сварки с соединителями IC.
5Инспекция: AOI (автоматизированная оптическая инспекция) и рентгеновские лучи проверяют точность следов и качество с допустимым дефектом < 1 на 10 000 следов.

Основные применения ПХБ на подложке IC
ПХБ с подложкой IC необходимы в отраслях, требующих высокопроизводительной, миниатюрной электроники:
1. Мобильные устройства
Смартфоны и планшеты:
Процессоры приложений (AP): подложки IC соединяют 7nm / 5nm чипы (например, Qualcomm Snapdragon, Apple A-серия) с основным PCB, обрабатывая более 1000 сигналов для CPU, GPU и ядер ИИ.
5G-модемы: субстраты с низкоубыточным материалом ABF поддерживают 28GHz/39GHz мм-волновые сигналы, обеспечивающие скорость передачи данных на несколько гигабит.
Пример: последний флагманский смартфон использует 6-слойный IC-субстрат с 20/20 мкм L / S для подключения 5 нм AP, уменьшая общую толщину устройства на 0,5 мм по сравнению с предыдущими конструкциями.

2Центры обработки данных и вычисления
Серверы и рабочие станции:
ЦПУ/ГПУ: Чипы высокой мощности (например, Intel Xeon, NVIDIA H100) используют подложки IC с встроенными теплораспределятелями для обработки сигналов 400W + мощности и 100Gbps + между чипами.
Модули памяти: подложки для DDR5 и HBM (высокополосная память) обеспечивают скорость передачи данных 8400 Мбит/с с ограниченными временными отставаниями.
Тенденция: появляются 3D IC-субстраты (накопленные слои) для подключения модулей с несколькими микросхемами (MCM), что снижает задержку сигнала между микросхемами на 40%.

3. Автомобильная электроника
Усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS):
Радарные/лидарные чипы: подложки IC с высокотемпературной смолой BT (от -40 до 125 °C) соединяют процессоры ADAS (например, NVIDIA Orin) с датчиками, обеспечивая надежную работу в суровой среде.
Системы информационно-развлекательных систем: субстраты поддерживают интерфейсы дисплеев 4K и подключение 5G с вибрационно-устойчивыми конструкциями (20G +).
Соответствие: Автомобильные подложки IC соответствуют стандартам IATF 16949 с нулевым дефектом для критически важных систем безопасности.

4Потребительская электроника
a.Носящиеся устройства: Умные часы и очки AR используют сверхтонкие (0,2 мм) подложки IC для подключения крошечных чипов (например, мониторов частоты сердечных сокращений) к компактным печатным платкам, с гибкими вариантами для изогнутых конструкций.
b. Игровые консоли: высокопроизводительные графические процессоры в консолях (например, PlayStation 5, Xbox Series X) используют IC-субстраты с 15/15μm L/S для обработки графики 4K/120fps.

Возникающие тенденции в ПХБ на подложке IC
По мере того, как электроника продвигается к более высокой производительности и миниатюризации, подложки IC развиваются:
a.3D интеграция: наложенные IC-субстраты (3D IC) уменьшают сигнальные пути между микросхемами на 50%, что позволяет быстрее передавать данные в ускорителях ИИ.
b.Встроенные компоненты: конденсаторы и резисторы, встроенные в субстраты, экономиют пространство и уменьшают паразитарную индуктивность, критически важную для сигналов 112 Гбит/с+.
c.Устойчивость: Рециклируемая смола BT и безсвинцовая покрытие (ENEPIG) соответствуют директивам RoHS и ЕС по экологическому проектированию, что снижает воздействие на окружающую среду.

Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Почему традиционные ПХБ не могут заменить ПХБ на подложке IC?
Ответ: Традиционные печатные платы не обладают тонкозвуковой маршрутизацией (≤50 мкм L/S) и производительностью материала (низкий Dk/Df), необходимыми для подключения современных интегральных микросхем.и тепловые проблемы.

Вопрос: Каков максимальный показатель В/В для подложки IC?
Ответ: Самые современные подложки поддерживают до 10 000 вводов и выводов для высокопроизводительных чипов, таких как графические процессоры, с диапазоном между соединениями 50 мкм.

Вопрос: Как подложки IC обрабатывают высокие частоты (например, 100 Гбит / с)?
A: Материалы с низкой потерью (ABF, Dk = 3,0) и контролируемые следы импеданса (50Ω) минимизируют ослабление сигнала, в то время как наземные плоскости уменьшают EMI.

Вопрос: Стоят ли IC-субстраты дорого?
Ответ: Да, они стоят в 5-10 раз дороже, чем традиционные печатные пластинки из-за тонкого производства и высококачественных материалов.их роль в создании высокопроизводительных устройств делает их экономически эффективными для высококачественной электроники.

Вопрос: Каково будущее технологии подложки IC?
Ответ: 3D-накопленные субстраты и интеграция фотоники (для оптических сигналов) будут управлять субстратами следующего поколения, поддерживающими скорость передачи данных 200Gbps+ и чипы ИИ с транзисторами 100B+.

Заключение
ПКБ-субстраты IC являются важнейшим звеном между постоянно сокращающимся миром ПКБ и более крупной экосистемой ПКБ, обеспечивая производительность и миниатюризацию, которые определяют современную электронику.От смартфонов 5G до графических процессоров для центров обработки данных, эти специализированные подложки справляются с самыми требовательными требованиями к сигналу, мощности и тепловой энергии, часто не получая признания, которого они заслуживают.
Поскольку чипы продолжают развиваться с меньшими узлами, более высоким количеством вводов и выводов и более высокими скоростями, ПКБ на подложке IC будут развиваться в одном шаге, принимая 3D-интеграцию, встроенные компоненты,и новых материалов для удовлетворения возникающих потребностейДля инженеров и производителей понимание этих субстратов больше не является необязательным, а необходимо для сохранения конкурентоспособности на рынке, где производительность и размер - это все.
В конце концов, ПКБ на подложке IC могут быть скрыты от глаз, но их влияние видно в каждом высокоскоростном, высокопроизводительном устройстве, на которое мы полагаемся каждый день.