Substrat IC adalah pembawa tipis berlapis di dalam paket chip. Ini menghubungkan silikon mati ke PCB utama dengan menyebarkan bantalan mati kecil ke dalam pitch bola solder, merutekan sinyal dan daya, menambah kekakuan selama reflow, dan membantu penyebaran panas. Artikel ini memberikan informasi tentang jenis substrat, struktur, bahan, perutean, proses, hasil akhir, aturan desain, dan pemeriksaan keandalan.
Ikhtisar Substrat IC
Substrat IC, juga disebut substrat paket IC, adalah pembawa tipis berlapis di dalam paket chip. Itu berada di antara silikon die dan papan sirkuit tercetak utama (PCB). Tugas utamanya adalah menghubungkan bantalan kontak yang sangat kecil dari die ke bola solder yang berjarak lebih jauh, sehingga paket dapat menempel pada papan. Ini juga membantu menahan cetakan di tempatnya, menjaga paket agar tidak terlalu banyak menekuk selama pemanasan, dan memberikan panas jalur yang lebih lebar untuk menyebar ke seluruh paket dan ke papan.
Perbandingan Substrat IC vs PCB
| Fitur | Substrat IC | PCB Standar |
|---|---|---|
| Pekerjaan utama | Menghubungkan silikon mati di dalam paket ke papan melalui kontak paket | Menghubungkan suku cadang dan konektor di seluruh papan sirkuit |
| Kepadatan perutean | Kepadatan perutean yang sangat tinggi dengan garis dan jarak yang sangat halus | Kepadatan perutean yang lebih rendah dengan garis dan jarak yang lebih lebar daripada substrat |
| Vias | Mikrovia umum untuk koneksi vertikal pendek dan padat antar lapisan | Mikrovia dapat digunakan di papan HDI, tetapi banyak papan menggunakan vias yang lebih besar |
| Penggunaan umum | Digunakan di dalam paket chip seperti paket BGA, CSP, dan flip-chip | Digunakan sebagai papan sistem utama dalam produk seperti ponsel, router, dan PC |
Perutean Sinyal Melalui Substrat IC
Di dalam paket, substrat menyediakan jalur pendek dan terkontrol untuk sinyal dan daya antara die dan bola solder.
• Bantalan mati terhubung ke substrat dengan ikatan kawat, tonjolan (flip-chip), atau TAB.
• Lapisan internal merutekan sinyal ke luar sambil menjaga target impedansi tetap konsisten.
• Bidang daya dan ground mendistribusikan arus dan mengurangi pantulan pasokan.
• Bola solder di bagian bawah menghubungkan paket ke PCB utama.
Struktur Substrat Inti dan Penumpukan
• Inti: tulang punggung struktural; dielektrik yang lebih tebal; mendukung kekakuan mekanis dan perutean yang lebih luas jika digunakan
• Lapisan penumpukan: dielektrik tipis + perutean tembaga halus untuk kipas padat
• Microvias: tautan vertikal pendek antara lapisan penumpukan terdekat
Bahan Substrat IC Umum dan Faktor Pemilihan
| Keluarga material | Contoh | Kekuatan khas |
|---|---|---|
| Organik kaku | ABF, BT, sistem epoksi | Mendukung perutean penumpukan halus, menskalakan dengan baik untuk produksi volume, dan menyeimbangkan kebutuhan listrik dan mekanik |
| Fleksibel organik | Berbasis polimida | Memungkinkan perutean menekuk sambil tetap tipis, yang membantu dalam tata letak yang membutuhkan koneksi fleksibel |
| Keramik | Al₂O₃, AlN | Ekspansi termal rendah untuk stabilitas dimensi yang lebih baik dan penanganan panas yang kuat dibandingkan dengan banyak bahan organik |
Jenis Substrat IC berdasarkan Gaya Paket
| Jenis substrat | Paling cocok |
|---|---|
| Substrat BGA | Mendukung jumlah I/O yang tinggi dan kinerja paket keseluruhan yang kuat |
| Substrat CSP | Dibuat untuk kemasan tipis dengan jejak yang ringkas |
| Substrat flip-chip | Memungkinkan koneksi pendek dan perutean yang sangat padat antara cetakan dan substrat |
| Substrat MCM | Mendukung beberapa cetakan yang ditempatkan dan dihubungkan dalam satu paket |
Metode Interkoneksi Die-to-Substrat
• Metode koneksi memengaruhi tata letak pad, batas pitch, dan persyaratan perakitan.
• Ikatan kawat: kabel tipis menghubungkan bantalan mati untuk mengikat jari-jari pada substrat.
• Flip-chip: tonjolan kecil menghubungkan cetakan langsung ke bantalan pada substrat, menciptakan jalur listrik pendek.
• TAB: ikatan berbasis pita yang menggunakan film tipis untuk membawa dan menghubungkan timah, sering digunakan saat format pita diperlukan.
Proses Fabrikasi Substrat IC Garis Halus
| Proses | Ide inti | Tujuan |
|---|---|---|
| Subtraktif | Dimulai dengan lapisan tembaga dan menghilangkan tembaga yang tidak diinginkan dengan etsa | Banyak digunakan dan dipahami dengan baik, dengan pengulangan yang solid untuk banyak lapisan substrat |
| Aditif | Membangun tembaga hanya di tempat yang diperlukan jejak dan bantalan, menggunakan pelapisan selektif | Membantu membentuk fitur yang sangat halus dengan kontrol yang lebih ketat atas bentuk kecil |
| MSAP/mSAP | Menggunakan lapisan biji tipis, lalu piring dan terukir ringan dengan cara yang terkontrol | Mendukung target garis dan ruang yang lebih kecil sambil menjaga kontrol ketebalan yang baik |
Formasi Mikrovia dan Kualitas Bangunan
Mikrovia menghubungkan lapisan penumpukan dalam tumpukan padat. Karena kecil, geometri dan kualitas tembaganya sangat mempengaruhi kontinuitas jangka panjang dan stabilitas ketahanan.
Pengeboran laser membentuk vias kecil dan dangkal di antara lapisan terdekat. Pelapisan tembaga melapisi dinding via untuk menciptakan jalur konduktif yang berkelanjutan. Melalui pengisian melengkapi struktur dengan mengurangi rongga dan bantalan pendukung, yang membantu ketika via duduk di bawah bantalan.
Permukaan Akhir untuk Substrat IC
| Selesai | Apa yang membantu |
|---|---|
| ENIG | Memberikan permukaan yang halus dan dapat disolder dan membantu melindungi tembaga dari korosi. |
| ENEPIG | Mendukung lebih banyak opsi ikatan dan membantu membentuk sambungan solder yang kuat dan andal. |
| Varian emas | Digunakan ketika permukaan membutuhkan kinerja kontak yang stabil atau lapisan emas yang cocok untuk metode ikatan tertentu. |
Aturan Desain Substrat Yang Mempengaruhi Hasil
Target Garis/Luar Angkasa
Kunci lebar dan jarak baris minimum lebih awal, dan jaga agar target tetap selaras dengan apa yang dapat diulang proses secara konsisten di semua lapisan perutean.
Melalui Strategi
Tentukan pasangan lapisan mikrovia dan batas kedalaman lebih awal. Tetapkan aturan yang jelas untuk via-in-pad, isi info, dan zona larangan apa pun yang melindungi perutean halus.
Menumpuk
Perbaiki jumlah lapisan inti dan build-up lebih awal dan tetapkan peran perutean per lapisan sehingga perubahan perutean tidak memaksa pengerjaan ulang penumpukan utama nanti.
Anggaran Warpage
Tentukan batas warpage di seluruh langkah reflow dan perakitan, dan jaga agar keseimbangan tembaga dan simetri lapisan tetap dikontrol sehingga substrat tetap dalam batas.
Strategi Uji
Rencanakan akses pengujian untuk kontrol kontinuitas dan korsleting. Cadangkan bantalan dan jalur perutean yang cukup sehingga cakupan tidak menyusut saat kepadatan meningkat.
Kesimpulan
Substrat IC mendukung paket chip dengan menyediakan perutean padat, bidang daya dan tanah, dan tautan vertikal pendek melalui mikrovia. Lapisan inti dan penumpukan mereka mengatur kemampuan fan-out dan kekakuan paket. Pilihan bahan, proses garis halus, kualitas pembuatan mikrovia, dan hasil akhir permukaan memengaruhi hasil. Hasil tergantung target online/ruang, melalui strategi, penumpukan, kontrol warpage, dan perencanaan pengujian, didukung oleh AOI, tes listrik, penampang, dan sinar-X.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Lebar dan jarak garis apa yang dapat dicapai substrat IC?
Substrat IC dapat menggunakan garis/ruang sub-10 μm pada lapisan penumpukan, dengan target yang lebih ketat pada proses lanjutan.
Seberapa tebal substrat IC?
Ketebalan tergantung pada gaya paket dan jumlah lapisan, mulai dari di bawah 0,3 mm untuk CSP tipis hingga lebih dari 1,0 mm untuk BGA lapisan tinggi.
Sifat listrik material mana yang paling penting?
Konstanta dielektrik (Dk), faktor disipasi (Df), dan resistansi isolasi. Stable Dk mendukung kontrol impedansi; Df rendah menurunkan kehilangan sinyal.
Apa mode kegagalan substrat IC yang umum?
Retak mikrovia, kelelahan tembaga, delaminasi lapisan, dan kelelahan sambungan solder pada antarmuka bola.
Kebutuhan desain tambahan apa yang disertakan dengan sinyal berkecepatan tinggi?
Kontrol impedansi yang lebih ketat, jalur balik pendek, crosstalk yang lebih rendah, dan jarak jejak yang hati-hati dengan bidang referensi yang padat.
Bagaimana substrat IC berubah untuk paket AI dan HPC?
Jumlah lapisan yang lebih tinggi, garis/ruang yang lebih halus, pengiriman daya yang lebih kuat, ukuran bodi yang lebih besar, dan dukungan yang lebih baik untuk tata letak multi-die atau chiplet.
