Un substrat CI est un vecteur fin et en couches à l’intérieur d’un boîtier de puces. Il relie la puce en silicium au circuit imprimé principal en étalant de minuscules plaques de puce dans le pas de la boule de soudure, routant les signaux et la puissance, ajoutant de la rigidité lors du reflux et favorisant la propagation de la chaleur. Cet article fournit des informations sur les types de substrats, la structure, les matériaux, le déroulement, les procédés, les finitions, les règles de conception et les contrôles de fiabilité.
Aperçu du substrat IC
Un substrat CI, également appelé substrat de boîtier CI, est un support fin et en couches à l’intérieur d’un boîtier de puce. Il se place entre la puce de silicium et la carte imprimée principale (PCB). Sa fonction principale est de connecter les très petits tapis de contact de la puce à des boules de soudure plus espacées, afin que le boîtier puisse s’attacher à la carte. Cela aide aussi à maintenir la puce en place, empêche le boîtier de trop se plier lors du chauffage, et permet à la chaleur de se propager plus largement dans le reste du boîtier et dans la carte.
Comparaison entre substrat de circuits intégrés et PCB
| Fonctionnalité | Substrat IC | PCB standard |
|---|---|---|
| Poste principal | Relie la puce en silicium à l’intérieur d’un boîtier à la carte via les contacts du boîtier | Relie les pièces et connecteurs à travers toute la carte électronique |
| Densité de routage | Densité de routage très élevée avec des lignes et des espacements très fins | Densité de routage plus faible avec des lignes et un espacement plus larges que le substrat |
| Vias | Les microvias sont courantes pour des connexions verticales courtes et denses entre les couches | Les microvias peuvent être utilisées sur les cartes HDI, mais beaucoup utilisent des vias plus grands |
| Utilisation typique | Utilisé dans des boîtiers de puces tels que BGA, CSP et des packages flip-chip | Utilisé comme carte mère principale dans des produits tels que les téléphones, routeurs et PC |
Routage du signal à travers le substrat CI
À l’intérieur du boîtier, le substrat fournit des chemins courts et contrôlés pour les signaux et l’alimentation entre la puce et les boules de soudure.
• Les plaques de puce se connectent au substrat par des liaisons filaires, des reliefs (flip-chip) ou TAB.
• Les couches internes acheminent les signaux vers l’extérieur tout en maintenant des cibles d’impédance constantes.
• Les plans de puissance et de masse distribuent le courant et réduisent le rebond de l’alimentation.
• Des boules de soudure sous la ligne relient le boîtier au circuit imprimé principal.
Structure du substrat de carotage et de construction
• Noyau : la structure principale ; diélectrique plus épais ; soutient la rigidité mécanique et un passage plus large lorsque c’est utilisé
• Couches de formation : diélectrique fin + rouage fin en cuivre pour un éventail dense
• Microvias : courts liens verticaux entre couches de formation voisines
Matériaux courants des substrats IC et facteurs de sélection
| Famille matérielle | Exemples | Forces typiques |
|---|---|---|
| Organique rigide | ABF, BT, systèmes époxy | Permet un routage fin de construction, s’adapte bien à la production en volume et équilibre les besoins électriques et mécaniques |
| Flex organic | Basé sur le polyimide | Permet aux rouages de se plier tout en restant fins, ce qui aide dans les configurations nécessitant des connexions flexibles |
| Céramique | Al₂O₃, AlN | Faible dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle et une meilleure gestion thermique comparée à de nombreux matériaux organiques |
Types de substrats IC par style de boîtier
| Type de substrat | Meilleure adéquation |
|---|---|
| Substrat BGA | Prend en charge un nombre élevé d’E/S et une forte performance globale du package |
| Substrat CSP | Conçu pour des boîtiers minces avec une empreinte compacte |
| Substrat à puce flip | Permet des connexions courtes et un routage très dense entre la puce et le substrat |
| Substrat MCM | Prend en charge plusieurs puces placées et connectées dans un même boîtier |
Méthodes d’interconnexion die-to-substrat
• La méthode de connexion influence la disposition des pads, les limites de pas et les exigences d’assemblage.
• Liaison filaire : des fils fins relient des coussinets de puce aux doigts de liaison sur le substrat.
• Flip-chip : de petites bosses relient directement la puce aux tampons sur le substrat, créant de courts trajets électriques.
• TAB : collage à base de ruban utilisant un film fin pour transporter et connecter les câbles, souvent utilisé lorsqu’un format de bande est nécessaire.
Procédés de fabrication de substrats de CI à lignes fines
| Processus | Idée centrale | But |
|---|---|---|
| Soustractif | Commence par une couche de cuivre et enlève le cuivre indésirable en gravant | Largement utilisé et bien compris, avec une solide répétabilité pour de nombreuses couches de substrat |
| Additif | Ne construit que du cuivre là où des pistes et des tampons sont nécessaires, en utilisant un plaquage sélectif | Aide à former des traits très fins avec un contrôle plus strict des petites formes |
| MSAP/mSAP | Utilise une fine couche de graines, puis plaque et grave légèrement de manière contrôlée | Prend en charge des cibles de lignes et d’espace plus petites tout en gardant un bon contrôle de l’épaisseur |
Qualité de formation et de fabrication de microvia
Les microvias connectent les couches de construction en empilements denses. Parce qu’ils sont petits, leur géométrie et la qualité du cuivre influencent fortement la continuité à long terme et la stabilité de la résistance.
Le forage au laser forme de petites cavités peu profondes entre les couches voisines. Le revêtement de cuivre recouvre les parois de passage pour créer un chemin conducteur continu. Le remplissage via complète la structure en réduisant les vides et les coussinets de soutien, ce qui aide lorsqu’un via se trouve sous un plateau.
Finitions de surface pour substrats IC
| Fin | Ce que cela aide |
|---|---|
| ENIG | Offre une surface lisse et soudable et aide à protéger le cuivre contre la corrosion. |
| ENEPIG | Cela permet plus d’options de collage et aide à former des soudures solides et fiables. |
| Variantes en or | Utilisé lorsqu’une surface nécessite des performances de contact stables ou une couche d’or adaptée à certaines méthodes de collage. |
Règles de conception de substrat qui influencent le rendement
Cibles Ligne/Spatiales
Verrouillez tôt la largeur minimale de ligne et l’espacement, et gardez les cibles alignées avec ce que le processus peut répéter de manière cohérente sur toutes les couches de routage.
Via la stratégie
Définissez dès le début les paires de couches microvia et les limites de profondeur. Établissez des règles claires pour le via dans le pad, remplissez les appels et toutes les zones de maintien qui protègent le routage fin.
Stack-up
Fixez tôt le nombre de couches de cœur et de construction et attribuez des rôles de routage par couche afin que les changements de routage ne forcent pas de remaniements majeurs d’empilement ultérieur.
Budget de la Warpage
Définissez les limites de déformation entre les étapes de reflow et d’assemblage, et gardez l’équilibre cuivre et la symétrie des couches contrôlés afin que le substrat reste dans la limite.
Stratégie de test
Planifiez l’accès aux tests pour la continuité et le contrôle des courts-circuits. Réservez suffisamment de plateformes et de chemins de routage pour que la couverture ne diminue pas avec l’augmentation de la densité.
Conclusion
Les substrats CI supportent les boîtiers de puces en fournissant un routage dense, des plans de puissance et de masse, ainsi que de courts liens verticaux via des microvias. Leurs couches de base et de construction offrent une capacité d’évasement et une rigidité du package. Le choix des matériaux, les procédés de lignes fines, la qualité de fabrication de Microvia et les finitions de surface influencent les résultats. Le rendement dépend des cibles en ligne/spatiales, via stratégie, empilement, contrôle de la distorsion et planification des essais, soutenus par l’AOI, les tests électriques, les coupes transversales et les rayons X.
Foire aux questions [FAQ]
Quelle largeur de ligne et quel espacement les substrats de CI peuvent-ils atteindre ?
Les substrats IC peuvent utiliser une ligne par espace inférieure à 10 μm sur les couches de construction, avec des cibles plus strictes sur les procédés avancés.
13,2 Quelle est l’épaisseur d’un substrat IC ?
L’épaisseur dépend du style de boîtier et du nombre de couches, allant de moins de 0,3 mm pour le CSP fin à plus de 1,0 mm pour le BGA en couche haute.
Quelles propriétés électriques du matériau comptent le plus ?
Constante diélectrique (Dk), facteur de dissipation (Df) et résistance d’isolation. Stable Dk prend en charge le contrôle d’impédance ; Un faible Df réduit la perte de signal.
Quels sont les modes de défaillance courants du substrat du CI ?
Fissures Microvia, fatigue du cuivre, délamination des couches et fatigue des joints de soudure à l’interface à la bille.
Quels sont les besoins supplémentaires en matière de conception avec des signaux à haute vitesse ?
Contrôle de l’impédance plus serré, chemins de retour courts, diaphonie plus faible et espacement soigné des pistes avec des plans de référence solides.
Comment les substrats IC évoluent-ils pour les packages IA et HPC ?
Un nombre de couches plus élevé, une ligne/espace plus fin, une meilleure puissance de puissance, des carrosseries plus grandes et un meilleur support des configurations multi-die ou chiplets.
