PCB z podłoża IC: podstawowe funkcje i kluczowe zastosowania w zaawansowanej elektronice

PCB z podłożem IC stanowią kluczowy pomost między układami scalonymi (IC) a tradycyjnymi płytami drukowanymi,umożliwiające miniaturyzację i wysoką wydajność wymaganą w dzisiejszej elektronicznejW przeciwieństwie do standardowych płyt PCB, te specjalistyczne podłoża są zaprojektowane tak, aby obsługiwać ultra-cienkie połączenia szczytowe nowoczesnych chipów,obsługujące prędkości transmisji danych do 112 Gbps i gęstości mocy, które przytłoczyłyby konwencjonalne płyty obwodoweOd smartfonów po serwery w centrach danych, PCB podłoża IC są nieznanymi bohaterami umożliwiającymi technologię nowej generacji.

W niniejszym przewodniku omówiono unikalne funkcje PCB podłoża IC, ich złożoność produkcji, ich różnice od tradycyjnych PCB oraz ich niezbędne role w kluczowych gałęziach przemysłu.Niezależnie od tego, czy projektujesz modem 5G, czy wysokiej wydajności procesor graficzny, zrozumienie tych podłoża jest niezbędne do odblokowania najnowocześniejszych osiągów.

Kluczowe wnioski
1PCB z podłoża IC pełnią funkcję “przełożenia” między IC a PCB, przekształcając ultrafiły (≤ 50 μm) chipów w grubości (≥ 100 μm) standardowych PCB.
2Wspierają 3×5 razy wyższą gęstość I/O niż tradycyjne płytki PCB, z maksymalnie 10 000 połączeń na chip, co jest krytyczne dla nowoczesnych procesorów i nadajników 5G.
3Zaawansowane materiały, takie jak żywica BT (bismaleimid triazine) i ABF (Ajinomoto Build-up Film), umożliwiają wysoką częstotliwość (do 112 Gbps) przy niskiej utracie sygnału.
4Kluczowe zastosowania obejmują smartfony (czupy AP/BB), serwery centrów danych (CPU/GPU) i elektronikę samochodową (czupy ADAS), a globalny rynek ma osiągnąć wartość 35 mld USD do 2026 r.

Co to są PCB podłoża IC?
PCB podłoża IC to struktury o wysokiej gęstości połączenia (HDI) zaprojektowane do fizycznego i elektrycznego łączenia układów scalonych (takich jak procesory, GPU i układy RF) z większymi PCB.Działają one jako warstwa tłumaczenia,?? przekształcanie małych, ściśle rozmieszczonych pinów IC (często < 50 μm pasma) w większe, bardziej rozmieszczone podkładki na standardowym płytze PCB (zwykle 100 μm + pasma).

Podstawowe składniki
a.Materiał podstawowy: żywica BT (bismaleimid triazyna) lub ABF (Ajinomoto Build-up Film) dla wysokiej stabilności termicznej i niskiej straty dielektrycznej.
b. Warstwy miedziane: Cienkie (12-18 μm) ślady miedzi z linią/przestrzenią (L/S) ściślejszą niż 10/10 μm, umożliwiające gęstą trasę.
c. Pręty: Mikropręty (50-100 μm średnicy) o współczynnikach widoczności do 1:1, łącząc warstwy bez zajmowania zbyt dużej przestrzeni..
d. Wykończenie powierzchniowe: bezelektryczne złoto niklowe z zanurzeniem (ENIG) lub złoto niklowe z palladium (ENEPIG) dla niezawodnych złączy lutowych z wypukłościami IC.

Jak działają PCB podłoża IC
Główną funkcją PCB podłoża IC jest rozwiązanie “niezgodności pasma” między IC a PCB:
1Przymocowanie układu: Układ IC (np. procesor aplikacyjny smartfona) jest połączony z podłożem za pomocą bąków lutowych, przy czym każdy bąk łączy się z podkładką na podłożu.
2Routing sygnału: Substrat śledzi sygnały drogowe z guzków IC do większych podkładek na dolnej stronie podłoża.
3Połączenie PCB: Substrat jest następnie montowany na standardowym PCB za pośrednictwem kul lutowych (BGA), co przekłada połączenia IC o wysokiej gęstości na PCB o niższej gęstości.
Proces ten zapewnia przesyłanie sygnałów z minimalną stratą, nawet przy prędkościach przekraczających 100 Gbps, jednocześnie zarządzając ciepłem generowanym przez chipy o wysokiej mocy.

PCB podłoża IC w porównaniu z tradycyjnymi PCB: kluczowe różnice
PCB podłoża IC są znacznie bardziej złożone niż standardowe PCB, ze specyfikacjami dostosowanymi do integracji IC:

Podstawowe funkcje PCB podłoża IC
PCB na podłożu IC pełnią cztery kluczowe role umożliwiające zaawansowaną elektronikę:
1. Routing sygnału o wysokiej gęstości
Nowoczesne układy IC (np. procesory 7nm) mają tysiące pinów I/O zapakowanych w maleńkie ślady (np. 15mm×15mm).unikanie krzyżowego hałasu i utraty sygnałuNa przykład podłoże IC modemu 5G obsługuje ponad 2000 sygnałów RF i cyfrowych, z których każdy wymaga precyzyjnej kontroli impedancji (50Ω) w celu utrzymania wydajności 28 GHz.

2. Zarządzanie cieplne
Chipy o wysokiej mocy (np. GPU) wytwarzają 100W + ciepła, które muszą zostać rozproszone, aby zapobiec zagłuszaniu.
a.Materiały przewodzące ciepło: żywica BT z wypełniaczami ceramicznymi poprawia transfer ciepła do pochłaniaczy ciepła.
b. Miedziane rozpraszacze ciepła: grube (70 μm) warstwy miedzi w podłożu równomiernie rozprowadzają ciepło.
Dane: Substrat IC z miedzianym rozpraszaczem ciepła obniża temperaturę połączenia chipa o 15°C w porównaniu ze standardowym substratem, zwiększając niezawodność o 30%.

3. Rozporządzenie energii
IC wymagają stabilnej mocy (np. 0,8 V dla procesorów) z minimalnym hałasem.
a.Płaszczyzny zasilania: Cienkie, ciągłe warstwy miedzi, które dostarczają zasilania do wszystkich pinów IC.
b. Integracja kondensatora odłączania: Wbudowane kondensatory (rozmiar 01005) zmniejszają falę napięcia.
Wynik: zmienność napięcia w układzie jest utrzymywana poniżej 2%, zapewniając stabilną wydajność nawet podczas dużych obciążeń (np. gry na smartfonie).

4. Wsparcie mechaniczne
IC są kruche, z wypukłościami lutowymi podatnymi na pęknięcia w wyniku obciążenia termicznego lub mechanicznego.
a.Match CTE ( współczynnik rozszerzenia cieplnego): żywica BT (12 ‰ 16 ppm/°C) ściśle pasuje do krzemu (2,6 ppm/°C), zmniejszając naprężenie podczas cykli temperatury.
b.Zapewnienie sztywności: zapobieganie gięciu, które mogłoby uszkodzić wgniecenia IC, kluczowe dla urządzeń odpornych na upadki, takich jak smartfony.

Proces wytwarzania PCB z podłoża IC
Produkcja substratów IC wymaga precyzyjnej produkcji wykraczającej poza standardowe procesy PCB:
1Przygotowanie materiału bazowego: arkusze z żywicy BT lub ABF są cięte do rozmiaru, z folią miedzianą laminowaną z jednej lub obu stron.
2.Wybudowane warstwy: przy użyciu fotolitografii warstwy są dodawane sekwencyjnie:
a. Wzorcowanie: światło UV wystawia fotorezystor przez maskę, definiując ślady.
b.Krawa: Niezabezpieczona miedź zostaje usunięta, pozostawiając drobne ślady.
c. Wiertarki mikrofalowe: Wiertarki laserowe tworzą 50-100 μm przewodów między warstwami.
3Płaty: przewody są pokryte miedzią, aby połączyć warstwy, zapewniając przewodność.
4Wykończenie powierzchniowe: ENIG lub ENEPIG nakłada się na podkładki w celu zapewnienia niezawodnego łączenia lutownicy z wypukłościami IC.
5.Inspekcja: AOI (Automatyczna Inspekcja Optyczna) i promieniowanie rentgenowskie weryfikują dokładność śladów i ich jakość, przy tolerancji wad < 1 na 10 000 śladów.

Główne zastosowania PCB podłoża IC
PCB z podłoża IC są niezbędne w przemyśle wymagającym wysokiej wydajności, miniaturyzowanej elektroniki:
1. Urządzenia mobilne
Smartfony i tablety:
Procesory aplikacyjne (AP): podłoża IC łączą układy 7nm/5nm (np. Qualcomm Snapdragon, Apple A-series) z głównym płytą PCB, obsługując ponad 1000 sygnałów dla rdzeni CPU, GPU i sztucznej inteligencji.
Modemy 5G: Substraty z materiałem ABF o niskiej stratze obsługują sygnały 28GHz/39GHz mmWave, umożliwiające częstotliwości przesyłania danych wielogigabitowe.
Przykład: Najnowszy flagowy smartfon wykorzystuje 6-warstwowy podłoże IC z 20/20 μm L/S do podłączenia 5nm AP, zmniejszając ogólną grubość urządzenia o 0,5 mm w porównaniu z poprzednimi projektami.

2Centrum danych i informatyka
Serwery i stanowiska robocze:
CPU/GPU: Chipy o wysokiej mocy (np. Intel Xeon, NVIDIA H100) wykorzystują podłoże IC z wbudowanymi rozpraszaczami ciepła do obsługi mocy 400W+ i sygnałów 100Gbps+.
Moduły pamięci: Substraty dla pamięci DDR5 i HBM (High-Bandwidth Memory) umożliwiają prędkość transmisji danych 8400 Mbps z ograniczonymi marżami czasowymi.
Trend: Pojawiły się substraty 3D IC (warstwa układane) do łączenia modułów wieloczipowych (MCM), zmniejszając opóźnienie sygnału między układami o 40%.

3. Elektronika motoryzacyjna
Zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS):
Radar / LiDAR Chips: podłoże IC z wysokotemperaturową żywicą BT (-40 ° C do 125 ° C) łączy procesory ADAS (np. NVIDIA Orin) z czujnikami, zapewniając niezawodną pracę w trudnych warunkach.
Systemy informacyjno-rozrywkowe: Substraty obsługują interfejsy wyświetlania 4K i łączność 5G, z konstrukcjami odpornymi na drgania (20G +).
Zgodność: Substraty IC klasy motoryzacyjnej spełniają normy IATF 16949 z wymaganiami zerowego poziomu wad dla systemów o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa.

4Elektronika użytkowa
a.Przybudowa urządzeń do noszenia: zegarki inteligentne i okulary AR wykorzystują ultracienkie (0,2 mm) podłoże IC do podłączenia małych układów (np. monitorów tętna) do kompaktowych płyt PCB, z elastycznymi opcjami do układów zakrzywionych.
b.Konsole do gier: wysokiej wydajności procesory graficzne w konsolach (np. PlayStation 5, Xbox Series X) opierają się na podłogach IC o pojemności 15/15 μm L/S do przetwarzania grafiki 4K/120 fps.

Wschodzące trendy w PCB z podłoża IC
W miarę jak elektronika dąży do wyższej wydajności i miniaturyzacji, substraty IC ewoluują:
a. Integracja 3D: zestawione podłoże IC (3D IC) zmniejszają ścieżki sygnału między układami o 50%, umożliwiając szybsze przesyłanie danych w akceleratorach AI.
b.Komponenty wbudowane: Kondensatory i rezystory wbudowane w podłoże oszczędzają przestrzeń i zmniejszają indukcyjność pasożytniczą, która jest kluczowa dla sygnałów 112Gbps+.
c.Zrównoważony rozwój: żywica BT podlegająca recyklingowi i pokrycie bezłowiowe (ENEPIG) są zgodne z dyrektywami RoHS i EU EcoDesign, co zmniejsza wpływ na środowisko.

Często zadawane pytanie
P: Dlaczego tradycyjne PCB nie mogą zastąpić PCB podłoża IC?
Odpowiedź: Tradycyjne płytki PCB nie posiadają przewodzenia o cienkiej rozdzielczości (≤ 50 μm L/S) i wydajności materiału (niskie Dk/Df) niezbędnych do podłączenia nowoczesnych układów stacjonarnych.i zagadnienia termiczne.

P: Jaka jest maksymalna liczba I/O dla podłoża IC?
Odpowiedź: Najnowocześniejsze substraty obsługują do 10 000 wprowadzania/wyłączeń dla wysokiej wydajności układów, takich jak procesory graficzne, z rozstawem 50 μm między połączeniami.

P: Jak podłoże IC obsługuje wysokie częstotliwości (np. 100Gbps)?
A: Materiały o niskiej stratze (ABF, Dk=3.0) i kontrolowane ślady impedancji (50Ω) minimalizują tłumienie sygnału, podczas gdy poziomy naziemne zmniejszają EMI.

P: Czy substraty IC są drogie?
Odpowiedź: Tak, kosztują 5-10 razy więcej niż tradycyjne PCB ze względu na precyzyjną produkcję i wysokiej jakości materiały.ich rola w umożliwianiu wysokiej wydajności urządzeń sprawia, że są one opłacalne dla elektroniki premium.

P: Jaka jest przyszłość technologii podłoża IC?
Odpowiedź: 3D podłoże i integracja fotoniki (dla sygnałów optycznych) będą napędzać podłoże nowej generacji, obsługujące prędkości przesyłu danych 200Gbps+ i układy sztucznej inteligencji z tranzystorami 100B+.

Wniosek
PCB podłoża IC są kluczowym ogniwem między stale kurczącym się światem IC i większym ekosystemem PCB, umożliwiając wydajność i miniaturyzację, które definiują współczesną elektronikę.Od smartfonów 5G do procesorów graficznych w centrach danych, te wyspecjalizowane podłoża obsługują najbardziej wymagające wymagania sygnałowe, mocy i cieplne, często bez uznania, na jakie zasługują.
W miarę jak procesory będą się rozwijać, z mniejszymi węzłami, większą liczbą I/O i szybszymi prędkościami, PCB na podłożu IC będą ewoluowały w parze, przyjmując integrację 3D, wbudowane komponenty,i nowych materiałów w celu zaspokojenia nowych potrzebDla inżynierów i producentów zrozumienie tych substratów nie jest już opcjonalne, ale niezbędne do utrzymania konkurencyjności na rynku, na którym osiągi i wielkość są najważniejsze.
W końcu PCB z podłoża IC mogą być ukryte przed widokiem, ale ich wpływ jest widoczny w każdym szybkim, wydajnym urządzeniu, na którym codziennie polegają.