Podłoże IC (IC substrate, package substrate) to cienka, wielowarstwowa płytka wewnątrz obudowy układu scalonego, która przenosi sygnały i zasilanie z bardzo drobnych wyprowadzeń krzemu na znacznie większy raster kulek lutowniczych, którymi obudowa łączy się ze zwykłą płytką PCB. Technologicznie jest bliskie płytce HDI, ale z liniami i odstępami o rząd wielkości drobniejszymi, cieńszymi warstwami i znacznie bardziej rygorystyczną kontrolą płaskości. Zamawiający płytkę PCB zwykle nie zamawia podłoża osobno: jest ono częścią zakupionego układu (BGA, CSP, flip-chip, moduł wielochipowy), a jego jakość wpływa na to, jak układ zachowa się przy lutowaniu na Twojej płytce.
Podłoże IC a zwykła płytka PCB
| Cecha | Zwykła płytka PCB | Płytka HDI | Podłoże IC |
|---|---|---|---|
| Szerokość linii / odstęp (orientacyjnie) | Rzędu 75–100 µm i więcej | Rzędu 50–75 µm, w zaawansowanych 40 µm i mniej | Rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu µm, w najnowszych konstrukcjach jeszcze mniej |
| Dielektryk między warstwami | Od kilkudziesięciu µm do ponad 100 µm | Zwykle 50–100 µm w narostach | Często kilkanaście do kilkudziesięciu µm w warstwach narostowych |
| Wiercenie | Mechaniczne, laserowe dla mikroprzelotek | Laserowe mikroprzelotki | Laserowe mikroprzelotki o małych średnicach, wypełniane miedzią |
| Płaskość i wygięcie | Wymagania ogólne wg normy i rysunku (zwykle ułamki procenta długości boku) | Zaostrzone | Kluczowe dla jakości lutowania BGA; określane w temperaturze lutowania |
| Rozmiar | Do wielkości kilkudziesięciu centymetrów | Podobny | Od kilku do kilkudziesięciu milimetrów |
| Łańcuch dostaw | Wytwórcy PCB | Wytwórcy PCB z linią HDI | Wyspecjalizowani wytwórcy podłoży dla producentów obudów |
Podane zakresy to orientacyjne rzędy wielkości, które mocno zmieniają się między generacjami technologii i wytwórcami. Nie są parametrami OurPCB ani gwarancją czyichkolwiek możliwości. Dla zwykłych płytek granice produkcji ustala wytwórca, o czym piszemy w artykułach o HDI i stosach warstw.
Struktura warstw: rdzeń i narost
Najpopularniejsze organiczne podłoża mają rdzeń z laminatu wzmocnionego szkłem (np. BT, bismaleimide triazine) z warstwami narostowymi po obu stronach, wykonanymi z cienkiego filmu dielektrycznego (m.in. ABF, Ajinomoto Build-up Film) osadzanego sekwencyjnie. Zapisuje się to jak w HDI: 3-2-3 oznacza rdzeń o dwóch warstwach i po trzy warstwy narostowe z każdej strony (razem osiem). Warianty bezrdzeniowe (coreless) pomijają rdzeń, co zmniejsza grubość, ale utrudnia utrzymanie płaskości. Podłoża ceramiczne i elastyczne (poliimid) stosuje się, gdy wymagana jest odporność cieplna lub cienka, zginana konstrukcja.
Warstwy narostowe są cienkie i sekwencyjne, więc każdy kolejny poziom to kolejny cykl laminacji, wiercenia laserowego i metalizacji; analogiczną zależność liczenia cykli dla HDI opisujemy w artykule o stosie HDI.
Połączenia: od krzemu do płytki PCB
- Pierwszy poziom (chip – podłoże): łączenie drutowe (wire bonding) cienkim drutem między padami chipu a polami podłoża albo flip-chip, czyli mikrokulki lub słupki (bumps) na chipie przylutowane bezpośrednio do pól podłoża. Flip-chip skraca drogę sygnału i pozwala na większą liczbę wyprowadzeń, ale wymaga drobniejszego rastra na podłożu.
- Drugi poziom (podłoże – płytka PCB): kulki lutownicze BGA. Typowe rastry kulek na obudowie to 1,0; 0,8; 0,65; 0,5 i 0,4 mm; wybór wynika z liczby wyprowadzeń i rozmiaru obudowy.
Główne zadanie podłoża to „rozwachlarzowanie” (fan-out): przykład założeniowy. Chip flip-chip ma raster bumpów 130 µm, a obudowa raster kulek 0,8 mm. Podłoże musi rozprowadzić sygnały z rastra 130 µm do 800 µm, czyli powiększyć odstęp około 6,2 razy (800 / 130 = 6,15).
Dlaczego zwykła płytka nie wystarcza: przykład liczbowy
Ilu ścieżek zmieści się między dwoma sąsiednimi bumpami? Wzór: ⌊(p − d − s) / (w + s)⌋, gdzie p to raster, d średnica pola, w szerokość ścieżki, s odstęp. Przykład założeniowy: raster 130 µm, pole 80 µm, ścieżka i odstęp po 10 µm daje ⌊(130 − 80 − 10) / 20⌋ = 2 ścieżki. Dla zwykłej płytki z liniami 75/75 µm i polami 0,3 mm przy rastrze 0,5 mm wychodzi ⌊(500 − 300 − 75) / 150⌋ = 0 ścieżek. Pokazuje to, dlaczego drobny raster flip-chip wymaga linii rzędu kilkunastu µm, jakie ma podłoże, a nie zwykła płytka.
Wygięcie (warpage) i różnica rozszerzalności
Krzem rozszerza się cieplnie około 2,6 ppm/K, a laminaty organiczne kilkanaście ppm/K (wartości orientacyjne, zależne od materiału). Podczas lutowania w piecu rozpływowym ta różnica wygina obudowę, co grozi przesunięciem kulek, odsłonięciem pól i brakiem styku w narożnikach BGA. Przykład założeniowy: różnica rozszerzalności 11,4 ppm/K (14 − 2,6), zmiana temperatury 200 K i odległość od środka chipu do narożnika (DNP) 10 mm daje przesunięcie względne 11,4·10⁻⁶ · 200 · 10 mm = 0,0228 mm, czyli 22,8 µm. To stosunkowo dużo wobec rastra 130 µm i uzasadnia, dlaczego podłoża projektuje się pod płaskość w temperaturze lutowania, a nie tylko w temperaturze pokojowej. Metody pomiaru wygięcia obudów w podwyższonej temperaturze opisuje normatywnie JEDEC; konkretne dopuszczalne wartości podaje producent układu w dokumentacji obudowy.
Wykończenie i procesy
- Metoda tworzenia miedzi: proces subtraktywny (trawienie) wystarcza dla zwykłych płytek; dla drobnych linii podłoży używa się metod addytywnych lub póładdytywnych (SAP, mSAP), w których miedź narasta tylko tam, gdzie ma być ścieżka.
- Wykończenie pól: często ENIG lub ENEPIG, a dla bondowania złotem wykończenia przeznaczone do tego; porównanie w artykułach ENEPIG i HASL kontra ENIG.
- Maska lutownicza: rejestracja i otwory maski są tu krytyczne, bo pola są bardzo małe.
- Kontrola: AOI, pomiary elektryczne ciągłości i izolacji, kontrola przekrojów i badania niezawodności.
Co z tego wynika dla Twojej płytki PCB
- Przy układach BGA o drobnym rastrze to wykończenie pól i płaskość płytki docelowej przesądzają o jakości lutowania; zob. lutowanie BGA i rodzaje pakietów BGA.
- Profil lutowania układu BGA bierze się z karty obudowy (maksymalna temperatura i czas). Wygięcie podłoża zależy od tego, jak płytka i obudowa się nagrzewają.
- Kontrola rentgenowska pokazuje kulki pod obudową (kontrola rentgenowska).
- Obudowy i ich dobór opisuje artykuł o pakowaniu układów scalonych, a montaż drobnych obudów strona o montażu PCB wysokiej gęstości.
Czego nie zweryfikowano: aktualnych granic linii i odstępów u wytwórców podłoży, współczynników rozszerzalności konkretnych materiałów, grubości warstw narostowych oraz dopuszczalnych wartości wygięcia (zależą od układu i producenta obudowy). Zakresy w tabeli są orientacyjne, a przykłady liczbowe założeniowe.
