Sisällysluettelo
Johdanto IC-alustoihin
Puolijohteiden valmistuksen ja elektroniikan kokoonpanon erittäin erikoistuneella alalla integroidun piirin (IC) substraatti toimii ratkaisevana sähkökemiallisena ja termomekaanisena rajapintana paljaan piisirun ja pääpiirilevyn (PCB) välillä. Kun puolijohdeteknologia pienenee yksinumeroisiin nanometreihin, mittakaavan ero piisirun mikroskooppisten I/O-liitäntäpisteiden ja tavallisen emolevyn makroskooppisten johtojen välillä on kasvanut räjähdysmäisesti. IC-substraatti on olemassa juuri tämän mittakaavan eron ylittämiseksi.
IC-substraatti on pohjimmiltaan erittäin edistyksellinen, äärimmäisen pienikokoinen piirilevy. Se toimii IC-pakkauksen perustana, ohjaa virtaa ja signaaleja piisirulle ja sieltä pois, tarjoaa mekaanista vakautta ja johtaa pois korkean suorituskyvyn piisirun tuottaman lämpöenergian. Ilman IC-substraattien jatkuvaa kehitystä nykyaikaiset laskentamallit – suorituskykyisistä laskentaklustereista (HPC) ja tekoälyn (AI) kiihdyttimistä 5G-mobiiliprosessoreihin – olisivat täysin mahdottomia. Tässä artikkelissa syvennytään piirilevyvalmistuksen tekniseen kehitykseen, joka johti nykyaikaiseen IC-substraattiin, ja tarkastellaan sen materiaaleja, monimutkaisia valmistusprosesseja sekä sen välttämätöntä roolia edistyneiden heterogeenisten pakkausten tulevaisuudessa.
Piirilevyjen valmistuksen kehitys
Piirilevyjen valmistuksen kehityssuunta on ollut jatkuvaa miniatyrisointia, jota ovat armottomasti ajaneet eteenpäin Mooren lain vaatimukset ja tarve yhä suuremmalle liitäntätiheydelle. Alun perin elektroniikkakokoonpanot perustuivat läpivientitekniikkaan (THT), jossa komponentit, joissa oli pitkät johtimet, asennettiin piirilevyn porattuihin reikiin. Integroitujen piirien monimutkaistuessa THT-tekniikka väistyi pintaliitostekniikan (SMT) tieltä. SMT-tekniikan avulla komponentit voitiin juottaa suoraan piirilevyn pinnalle, mikä vähensi merkittävästi parasiittista induktanssia ja lisäsi komponenttitiheyttä, kun suuria läpivientireikiä ei enää tarvittu.
Monimutkaisten mikroprosessorien myötä nastojen määrä kuitenkin kasvoi räjähdysmäisesti, minkä vuoksi tavanomaisilla SMT-piirilevyillä ei enää pystytty reitittämään tarvittavaa signaalitiheyttä. Tämä rajoitus johti High-Density Interconnect (HDI) -piirilevyjen kehittämiseen. HDI-tekniikassa otettiin käyttöön laserporatut mikroviat, sokeat viat ja upotetut viat sekä huomattavasti kapeammat viivojen leveydet ja välit (L/S).
Siirtyminen reuna-lankaliitoksista aluejärjestelmän flip-chip-pakkaukseen oli ratkaiseva kimmokkeena nykyaikaisen IC-substraatin kehitykselle. Flip-chip-kokoonpanossa piisiru käännetään ylösalaisin, ja sen pinnalla olevat I/O-liitäntäpisteet kytketään suoraan substraattiin mikroskooppisten juotoskohoumien avulla. Tämä lähestymistapa lyhensi merkittävästi signaalireittien pituuksia ja paransi virransyöttöverkostoja (PDN), mutta se vaati kantolevyä, jonka johtotiheys ylitti huomattavasti perinteisen HDI-piirilevyvalmistuksen mahdollisuudet. Näin ollen IC-substraatti kehittyi omaksi erikoisalaksi, jossa yhdistyvät perustavalla tavalla piirilevyjen paneelitasoiset valmistustekniikat ja puolijohdepiirilevyjen puhdastilaprosessit.
Tärkeimmät erot tavallisten piirilevyjen ja integroitujen piirien alustojen välillä
Vaikka sekä tavallisissa emolevyissä että IC-alustoissa käytetään johtavia kuparijohteita ja eristäviä dielektrisiä kerroksia sähköisten signaalien reitittämiseen, yhtäläisyydet päättyvätkin suurelta osin siihen. Eroja ovat komponenttien äärimmäinen miniatyrisointi, käytetyt orgaaniset materiaalit sekä tarkasti hallitut valmistusmenetelmät.
Viivan leveys ja väli (L/S): Tyypillisessä edistyneessä HDI-piirilevyssä linjojen leveydet ja välit voivat olla jopa 40 mikrometriä (µm). Täydellisessä vastakohdassa nykyaikaisissa integroitujen piirien (IC) substraateissa vaaditaan rutiininomaisesti L/S-parametreja 15/15 µm ja 10/10 µm, ja edistyneissä puolijohdesolmuissa alle 5 µm:n rakenteet ovat tulossa standardiksi tukemaan valtavia I/O-tiheyksiä.
Läpiviennit ja liitännät: Tavallisissa piirilevyissä käytetään usein mekaanisesti porattuja läpivientejä, joiden halkaisija on yleensä vähintään 150 µm. IC-substraateissa käytetään lähes yksinomaan laserporattuja mikroreikiä, joiden halkaisija on usein 30–50 µm. Nämä mikroreiät täytetään usein kuparilla erityisissä galvanointikylpyissä, jotta varmistetaan vankat sähkö- ja lämpöreitit erittäin ohuiden dielektristen kerrosten välillä ilman, että niihin syntyy onteloita. Lisätietoja Tarkka impedanssin säätö: Kuinka saavuttaa ±5%:n impedanssitoleranssi suurinopeuksisissa piirilevyissä.
Mitojen vakaus ja toleranssit: Koska IC-substraattien on oltava suoraan linjassa jäykän piisirun mikroskooppisten kohoumien kanssa, niiden mittavakauden toleranssit ovat mikroskooppisen pieniä. Mikä tahansa vääntyminen, joka johtuu piisirun, orgaanisen substraatin ja emolevyn välisestä lämpölaajenemiskertoimen (CTE) eroista, voi johtaa juotosliitosten katastrofaaliseen väsymiseen ja pettämiseen lämpösyklien aikana.
IC-substraattien valmistuksessa käytettävät ydinmateriaalit
Kehittyneiden integroitujen piirien (IC) pakkausten tiukat termomekaaniset ja suurtaajuussähköiset vaatimukset estävät tavallisten FR-4-lasikuitulaminaattien käytön korkean suorituskyvyn substraateissa. Sen sijaan alalla hyödynnetään teknisesti kehittyneitä erikoistuneita orgaanisia hartseja.
Bismaleimiditriatsiini (BT)-hartsi: Mitsubishi Gas Chemicalin laajasti kehittämä BT-muovi on vakiomateriaali muistipakkauksissa, MEMS-laitteissa ja mobiiliprosessoreissa. Sillä on korkea lasittumislämpötila (Tg), erinomainen lämpöstabiilisuus ja suhteellisen alhainen dielektrisyysvakio. Sitä käytetään tyypillisesti johdinliitoksilla varustetuissa alustoissa ja vähemmän monimutkaisissa flip-chip-pakkauksissa, joissa kustannukset ovat ratkaiseva tekijä.
Ajinomoto Build-up Film (ABF): ABF on korkean suorituskyvyn laskennan (HPC), CPU:n ja GPU:n pakkausten perusta. Se on epoksipohjainen kalvo, joka voidaan laminoida peräkkäin ilman lasikuituvahvistusta. Lasikuitujen puuttuminen mahdollistaa uskomattoman hienon ja tasaisen laserporauksen sekä erittäin ennustettavan ohuiden kupariviivojen syövytysprosessin. Tämän ansiosta ABF on vakiintunut standardiksi suurille ja monimutkaisille flip-chip-tyyppisille palloverkkokokoonpanoille (FCBGA).
Polyimiidi (PI): Polyimidiä käytetään usein joustavissa ja jäykissä alustoissa sekä erikoissovelluksissa, joissa vaaditaan äärimmäistä lämmönkestävyyttä ja joustavuutta. Sitä hyödynnetään yleisesti näyttöohjaimien TAB- (Tape Automated Bonding) ja COF- (Chip-on-Film) pakkauksissa.
IC-alustojen tyypit
IC-alustat luokitellaan yleisesti sen mukaan, mitä piisirun kiinnitystekniikkaa ne tukevat, sekä niiden sisäisen rakenteen perusteella. Lisätietoja Ylikuulumisen vaimennus: Edistykselliset reititystekniikat NEXT- ja FEXT-häiriöiden minimoimiseksi suurinopeuksisissa piirilevyissä.
IC-alustat, joissa käytetään johdinliitosta (WB): Nämä substraatit on suunniteltu perinteisiin pakkausratkaisuihin, joissa kulta-, hopea- tai kuparilangat yhdistävät piirisirun reuna-alustat substraattiin. Vaikka WB-substraatteja pidetään vakiintuneena, vanhana tekniikkana, niitä käytetään edelleen laajasti kustannusherkissä IoT-sovelluksissa, NAND-/DRAM-muistimoduuleissa sekä analogisissa integroiduissa piireissä.
Flip Chip (FC) -piirilevyjen alustat: FC-substraatit on suunniteltu erityisesti sellaisille piirilevyille, jotka on käännetty ylösalaisin ja kiinnitetty suoraan substraattiin mikroskooppisten juotosnupien (C4-nupit) avulla. Ne vaativat huomattavasti suurempaa reititystiheyttä, erittäin tasaisia pintoja ja tarkempaa lämpölaajenemiskertoimen (CTE) hallintaa, jotta estetään nupien halkeilu. FCBGA (Flip Chip Ball Grid Array) ja FCCSP (Flip Chip Chip Scale Package) ovat alan pääasialliset formaatit.
Ydintömät alustat: Perinteiset substraatit rakennetaan symmetrisesti jäykän, täysin kovettuneen kuparipäällysteisen laminaatin (CCL) ytimen ympärille. Ydittömissä substraateissa tämä keskusydin on kokonaan poistettu. Sen sijaan niissä dielektriset ja kuparikerrokset kerrostetaan peräkkäin väliaikaiselle kantolevylle, joka myöhemmin poistetaan. Tämä rakenne mahdollistaa huomattavasti ohuemmat kokonaispakkaukset, erinomaisen signaalin eheyden korkeilla gigahertsitaajuuksilla sekä tarkemman reitityksen. Se aiheuttaa kuitenkin valtavia valmistushaasteita, jotka liittyvät vääntymisen hallintaan kokoonpanon aikana. Lisätietoja AOI ja 3D-röntgen: Virheettömän piirilevykokoonpanon saavuttaminen.
IC-alustojen valmistus (vaiheittainen opas)
Noudata näitä suunnittelusääntöjä. Lisätietoja BGA-täyteaine: PCBA:n luotettavuuden parantaminen mekaanisten iskujen ja lämpörasituksen varalta.
- Materiaalin valinta ja ytimen valmistelu
Prosessi alkaa jäykästä ydinlevystä, joka on tyypillisesti mekaanisesti vakaa kuparipäällystetty BT- tai FR-5-laminaatti. Tähän ytimeen porataan mekaanisesti läpivientireiät (PTH), jotka muodostavat perustana olevat etu- ja takapuolella sijaitsevat sähköiset liitännät. Sen jälkeen ydin pinnoitetaan ja syövytetään tavanomaisilla subtraktiivisilla piirilevytekniikoilla sisimpien piirikerrosten muodostamiseksi.
- Porauksen ja lianpoiston kautta
Dielektrinen kalvokerros, kuten ABF, laminoidaan ytimen päälle tarkasti säädetyissä lämpö- ja tyhjiöolosuhteissa. Tämän jälkeen ultravioletti- (UV) tai CO₂-lasereita käytetään dielektrisen kalvon ablaatioon, jolloin muodostuu sokeita mikroliitäntäreikiä, jotka päättyvät tarkasti alla olevan kerroksen kuparisiin kiinnityspisteisiin. Seuraavaksi suoritetaan kemiallinen puhdistusprosessi, jossa käytetään tyypillisesti alkalista kaliumpermanganaattiliuosta laserjätteen ja hiiltyneen hartsin poistamiseksi liitäntäreiän seinämiltä, mikä varmistaa luotettavan sähköisen kosketuksen.
- Sähkötön kuparointi
Eristävän dielektrisen kerroksen valmistelemiseksi myöhempää galvanointia varten koko paneeli käsitellään kemiallisella kuparipinnoitusprosessilla. Tämä kylpy muodostaa erittäin ohuen, pinnan muotoja seuraavan puhtaan kuparikerroksen (yleensä alle 1 µm paksu) koko dielektrisen pinnan päälle ja alas laserporattuihin mikroliitäntäaukkoihin, jolloin muodostuu kriittinen johtava aluskerros.
- Kuivakalvovalokuvausresistin levitys ja litografia
Äärimmäisen herkkä, valoherkkä kuivakalvoresisti laminoidaan juuri kerrostetun kemiallisen kuparisiemenkerroksen päälle. Piirikuvio valotetaan resistiin erittäin tarkalla laser-suorakuvausmenetelmällä (LDI) tai erikoistuneilla stepper-litografialaitteilla. Valottamaton resist poistetaan kemiallisesti, jolloin alla oleva kuparinen siemenkerros paljastuu vain niissä kanavissa, joissa johtavia raitoja ja läpivientipisteitä tarvitaan.
- Kuviointi ja syövytys (mSAP)
Paneeli upotetaan elektrolyyttiseen kuparipinnoituskylpyyn. Koska kuivakalvoresisti toimii sähköeristeenä, kupari kerrostuu vain kehitettyjen kanavien sisälle ja mikroliitosten sisään, jolloin saavutetaan vaadittu johtimen paksuus. Tämä vaihe on mSAP-menetelmän ydin. Kun galvanointi on valmis, jäljellä oleva kuivakalvoresisti poistetaan kemiallisesti. Lopuksi erittäin tarkasti hallitulla pikasyövytysprosessilla poistetaan johtojen välistä erittäin ohut kemiallinen kuparisiemenkerros, jolloin piirit eristetään heikentämättä vastapinnoitettujen johtojen suorakulmaista profiilia.
- Juotosmaskin käyttö
Valmiin substraatin ulkopinnoille levitetään erikoistunut, korkean resoluution nestemäinen valokuvauskelpoinen juotosmaski (LPSM). Se valotetaan ja kehitetään siten, että aukkoja muodostuu vain niihin kohtiin, joihin piisirun liitoskohdat ja emolevyn BGA-juotospallot kiinnittyvät. Tämä kerros suojaa muita erittäin ohuita johtimia hapettumiselta, likaantumiselta ja juotossiltojen muodostumiselta kokoonpanon aikana.
- Pinnan viimeistely
Paljaat kuparipinnat on suojattava hapettumiselta, jotta voidaan varmistaa erinomainen juotettavuus IC-piirien lopullisessa kokoonpanoprosessissa. Yleisiä korkean suorituskyvyn pintakäsittelyjä IC-substraateille ovat esimerkiksi ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold), OSP (Organic Solderability Preservatives) tai upotettu tina, jotka valitaan piisirun liitoskohdille asetettujen metallurgisten vaatimusten perusteella.
- Tarkastus ja testaus
Lopullinen substraattilevy käy läpi tiukan automatisoidun optisen tarkastuksen (AOI), jossa havaitaan optisesti mikroskooppiset oikosulut, katkokset ja johtojen muodonmuutokset. Sähköinen lentävä koetin- tai bed-of-nails-testaus varmistaa monimutkaisten verkkojen jatkuvuuden ja korkeajänniteeristyksen. Lopuksi suoritetaan tiukat mittaustarkastukset, joilla varmistetaan, että yksittäiset substraatit pysyvät täysin tasaisina ja tiukkojen vääntymistoleranssien rajoissa (joita mitataan usein vain mikrometreinä), ennen kuin ne leikataan paloiksi ja lähetetään OSAT-laitokseen (Outsourced Semiconductor Assembly and Test).
Kehittyneen integroidun piirin substraatin, erityisesti tiheän ABF-substraatin, valmistus on erittäin monimutkainen vaiheittainen kerrostusprosessi (SBU). Siinä hyödynnetään ensisijaisesti muunnettua semi-additiivista prosessia (mSAP) subtraktiivisen syövytysmenetelmän sijaan ultrahienojen kuparijohtimien aikaansaamiseksi.
mSAP:n (Modified Semi-Additive Process) rooli
Perinteisestä piirilevyvalmistuksesta integroitujen piirien substraattien valmistukseen siirtymisen ymmärtäminen edellyttää mSAP-tekniikan tarpeellisuuden ymmärtämistä. Tavallisessa subtraktiivisessa piirilevyvalmistusprosessissa paksu kuparifolio syövytetään pois, jolloin jäljelle jäävät toiminnalliset johdot. Kun johtojen välit pienenevät (alle 40 µm), etsauskemikaali syövyttää johtojen sivuseiniä, jolloin muodostuu trapetsoidinen poikkileikkaus, joka voi johtaa vakaviin korkeataajuussignaalin menetyksiin tai rakenteellisiin vikoihin.
Muokattu semi-additiivinen prosessi kiertää tämän rajoituksen aloittamalla lähes paljaalla dielektrisellä materiaalilla, lisäämällä siihen mikroskooppisen siemenkerroksen ja galvanoimalla kuparia ylöspäin valoresistimuottiin. Viimeisessä pikasyövytysvaiheessa poistetaan ainoastaan nanometrin paksuinen alukerros, minkä tuloksena saadaan täysin suorakulmaisia, erittäin luotettavia kuparijohteita, joiden johtojen välinen etäisyys on jopa 5 µm tai vähemmän. mSAP on keskeinen teknologinen silta makrotason piirilevyjen valmistuksen ja nanotason puolijohteiden tuotannon välillä.
Kehittynyt pakkaustekniikka ja integroitujen piirien alustojen tulevaisuus
Kun Mooren laki kohtaa ylitsepääsemättömiä fyysisiä ja taloudellisia esteitä, puolijohdeteollisuus on siirtymässä voimakkaasti kohti heterogeenista integraatiota ja edistyneitä pakkausarkkitehtuureja. Yhden massiivisen monoliittisen piisirun suunnittelun sijaan insinöörit ovat ottamassa käyttöön ”chiplet”-arkkitehtuureja. Tässä lähestymistavassa useita pienempiä, erikoistuneita piirejä (kuten CPU-ytimiä, GPU-kiihdyttimiä, HBM-muistia ja I/O-ohjaimia) yhdistetään yhteen pakkaukseen.
Tämä paradigman muutos asettaa IC-substraatille ennennäkemättömiä vaatimuksia. Se ei ole enää pelkästään passiivinen tilanmuunnin, vaan koko laskentajärjestelmän aktiivinen, laajakaistainen viestinnän runkoverkko. Tulevaisuuden substraateissa tarvitaan entistä hienompaa reititystä, jossa hyödynnetään Embedded Trace Substrates (ETS) -tekniikkaa, jossa kuparijohdot upotetaan suoraan dielektriseen materiaaliin signaalin eheyden parantamiseksi, sekä yhä monimutkaisempia ytimetöntä rakenteita vertikaalisen virransyötön tukemiseksi. Vaikka piivälilevyt (joita käytetään 2,5D-pakkauksissa) pystyvät tällä hetkellä käsittelemään äärimmäisen tiheitä piisirujen välisiä kytkentöjä, kehittyneet orgaaniset substraatit kehittyvät nopeasti tarjotakseen vastaavan monipiirisen kaistanleveyden murto-osalla kustannuksista. Tämä takaa, että integroitujen piirien substraattien jatkuva kehitys pysyy ratkaisevana mahdollistajana ja erittäin kilpailukykyisenä laitteistoinnovaatioiden eturintamana vielä vuosikymmenien ajan.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
IC-substraatin päätehtävänä on toimia ratkaisevana sähkömekaanisena rajapintana paljaan integroidun piirin (die) ja piirilevyn (PCB) välillä. Se muuntaa piisirun mikroskooppisen pienet ja tiheästi sijoitetut I/O-liitäntäpisteet suuremmiksi ja väljästi sijoitetuiksi liitäntäpisteiksi, joita tarvitaan pakkauksen juottamiseen emolevyyn, ja tarjoaa samalla rakenteellista tukea, signaalireititystä sekä välttämätöntä lämmönpoistoa.
Vaikka molemmissa käytetään mikroreikiä ja kerrostettuja johtoreittejä, IC-substraatit toimivat huomattavasti pienemmässä fyysisessä mittakaavassa. IC-substraatit vaativat johtojen leveys- ja etäisyysarvoja (L/S), jotka ovat jopa 5–15 mikrometriä, kun taas edistyneissä HDI-piirilevyissä nämä arvot ovat tyypillisesti noin 40 mikrometriä. Lisäksi IC-substraateissa käytetään erikoistuneita orgaanisia materiaaleja, kuten ABF-hartsia, ja niissä sovelletaan modifioituja semi-additiivisia prosesseja (mSAP) tavallisten FR4-laminaattien ja subtraktiivisen etsauksen sijaan.
ABF on lyhenne sanoista Ajinomoto Build-up Film. Se on erittäin erikoistunut epoksipohjainen dielektrinen hartsi, jota toimitetaan kalvomuodossa, mikä mahdollistaa peräkkäisen laminoinnin ilman perinteistä lasikuitulujitusta. Se on ehdottoman tärkeä, sillä sen homogeeninen rakenne mahdollistaa mikroviioiden uskomattoman tarkan laserporauksen ja ultrahienojen kuparilinjojen etsauksen, jotka ovat tiukkoja vaatimuksia korkean suorituskyvyn flip-chip-prosessoreille ja chiplet-arkkitehtuureille.
mSAP on edistyksellinen sähkökemiallinen pinnoitustekniikka. Sen sijaan, että paksu kuparikerros syövytettäisiin pois johtojen muodostamiseksi (subtraktiivinen menetelmä), mSAP-menetelmässä aloitetaan erittäin ohuella kuparisen siemenkerroksella. Pinnalle levitetään fotoresistimuotti, ja kuparia galvanoidaan *ylöspäin* tiheiden johtojen muodostamiseksi. Lopuksi lyhyt pikasyövytys poistaa ohuen aluskerroksen johtojen välistä, jolloin tuloksena on erittäin tarkat, suorakulmaiset johtimet, joita ei rakenteellisesti ole mahdollista saavuttaa tavanomaisella piirilevyjen syövytysmenetelmällä.
Ydittömät substraatit ovat nopeasti kasvattamassa markkinaosuuttaan, erityisesti suurinopeuksisissa ja suurtaajuuksisissa sovelluksissa, kuten 5G-RF-moduuleissa ja edistyneissä mobiiliprosessoreissa, sillä ne mahdollistavat huomattavasti ohuemmat pakkaukset ja erinomaisen signaalin eheyden. Perinteiset ydinpohjaiset substraatit ovat kuitenkin edelleen välttämättömiä massiivisille, korkean suorituskyvyn laskennan (HPC) palvelinpiireille, jotka vaativat valtavaa rakenteellista jäykkyyttä estääkseen piisirun halkeilun ja pakkauksen vääntymisen kokoonpanon aikana. Jatkossa molemmat teknologiat tulevat toimimaan rinnakkain sovelluskohteiden ja termomekaanisten vaatimusten mukaan.