Un sustrato de CI es un portador delgado y en capas dentro de un paquete de chip. Conecta el chip de silicio con la PCB principal distribuyendo pequeñas pastillas de chip en el paso de la bola de soldadura, enrutando señales y potencia, añadiendo rigidez durante el reflujo y ayudando a la propagación del calor. Este artículo ofrece información sobre tipos de sustratos, estructura, materiales, enrutamiento, procesos, acabados, reglas de diseño y comprobaciones de fiabilidad.
Resumen del sustrato IC
Un sustrato de CI, también llamado sustrato de paquete de CI, es un portador delgado y en capas dentro de un paquete de chip. Se sitúa entre el chip de silicio y la placa principal de circuito impreso (PCB). Su función principal es conectar las pequeñas almohadillas de contacto del chip a bolas de soldadura que están más separadas, para que el paquete pueda fijarse a la placa. También ayuda a mantener el chip en su sitio, evita que el paquete se doblegue demasiado durante el calentamiento y da al calor un camino más amplio para extenderse al resto del paquete y a la placa.
Comparación entre sustrato de CI y PCB
| Característica | Sustrato IC | PCB estándar | |
|---|---|---|---|
| Trabajo principal | Conecta el chip de silicio dentro de un paquete a la placa a través de los contactos del paquete | Conecta piezas y conectores a lo largo de toda la placa de circuito | |
| Densidad de enrutamiento | Densidad de enrutado muy alta con líneas y espaciamiento muy finos | Menor densidad de enrutado con líneas y espaciamiento más anchos que el sustrato | |
| Vias | Las microvias son comunes para conexiones verticales cortas y densas entre capas | Microvias pueden usarse en placas HDI, pero muchas placas utilizan vias | más grandes |
| Uso típico | Utilizados dentro de paquetes de chips como BGA, CSP y paquetes flip-chip | Utilizado como placa principal en productos como teléfonos, routers y PCs |
Enrutamiento de señales a través del sustrato del CI
Dentro del encapsulado, el sustrato proporciona caminos cortos y controlados para las señales y la alimentación entre el chip y las bolas de soldadura.
• Las almohadillas de chip se conectan al sustrato mediante enlaces de cable, protuberancias (flip-chip) o TAB.
• Las capas internas enrutan las señales hacia el exterior manteniendo los objetivos de impedancia consistentes.
• Los planos de potencia y tierra distribuyen la corriente y reducen el rebote de alimentación.
• Las bolas de soldadura en la parte inferior conectan el paquete a la placa principal.
Estructura del núcleo y del sustrato de construcción
• Núcleo: la columna vertebral estructural; dieléctrico más grueso; Soporta rigidez mecánica y un enrutado más ancho cuando se utiliza
• Capas de acumulación: dieléctrico fino + fresado fino de cobre para un abanico denso
• Microvias: enlaces verticales cortos entre capas de acumulación cercanas
Materiales comunes de sustratos de CI y factores de selección
| Familia material | Ejemplos | Fortalezas típicas |
|---|---|---|
| Orgánico rígido | ABF, BT, sistemas epoxi | Soporta el enrutado de acumulación fina, escala bien para la producción en volumen y equilibra las necesidades eléctricas y mecánicas |
| Flex orgánico | Basado en poliimida | Permite que el enrutado se doble manteniéndose delgado, lo que ayuda en maquetas que necesitan conexiones flexibles |
| Cerámica | Al₂O₃, AlN | Baja expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional y un manejo térmico fuerte en comparación con muchos materiales orgánicos |
Tipos de sustrato de CI por estilo de encapsulado
| Tipo de sustrato | Mejor opción |
|---|---|
| Sustrato BGA | Soporta altos conteos de E/S y un rendimiento global sólido del paquete |
| Sustrato CSP | Diseñado para paquetes delgados con huella compacta |
| Sustrato de chip flip | Permite conexiones cortas y un enrutado muy denso entre el dado y el sustrato |
| Sustrato MCM | Soporta múltiples chips colocados y conectados dentro de un mismo paquete |
Métodos de interconexión de matriz a sustrato
• El método de conexión afecta la disposición de la plataforma, los límites de paso y los requisitos de ensamblaje.
• Unión por alambre: cables finos conectan las pastillas de matriz a los dedos de unión en el sustrato.
• Flip-chip: pequeños bultos conectan el chip directamente a las almohadillas sobre el sustrato, creando caminos eléctricos cortos.
• TAB: unión basada en cinta que utiliza una película fina para transportar y conectar los cables, a menudo utilizada cuando se necesita formato de cinta.
Procesos de fabricación de sustratos de CI de línea fina
| Proceso | Idea central | Propósito |
|---|---|---|
| Sustractivo | Empieza con una capa de cobre y elimina el cobre no deseado mediante grabado | Ampliamente utilizado y bien entendido, con una gran repetibilidad para muchas capas de sustrato |
| Aditivo | Fabrica cobre solo donde se necesitan pistas y almohadillas, usando chapado selectivo | Ayuda a formar rasgos muy finos con un control más estricto sobre formas pequeñas |
| MSAP/mSAP | Utiliza una capa fina de semilla, luego placa y graba ligeramente de forma controlada | Soporta objetivos de línea y espacio más pequeños manteniendo un buen control del grosor |
Formación y calidad de construcción de microvías
Las microvias conectan capas de acumulación en pilas densas. Al ser pequeños, su geometría y calidad del cobre afectan fuertemente la continuidad a largo plazo y la estabilidad de resistencia.
La perforación láser forma pequeñas vías poco profundas entre capas cercanas. El recubrimiento de cobre recubre las paredes de vía para crear un camino conductor continuo. El relleno de vías completa la estructura al reducir huecos y apoyar las almohadillas, lo que ayuda cuando una vía está bajo una almohadilla.
Acabados superficiales para sustratos IC
| Finalización | ¿En qué ayuda |
|---|---|
| ENIG | Proporciona una superficie lisa y soldable y ayuda a proteger el cobre de la corrosión. |
| ENEPIG | Permite más opciones de unión y ayuda a formar soldaduras fuertes y fiables. |
| Variantes de oro | Se utiliza cuando una superficie necesita un rendimiento de contacto estable o una capa de oro adecuada para ciertos métodos de adhesión. |
Reglas de diseño de sustratos que afectan al rendimiento
Objetivos de línea/espacio
Bloquea el ancho mínimo de línea y el espaciado temprano, y mantén los objetivos alineados con lo que el proceso puede repetir de forma consistente en todas las capas de enrutamiento.
A través de la estrategia
Define los pares de capas de microvia y los límites de profundidad desde el principio. Establece reglas claras para el vía en la almohadilla, rellena las señales y cualquier zona de retención que proteja el enrutamiento fino.
Stack-Up
Fija el núcleo y el recuento de capas de acumulación temprano y asigna roles de enrutamiento por capa para que los cambios de enrutamiento no obliguen a rehacer grandes apilamientos después.
Presupuesto de warpage
Define los límites de deformación a lo largo de los pasos de reflujo y ensamblaje, y mantén el equilibrio del cobre y la simetría de capa controlados para que el sustrato se mantenga dentro del límite.
Estrategia de prueba
Planifica el acceso a pruebas para la continuidad y el control de cortocircuitos. Reserva suficientes plataformas y rutas de enrutamiento para que la cobertura no disminuya a medida que aumenta la densidad.
Conclusión
Los sustratos de CI soportan paquetes de chip proporcionando un enrutamiento denso, planos de potencia y tierra, y enlaces verticales cortos a través de microvias. Sus capas principales y de construcción establecen la capacidad de ampliación y la rigidez del paquete. La elección de materiales, los procesos de línea fina, la calidad de construcción de microvías y los acabados superficiales afectan a los resultados. El rendimiento depende de objetivos en línea/espaciales, mediante estrategia, acumulación, control de la distorsión y planificación de pruebas, respaldado por AOI, pruebas eléctricas, secciones transversales y rayos X.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿Qué ancho de línea y espacio pueden alcanzar los sustratos de CI?
Los sustratos de CI pueden usar líneas por espacio inferior a 10 μm en capas de acumulación, con objetivos más precisos en procesos avanzados.
¿Qué grosor tiene un sustrato de CI?
El grosor depende del tipo de empaquetado y del número de capas, que va desde menos de 0,3 mm para CSP fino hasta más de 1,0 mm para BGA de capa alta.
¿Qué propiedades eléctricas de los materiales son las que más importan?
Constante dieléctrica (Dk), factor de disipación (Df) y resistencia al aislamiento. Stable Dk soporta control de impedancia; Un Df bajo reduce la pérdida de señal.
¿Cuáles son los modos de fallo comunes en sustratos de CI?
Grietas de Microvia, fatiga del cobre, delaminación de capas y fatiga de la unión de soldadura en la interfaz de la bola.
¿Qué necesidades extra de diseño conllevan las señales de alta velocidad?
Control de impedancia más estricto, trayectorias de retorno cortas, diafonía más baja y un espaciado cuidadoso entre las pistas con planos de referencia sólidos.
¿Cómo están cambiando los sustratos de CI en los paquetes de IA y HPC?
Mayor número de capas, línea/espacio más fino, mayor entrega de potencia, cuerpos más grandes y mejor soporte para configuraciones multi-chip o chiplet.
