IC-substraat-PCB's: kernfuncties en belangrijke toepassingen in geavanceerde elektronica

IC-substraat-PCB's vormen een cruciale brug tussen geïntegreerde schakelingen (IC's) en traditionele printplaten.De miniaturisatie en de hoge prestaties die in de hedendaagse elektronica vereist zijnIn tegenstelling tot standaard PCB's zijn deze gespecialiseerde substraten ontworpen om de ultrafijne pitchverbindingen van moderne chips te verwerken.ondersteunt gegevenssnelheden tot 112 Gbps en vermogen dichten die conventionele circuit boards zou overweldigenVan smartphones tot datacenter servers, IC-substraat PCB's zijn de onbekende helden die de volgende generatie technologie mogelijk maken.

Deze gids onderzoekt de unieke functies van PCB's op IC-substraat, de complexiteit van hun productie, het verschil met traditionele PCB's en hun onmisbare rol in belangrijke industrieën.Of u nu een 5G-modem of een high-performance GPU ontwerpt, is het begrijpen van deze substraten essentieel om de beste prestaties te bereiken.

Belangrijkste lessen
1.IC-substraat-PCB's dienen als “interposers” tussen IC's en PCB's en vertalen de ultrafijne toonhoogte (≤50 μm) van chips naar de grofere toonhoogte (≥100 μm) van standaard-PCB's.
2.Ze ondersteunen een 3×5x hogere I/O-dichtheid dan traditionele PCB's, met maximaal 10.000 verbindingen per chip, cruciaal voor moderne processors en 5G-transceivers.
3.Geavanceerde materialen zoals BT-hars (bismaleimide triazine) en ABF (Ajinomoto Build-up Film) zorgen voor een hoge frequentie (tot 112 Gbps) met een laag signaalverlies.
4Belangrijke toepassingen zijn onder meer smartphones (AP/BB-chips), datacenterservers (CPU's/GPU's) en automotive-elektronica (ADAS-chips), waarbij naar verwachting de wereldwijde markt tegen 2026 $ 35 miljard zal bereiken.

Wat zijn IC-substraat-PCB's?
IC-substraat-PCB's zijn high-density interconnect (HDI) -structuren die zijn ontworpen om geïntegreerde schakelingen (zoals CPU's, GPU's en RF-chips) fysiek en elektrisch aan te sluiten op grotere PCB's.Ze fungeren als een vertalingslaag.,?? het omzetten van de kleine, dicht op elkaar geplaatste pinnen van een IC (vaak <50 μm pitch) in de grotere, ruim op elkaar geplaatste pads op een standaard PCB (meestal 100 μm+ pitch).

Kerncomponenten
a.Basismateriaal: BT-hars (bismaleimide triazine) of ABF (Ajinomoto Build-up Film) voor een hoge thermische stabiliteit en een laag dielectriciteitsverlies.
b.koperlagen: dunne (12-18 μm) kopersporen met een lijn/ruimte (L/S) van maximaal 10/10 μm, waardoor een dichte routing mogelijk is.
c. Vias: microvias (50-100 μm in diameter) met een aspectverhouding tot en met 1:1, het verbinden van lagen zonder te veel ruimte in te nemen..
d. oppervlakteafwerking: elektroless nikkel-onderdompelingsgoud (ENIG) of nikkel-palladiumgoud (ENEPIG) voor betrouwbare soldeerslijpen met IC-bollen.

Hoe IC-substraat-PCB's werken
De primaire functie van een IC-substraat-PCB is om de “pitch mismatch” tussen IC's en PCB's op te lossen:
1.Chip bevestiging: de IC (bijv. de applicatieprocessor van een smartphone) is met een flip-chip aan het substraat gebonden via soldeerknoppen, waarbij elke knop wordt aangesloten op een pad op het substraat.
2Signal routing: het substraat traceert fijn pitch signalen van de IC's bumps naar grotere pads aan de onderkant van het substraat.
3.PCB-verbinding: het substraat wordt vervolgens via soldeerballen (BGA) op een standaard PCB gemonteerd, waardoor de IC's met een hoge dichtheid worden verwerkt in de PCB's met een lagere dichtheid.
Dit proces zorgt ervoor dat signalen met minimaal verlies reizen, zelfs bij snelheden van meer dan 100 Gbps, terwijl de warmte die wordt gegenereerd door krachtige chips wordt beheerd.

IC-substraat-PCB's versus traditionele PCB's: belangrijkste verschillen
IC-substraat-PCB's zijn veel complexer dan standaard-PCB's, met specificaties die zijn afgestemd op IC-integratie:

Kernfuncties van IC-substraat-PCB's
IC-substraat-PCB's vervullen vier belangrijke rollen die geavanceerde elektronica mogelijk maken:
1. High-Density Signal Routing
Moderne IC's (bijv. 7nm-processors) hebben duizenden I/O-pins verpakt in kleine afdrukken (bijv. 15mm×15mm).het vermijden van overspel en signaalverliesBijvoorbeeld, een 5G-modem®s IC-substraat verwerkt meer dan 2.000 RF- en digitale signalen, die elk een precieze impedantieregeling (50Ω) vereisen om de 28GHz-prestaties te behouden.

2. Thermisch beheer
High-power chips (bijv. GPU's) genereren 100W+ warmte, die moet worden verdampt om verstikking te voorkomen. IC-substraten gebruiken:
a.Thermologisch geleidende materialen: BT-hars met keramische vulstoffen verbetert de warmteoverdracht naar koelpunten.
b.Koperwarmteverspreiders: dikke (70 μm) koperlagen in het substraat verdelen de warmte gelijkmatig.
Gegevens: Een IC-substraat met een koperen warmteverspreider verlaagt de chipverbindingstemperatuur met 15 °C in vergelijking met een standaardsubstraat, waardoor de betrouwbaarheid met 30% wordt verbeterd.

3Verdeling van de stroom
IC's vereisen een stabiel vermogen (bijv. 0,8V voor CPU's) met minimaal lawaai.
a. Power planes: dunne, continue koperschichten die alle IC-pins van stroom voorzien.
b. Integratie van ontkoppelende condensatoren: ingebedde condensatoren (grootte 01005) verminderen de spanningsgolf.
Resultaat: Spanningsverschillen in de IC worden onder de 2% gehouden, waardoor een stabiele prestatie wordt gewaarborgd, zelfs bij grote belastingen (bijvoorbeeld bij het spelen op een smartphone).

4. Mechanische ondersteuning
IC's zijn broos, met soldeerbollen die onder thermische of mechanische spanning snel kunnen barsten.
a.Match CTE (coëfficiënt van thermische uitbreiding): BT-hars (12 ∼16 ppm/°C) komt nauw overeen met silicium (2,6 ppm/°C), waardoor de spanning tijdens temperatuurcycli wordt verminderd.
b. Bied stijfheid: voorkom buigingen die IC-bollen kunnen beschadigen, cruciaal voor valbestendige apparaten zoals smartphones.

Productieproces van PCB's op IC-substraat
De productie van IC-substraten vereist een nauwkeurige fabricage die verder gaat dan standaard PCB-processen:
1Voorbereiding van het basismateriaal: BT-hars of ABF-platen worden op maat gesneden, met op één of beide zijden een koperen folie gelamineerd.
2.Build-Up Layers: met behulp van fotolithografie worden lagen opeenvolgend toegevoegd:
a. Patroonvorming: UV-licht legt fotoresistent bloot door een masker, waardoor sporenpatronen worden bepaald.
b.Etsen: Onbeschermd koper wordt verwijderd, waardoor fijne sporen achterblijven.
c. Microvia-boren: laserboren zorgt voor 50-100 μm via's tussen lagen.
3Platering: Vias worden bekleed met koper om lagen te verbinden, waardoor geleidbaarheid wordt gewaarborgd.
4Oppervlakteafwerking: ENIG of ENEPIG wordt op pads aangebracht om een betrouwbare soldeerbinding met IC-hopen te garanderen.
5.Inspectie: AOI (Automated Optical Inspection) en röntgenfoto's verifiëren de nauwkeurigheid en kwaliteit van de sporen, met een gebrekstolerantie van < 1 per 10.000 sporen.

Belangrijkste toepassingen van PCB's op IC-substraat
IC-substraat-PCB's zijn essentieel in industrieën die hoge prestaties vereisen, miniaturiseerde elektronica:
1. Mobiele apparaten
Smartphones en tablets:
Applicatieprocessors (AP's): IC-substraten verbinden 7nm/5nm-chips (bijv. Qualcomm Snapdragon, Apple A-serie) met de belangrijkste pcb en verwerken meer dan 1.000 signalen voor CPU-, GPU- en AI-kernen.
5G-modems: Substraten met ABF-materiaal met een laag verlies ondersteunen 28GHz/39GHz mmWave-signalen, waardoor multi-gigabit-gegevenssnelheden mogelijk zijn.
Voorbeeld: De nieuwste vlaggenschip-smartphone maakt gebruik van een 6-lagig IC-substraat met 20/20μm L/S om de 5nm AP te verbinden, waardoor de totale apparaatdikte met 0,5 mm wordt verminderd in vergelijking met eerdere ontwerpen.

2Datacenters en computing
Servers en werkstations:
CPU's/GPU's: High-power chips (bijv. Intel Xeon, NVIDIA H100) gebruiken IC-substraten met ingebedde warmteverspreiders om 400W+ vermogen en 100Gbps+ inter-chipsignalen te verwerken.
Geheugenmodules: Substraten voor DDR5 en HBM (High-Bandwidth Memory) maken 8400 Mbps-gegevenssnelheden mogelijk met strakke timingmarges.
Trend: 3D-IC-substraten (stapelingen) komen naar voren om multi-chipmodules (MCM's) te verbinden, waardoor de signaalvertraging tussen chips met 40% wordt verminderd.

3. Automobilische elektronica
Geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS):
Radar/LiDAR-chips: IC-substraten met BT-hars bij hoge temperatuur (-40 °C tot 125 °C) verbinden ADAS-processors (bijv. NVIDIA Orin) met sensoren, waardoor een betrouwbare werking in ruwe omgevingen wordt gewaarborgd.
Infotainmentsystemen: Substraten ondersteunen 4K-displayinterfaces en 5G-connectiviteit, met trillingsbestendige ontwerpen (20G+).
Naleving: IC-substraten voor de automobielindustrie voldoen aan de IATF 16949-normen, waarbij voor veiligheidskritische systemen geen gebreken vereist zijn.

4. Consumentenelektronica
a.Wearables: Smartwatches en AR-brillen maken gebruik van ultradunne (0,2 mm) IC-substraten om kleine chips (bijv. hartslagmonitors) aan compacte PCB's te verbinden, met flexibele opties voor gebogen ontwerpen.
b.Gamingconsoles: High-performance GPU's in consoles (bijv. PlayStation 5, Xbox Series X) zijn afhankelijk van IC-substraten met 15/15μm L/S om 4K/120fps grafische verwerking te verwerken.

Opkomende trends in PCB's voor IC-substraten
Naarmate de elektronica op weg is naar hogere prestaties en miniaturisatie, evolueren IC-substraten:
a.3D-integratie: gestapelde IC-substraten (3D-IC's) verminderen de signaalpaden tussen chips met 50%, waardoor snellere gegevensoverdracht in AI-versnellers mogelijk is.
b.Ingebedde componenten: condensatoren en resistoren die in substraten zijn ingebed, besparen ruimte en verminderen de parasitaire inductantie, die van cruciaal belang is voor signalen van 112 Gbps +.
c.Duurzaamheid: Recyclebare BT-hars en loodvrije bekleding (ENEPIG) voldoen aan de richtlijnen RoHS en EU EcoDesign, waardoor de milieueffecten worden verminderd.

Vaak gestelde vragen
V: Waarom kunnen traditionele PCB's PCB's van IC-substraten niet vervangen?
A: Traditionele PCB's hebben niet de fijne toonhoogte (≤50 μm L/S) en de materiaalprestaties (lage Dk/Df) die nodig zijn om moderne IC's te verbinden.en thermische problemen.

V: Wat is het maximale aantal I/O's voor een IC-substraat?
A: Vooraanstaande substraten ondersteunen tot 10.000 I/O's voor high-performance chips zoals GPU's, met 50 μm tussen de verbindingen.

V: Hoe verwerken IC-substraten hoge frequenties (bijvoorbeeld 100 Gbps)?
A: Materiaal met lage verliezen (ABF, Dk=3,0) en gecontroleerde impedantiespuren (50Ω) minimaliseren de signaaladmentering, terwijl grondvlakken EMI verminderen.

V: Zijn IC-substraten duur?
A: Ja, ze kosten 5×10x meer dan traditionele PCB's vanwege de fijne fabricage en de hoogwaardige materialen.hun rol bij het mogelijk maken van hoogwaardige apparaten maakt ze kosteneffectief voor premium-elektronica.

V: Wat is de toekomst van IC-substraattechnologie?
A: 3D gestapelde substraten en fotonica-integratie (voor optische signalen) zullen de volgende generatie substraten aansturen, die 200Gbps+ gegevenssnelheden en AI-chips met 100B+ transistors ondersteunen.

Conclusies
IC-substraat-PCB's zijn de cruciale schakel tussen de steeds krimpende wereld van IC's en het grotere PCB-ecosysteem, waardoor de prestaties en miniaturisatie die moderne elektronica definiëren, mogelijk worden gemaakt.Van 5G-smartphones tot datacenter GPU'sDeze gespecialiseerde substraten kunnen de meest veeleisende signaal-, vermogen- en thermische eisen aanvullen, vaak zonder de erkenning te krijgen die ze verdienen.
Naarmate chips blijven evolueren – met kleinere knooppunten, hogere I/O-tellingen en hogere snelheden – zullen IC-substraat-PCB's in lockstep evolueren, waarbij 3D-integratie, ingebedde componenten,en nieuwe materialen om aan nieuwe behoeften te voldoenVoor ingenieurs en fabrikanten is het begrijpen van deze substraten niet langer optioneel, maar essentieel om concurrerend te blijven in een markt waar prestaties en grootte alles zijn.
Uiteindelijk zijn IC-substraat-PCB's misschien verborgen voor het zicht, maar hun impact is zichtbaar in elk snel en krachtig apparaat waar we dagelijks op vertrouwen.