Um substrato de CI é um portador fino e em camadas dentro de um pacote de chip. Ela conecta o chip de silício à PCB principal espalhando pequenas pastilhas de die no passo da bola de solda, roteando sinais e energia, adicionando rigidez durante o reflow e ajudando na propagação do calor. Este artigo fornece informações sobre tipos de substrato, estrutura, materiais, roteamento, processos, acabamentos, regras de projeto e verificações de confiabilidade.
Visão geral do substrato IC
Um substrato de CI, também chamado de substrato de pacote de CI, é um portador fino e em camadas dentro de um pacote de chip. Ele fica entre o chip de silício e a placa principal de circuito impresso (PCB). Sua principal função é conectar as pequenas almofadas de contato do die a bolas de solda que ficam mais espaçadas, para que o pacote possa ser fixado à placa. Também ajuda a manter o chip no lugar, evita que o pacote dobre demais durante o aquecimento e dá ao calor um caminho mais amplo para se espalhar pelo restante do pacote e pela placa.
Comparação entre Substrato IC e PCB
| Característica | Substrato IC | PCB padrão |
|---|---|---|
| Emprego principal | Conecta o chip de silício dentro de um pacote à placa através dos contatos do pacote | Conecta peças e conectores em toda a placa de circuito |
| Densidade de roteamento | Densidade de roteamento muito alta com linhas e espaçamento muito finos | Menor densidade de roteamento com linhas e espaçamento mais largos do que o substrato |
| Vias | Microvias são comuns para conexões verticais curtas e densas entre camadas | Microvias podem ser usadas em placas HDI, mas muitas placas usam vias maiores |
| Uso típico | Usado dentro de pacotes de chips como BGA, CSP e pacotes flip-chip | Usado como placa principal em produtos como celulares, roteadores e PCs |
Roteamento de sinais através do substrato do CI
Dentro do pacote, o substrato fornece caminhos curtos e controlados para sinais e energia entre o die e as bolas de solda.
• Pads de die conectam-se ao substrato por ligações de fio, saliências (flip-chip) ou TAB.
• Camadas internas roteiam sinais para fora mantendo os alvos de impedância consistentes.
• Planos de energia e terra distribuem a corrente e reduzem o salto da alimentação.
• Esferas de solda na parte inferior conectam o encapsulamento à placa principal.
Estrutura do Núcleo e Substrato de Construção
• Núcleo: a espinha dorsal estrutural; dielétrico mais espesso; suporta rigidez mecânica e roteamento mais largo quando usado
• Camadas de acumulação: dielétrico fino + fresagem fina de cobre para leque denso
• Microvias: pequenos elos verticais entre camadas próximas de acumulação
Materiais Comuns de Substrato de CI e Fatores de Seleção
| Família material | Exemplos | Forças típicas |
|---|---|---|
| Orgânica rígida | ABF, BT, sistemas epóxi | Suporta roteamento fino de acumulação, escala bem para produção em volume e equilibra necessidades elétricas e mecânicas |
| Flex Organic | Baseado em poliimida | Permite que o roteamento se dobre mantendo fino, o que ajuda em layouts que precisam de conexões flexíveis |
| Cerâmica | Al₂O₃, AlN | Baixa expansão térmica para melhor estabilidade dimensional e forte manejo térmico em comparação com muitos materiais orgânicos |
Tipos de Substrato de CI por Estilo de Embalagem
| Tipo de substrato | Melhor encaixe |
|---|---|
| Substrato BGA | Suporta alta contagem de I/O e forte desempenho geral de pacotes |
| Substrato CSP | Construído para pacotes finos com footprint compacto |
| Substrato flip-chip | Permite conexões curtas e um roteamento muito denso entre o die e o substrato |
| Substrato MCM | Suporta múltiplos dies colocados e conectados em um único pacote |
Métodos de Interconexão Die-to-Substrate
• O método de conexão afeta o layout da plataforma, limites de passo e requisitos de montagem.
• Ligação por fio: fios finos conectam pads de matriz aos dedos de ligação no substrato.
• Flip-chip: pequenos relevos conectam o die diretamente a pastilhas no substrato, criando caminhos elétricos curtos.
• TAB: ligação baseada em fita que utiliza um filme fino para transportar e conectar cabos, frequentemente usada quando é necessário formatar fita.
Processos de Fabricação de Substratos de CI de Linha Fina
| Processo | Ideia central | Propósito |
|---|---|---|
| Subtrativo | Começa com uma camada de cobre e remove cobre indesejado por meio de gravação | Amplamente utilizado e bem compreendido, com boa repetibilidade para muitas camadas de substrato |
| Aditivo | Constrói cobre apenas onde são necessários trilhos e pads, usando placas seletivas | Ajuda a formar características muito finas com controle mais rigoroso sobre formas pequenas |
| MSAP/mSAP | Usa uma camada fina de semente, depois faz placas e grava levemente de forma controlada | Suporta alvos menores de linha e espaço mantendo bom controle de espessura |
Formação e Qualidade de Construção da Microvia
Microvias conectam camadas de acumulação em pilhas densas. Por serem pequenos, sua geometria e qualidade do cobre afetam fortemente a continuidade a longo prazo e a estabilidade da resistência.
A perfuração a laser forma pequenas vias rasas entre camadas próximas. O revestimento de cobre reveste as paredes do caminho para criar um caminho condutor contínuo. Preencher via completa a estrutura reduzindo vazios e apoiando as almofadas, o que ajuda quando um via fica sob uma base.
Acabamentos de Superfície para Substratos de CI
| Finalização | Com o que isso ajuda |
|---|---|
| ENIG | Proporciona uma superfície lisa e soldável e ajuda a proteger o cobre contra a corrosão. |
| ENEPIG | Apoia mais opções de aderência e ajuda a formar soldas fortes e confiáveis. |
| Variantes Gold | Usado quando uma superfície necessita de desempenho de contato estável ou de uma camada de ouro adequada para certos métodos de aderência. |
Regras de Projeto de Substrato que Afetam o Escoamento
Alvos de Linha/Espaço
Trave a largura e o espaçamento mínimos da linha cedo e mantenha os alvos alinhados com o que o processo pode repetir consistentemente em todas as camadas de roteamento.
Via Estratégia
Defina pares de camadas de microvia e limites de profundidade logo no início. Estabeleça regras claras para via-in-pad, preencha chamadas e quaisquer zonas de keep out que protejam roteamentos finos.
Empilhamento
Fixe o núcleo e a contagem de camadas de construção cedo e atribua papéis de roteamento por camada para que mudanças no roteamento não forcem grandes reformulações de empilhamento depois.
Orçamento de Warpage
Defina limites de empenamento entre as etapas de reflow e montagem, e mantenha o equilíbrio do cobre e a simetria das camadas controlados para que o substrato permaneça dentro do limite.
Estratégia de Teste
Planeje o acesso de teste para continuidade e controle de curtos-circuitos. Reserve bases e caminhos de rota suficientes para que a cobertura não diminua conforme a densidade aumenta.
Conclusão
Substratos de CI suportam pacotes de chip fornecendo roteamento denso, planos de energia e terra, e links verticais curtos através de microvias. Suas camadas principais e de construção estabelecem capacidade de expansão e rigidez do pacote. A escolha do material, os processos de linha fina, a qualidade de construção da microvia e os acabamentos superficiais afetam os resultados. O rendimento depende dos alvos online/espaciais, via estratégia, empilhamento, controle de dobra e planejamento de testes, apoiado por AOI, testes elétricos, seções transversais e raios X.
Perguntas Frequentes [FAQ]
Qual a largura e o espaçamento das linhas dos substratos de CI podem alcançar?
Substratos de CI podem usar linha/espaço abaixo de 10 μm em camadas de acumulação, com alvos mais precisos em processos avançados.
Qual a espessura de um substrato de CI?
A espessura depende do tipo de embalagem e da quantidade de camadas, variando de menos de 0,3 mm para CSP fino até mais de 1,0 mm para BGA em camadas altas.
Quais propriedades elétricas dos materiais são mais importantes?
Constante dielétrica (Dk), fator de dissipação (Df) e resistência de isolamento. Stable Dk suporta controle de impedância; Um Df baixo reduz a perda de sinal.
Quais são os modos comuns de falha do substrato do CI?
Rachaduras Microvia, fadiga de cobre, delaminação de camadas e fadiga da junta de solda na interface da esfera.
Quais necessidades extras de design vêm com sinais de alta velocidade?
Controle de impedância mais rigoroso, caminhos de retorno curtos, diafonia menor e espaçamento cuidadoso de traços com planos de referência sólidos.
Como os substratos de CI estão mudando para pacotes de IA e HPC?
Maior número de camadas, linha/espaço mais fino, entrega de potência mais forte, carrocerias maiores e melhor suporte para layouts multi-die ou chiplet.
