EMIB-Interconnect-Boards: Validierungsplan, Tests und Abnahmekriterien

Fortschrittliche Gehäusetechnologien gestalten die Landschaft des Hochleistungsrechnens neu, und im Zentrum dieser Entwicklung steht die eingebettete Brücke. Da Chip-Designs sich in Richtung heterogener Integration bewegen, ist die Validierung von EMIB-Interconnect-Boards zu einem entscheidenden Schritt geworden, um Zuverlässigkeit und Ausbeute zu gewährleisten. Im Gegensatz zu traditionellen monolithischen Dies erfordern Systeme, die Embedded Multi-die Interconnect Bridges (EMIB) verwenden, einen spezialisierten Ansatz für die Substratherstellung und -prüfung.

Für Ingenieure und Einkaufsleiter ist es unerlässlich zu verstehen, wie diese komplexen Interconnects validiert werden. Dieser Leitfaden deckt das gesamte Spektrum des Prozesses ab, von den anfänglichen Designparametern bis zu den abschließenden Produktionsprüfungen. Ob Sie KI-Beschleuniger der nächsten Generation oder Hochgeschwindigkeits-Netzwerkausrüstung entwickeln, APTPCB (APTPCB PCB Factory) bietet die nötige Expertise, um diese Komplexitäten zu meistern.

Wichtige Erkenntnisse

Definition: Die Validierung von EMIB-Interconnect-Boards bestätigt die elektrische und mechanische Integrität der Siliziumbrücke, die in das organische Substrat eingebettet ist.
Kritisches Kriterium: Die Kontrolle der Verformung ist der wichtigste Faktor; übermäßige Verformung führt zu Brückenrissen oder offenen Verbindungen.
Design-Fokus: Eine korrekte Hohlraumdimensionierung und Toleranzverwaltung sind entscheidend für eine erfolgreiche Brückeneinbettung.
Missverständnis: Viele gehen davon aus, dass Standard-Leiterplattentestmethoden anwendbar sind, aber EMIB erfordert viel engere Pitch-Tests und Micro-Bump-Validierung.
Best Practice: Eine frühzeitige Simulation der Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) verhindert Ausfälle während des Reflow-Lötens.
Validierungsumfang: Der Prozess umfasst die Überprüfung der Substratschichten, der Genauigkeit der Brückenplatzierung und der Konnektivität der Endmontage.
Partnerschaft: Die Zusammenarbeit mit einem kompetenten Hersteller wie APTPCB stellt sicher, dass die DFM-Richtlinien von Anfang an eingehalten werden.

Embedded Multi-die Interconnect Bridges (EMIB)-Interconnect-Boards wirklich bedeutet (Umfang & Grenzen)

Aufbauend auf den wichtigsten Erkenntnissen ist es wichtig, genau zu definieren, was wir validieren. Die Validierung von EMIB-Interconnect-Boards ist nicht nur das Testen einer blanken Leiterplatte. Es ist ein mehrschichtiger Sicherungsprozess, der das organische Package-Substrat, die eingebettete Siliziumbrücke und die Schnittstelle zwischen ihnen überprüft.

Bei einer Standard-Leiterplatte könnte die Validierung bei der elektrischen Durchgängigkeits- und Impedanzprüfung enden. Ein EMIB-Interconnect-Board dient jedoch als hochdichter Kanal zwischen heterogenen Dies (wie einer CPU und HBM-Speicher). Der Validierungsumfang erweitert sich um die physikalischen Abmessungen des Hohlraums, in dem die Brücke sitzt, die Ebenheit der Aufbau-Schichten und die Ausrichtungsgenauigkeit der Mikro-Vias. Die Grenze dieser Validierung erstreckt sich von der Rohmaterialauswahl bis zur endgültigen Montagebereitschaft. Sie umfasst die Überprüfung der dielektrischen Materialien auf Stabilität unter Hitze und die Sicherstellung, dass die Kupferbeschichtung innerhalb der Brückenverbindungen strenge Widerstandsspezifikationen erfüllt. Wenn der Validierungsprozess eine Fehlausrichtung im Mikrometerbereich nicht erkennt, kann das gesamte Multi-Die-System ausfallen. Daher ist dieser Prozess der Wächter zwischen einem theoretischen Design und einem funktionsfähigen Hochleistungsprodukt.

Wichtige Metriken (wie man Qualität bewertet)

Das Verständnis des Validierungsumfangs führt uns direkt zu den spezifischen Datenpunkten, die den Erfolg definieren. Um eine effektive EMIB-Interconnect-Board-Validierung durchzuführen, müssen Sie spezifische Metriken verfolgen, die den physischen und elektrischen Zustand der Platine quantifizieren.

Metrik	Warum es wichtig ist	Typischer Bereich oder Einflussfaktoren	Wie zu messen
Substratverzug	Hoher Verzug verhindert eine ordnungsgemäße Die-Befestigung und verursacht Brückenstress.	< 50 µm (Raumtemperatur) bis < 100 µm (Reflow-Temperatur). Abhängig von der Kerndicke.	Schatten-Moiré-Interferometrie.
Hohlraum-Maßtoleranz	Die Brücke muss perfekt passen; zu locker verursacht Verschiebung, zu eng verursacht Stress.	± 5 µm bis ± 10 µm je nach Brückengröße.	Optisches Koordinatenmessgerät (KMG).
Dielektrische Dickenhomogenität	Gewährleistet eine konsistente Impedanz und Signalintegrität über die Brücke.	Variation < 5% über die Aufbauschichten.	Querschnittsanalyse (REM).
Mikro-Via-Ausrichtung	Fehlausgerichtete Vias führen zu offenen Stromkreisen oder hohem Widerstand in der Verbindung.	Registriergenauigkeit < 5 µm.	Röntgeninspektion oder AOI (Automatisierte Optische Inspektion).
Einfügedämpfung	Misst die Signalverschlechterung durch die Brückenverbindungen.	< -2 dB bei 28 GHz (variiert je nach Leiterbahnlänge/Material).	Vektor-Netzwerkanalysator (VNA).
Scherfestigkeit des Dies	Überprüft die mechanische Verbindung der Brücke zum Substrat.	> 1 kgf (abhängig von Die-Größe und Klebstoff).	Scherprüfgerät.
Oberflächenrauheit (Ra)	Beeinflusst die Haftung von Feinleitern und den Signalverlust bei hohen Frequenzen.	< 0,3 µm für Hochgeschwindigkeitsleitungen.	Rasterkraftmikroskopie (AFM).
CTE-Fehlanpassung	Große Unterschiede verursachen Delamination während des Thermozyklierens.	Ziel < 3 ppm/°C Unterschied zwischen benachbarten Materialien.	TMA (Thermomechanische Analyse).

Auswahlhilfe nach Szenario (Kompromisse)

Sobald Sie die Metriken festgelegt haben, besteht der nächste Schritt darin, die richtige Validierungsstrategie und Platinenarchitektur für Ihre spezifische Anwendung zu wählen. Verschiedene Branchen priorisieren unterschiedliche Aspekte des EMIB-Interconnect-Platinendesigns und der Validierung.

Szenario 1: Hochleistungsrechnen (HPC) & KI

Priorität: Maximale Bandbreite und geringe Latenz.
Kompromiss: Sie opfern Kosten für Materialien mit extrem geringem Verlust und eine äußerst präzise Pitch-Validierung.
Validierungsschwerpunkt: Signalintegrität (Einfügedämpfung) und Wärmemanagement sind von größter Bedeutung. Umfangreiche Tests an Hochgeschwindigkeits-Differenzpaaren sind erforderlich.

Szenario 2: Mobile und Unterhaltungselektronik

Priorität: Formfaktor (Z-Höhe) und Akkulaufzeit.
Kompromiss: Dünnere Substrate sind anfälliger für Verzug.
Validierungsschwerpunkt: Mechanische Zuverlässigkeit und Falltests. Die Verzugskontrolle während des Dünnungsprozesses ist hier der kritische Validierungsschritt.

Szenario 3: Automotive ADAS-Systeme

Priorität: Langzeitverlässigkeit und Überleben in rauen Umgebungen.
Kompromiss: Konservative Designregeln werden gegenüber modernster Dichte verwendet, um die Haltbarkeit zu gewährleisten.
Validierungsschwerpunkt: Thermische Zyklen (-40°C bis 125°C) und Vibrationstests. Die Validierung muss beweisen, dass die Verbindungen nach Jahren des Straßeneinsatzes nicht reißen.

Szenario 4: 5G-Infrastruktur

Priorität: Signalintegrität bei mmWave-Frequenzen.
Kompromiss: Erfordert spezialisierte Materialien mit niedrigem Dk/Df, die schwieriger zu verarbeiten sind.
Validierungsschwerpunkt: Impedanzkontrolle und passive Intermodulations (PIM)-Tests. Die Validierung der Materialeigenschaften des Substrats ist ebenso wichtig wie die Schaltung selbst.

Szenario 5: Prototypenentwicklung und F&E

Priorität: Iterationsgeschwindigkeit.
Kompromiss: Geringere Ausbeuteakzeptanz, um funktionale Einheiten schneller zu erhalten.
Validierungsfokus: Grundlegende Kontinuitäts- und Kurzschlusstests. Fortgeschrittene Zuverlässigkeitstests werden oft übersprungen, um Zeit zu sparen, wobei der Fokus nur auf "schaltet es sich ein?" liegt.

Szenario 6: Massenproduktion

Priorität: Ausbeute und Kosteneffizienz.
Kompromiss: Designregeln werden leicht gelockert, um die Fertigungsfenster zu maximieren.
Validierungsfokus: Statistische Prozesskontrolle (SPC). Ziel ist es, die Stabilität des Prozesses zu validieren, anstatt jeden einzelnen Parameter auf jeder Platine bis zum Äußersten zu testen.

Vom Design zur Fertigung (Implementierungs-Checkpoints)

Die Auswahl des richtigen Szenarios beeinflusst den Fertigungsablauf, aber die Ausführung erfordert eine strenge Checkliste. Die folgenden Checkpoints führen Sie vom anfänglichen EMIB-Interconnect-Board-Design bis zum Endprodukt und stellen sicher, dass jede Phase validiert wird.

1. Materialauswahl & Stackup-Definition

Empfehlung: Materialien mit CTE-Werten wählen, die eng an Silizium angepasst sind. Verwenden Sie Hochfrequenzmaterialien, wenn die Signalgeschwindigkeit kritisch ist.
Risiko: Falsche Materialwahl führt zu sofortigen Verzugsproblemen.
Akzeptanz: Simulationsergebnisse, die beherrschbare Spannungsniveaus zeigen.

2. Hohlraumbildung

Empfehlung: Hochpräzise Laserablation oder tiefenkontrolliertes Routing verwenden.
Risiko: Eine unregelmäßige Hohlraumtiefe führt dazu, dass die Brücke schief sitzt und die Konnektivität beeinträchtigt.
Akzeptanz: 3D-Profilometrie-Scan des Hohlraumbodens. 3. Bridge-Platzierung & Einbettung
Empfehlung: Hochpräzise Bestückungsautomaten mit aktiver Ausrichtung verwenden.
Risiko: Positionsverschiebung > 5µm kann zu Fehlausrichtung mit den Aufbau-Schichten führen.
Abnahme: Röntgenprüfung der Bridge-Position relativ zu den Fiducials.

4. Laminierung der Aufbau-Schichten

Empfehlung: Vakuumlaminierung mit optimierten Druckprofilen anwenden, um Lücken um die Bridge zu füllen.
Risiko: Hohlräume oder Lufteinschlüsse um die Bridge führen zu "Popcorning" während des Reflows.
Abnahme: C-SAM (Scanning Acoustic Microscopy) zur Erkennung von Delaminationen oder Hohlräumen.

5. Laserbohren (Mikro-Vias)

Empfehlung: UV-Laser für präzises Abtragen des Dielektrikums über den Bridge-Pads verwenden.
Risiko: Durchbohren des Bridge-Pads oder unvollständiges Freilegen.
Abnahme: Querschnittsanalyse von Testcoupons.

6. Desmear und Beschichtung

Empfehlung: Sanftes chemisches Desmear, gefolgt von einer Beschichtung im semi-additiven Verfahren (SAP).
Risiko: Aggressive Chemie kann die Silizium-Bridge-Oberfläche beschädigen.
Abnahme: Haftbandtest und Messung der Kupferdicke.

7. Oberflächenveredelung

Empfehlung: ENEPIG wird oft für Drahtbonden und Lötbarkeit bevorzugt.
Risiko: Black-Pad-Syndrom oder schlechte Benetzung, wenn die Veredelung kontaminiert ist.
Abnahme: Lötbarkeitstest und Sichtprüfung.

8. Elektrische Prüfung (E-Test)

Empfehlung: Verwenden Sie Flying-Probe-Tester, die in der Lage sind, Fine-Pitch-Pads zu kontaktieren.
Risiko: Standard-Nadelbett-Prüfadapter können das empfindliche Substrat beschädigen.
Akzeptanz: 100%ige Netlist-Verifizierung (Unterbrechungen/Kurzschlüsse).

9. Endgültige Verzugsprüfung

Empfehlung: Messen Sie den Verzug bei Raumtemperatur und simulierter Reflow-Temperatur.
Risiko: Die Platine besteht bei Raumtemperatur, verzieht sich aber während der Montage, was zu Ertragsverlusten führt.
Akzeptanz: Bestanden/Nicht bestanden basierend auf JEDEC-Standards.

10. Verpackung und Versand

Empfehlung: Vakuumversiegelung mit Trockenmittel, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern.
Risiko: Feuchtigkeitsaufnahme führt zu Delamination während des Montageprozesses des Kunden.
Akzeptanz: Überprüfung der Feuchtigkeitsanzeigekarte (HIC).

Häufige Fehler (und der richtige Ansatz)

Auch mit einer Checkliste können Fehler auftreten, wenn die zugrunde liegenden Prinzipien der Best Practices für EMIB-Interconnect-Boards ignoriert werden. Hier sind die häufigsten Fallstricke und wie man sie vermeidet.

Fehler 1: Ignorieren der lokalen CTE-Fehlanpassung

Der Fehler: Designer konzentrieren sich auf den globalen CTE der Platine, ignorieren aber die lokale Fehlanpassung zwischen der Siliziumbrücke und dem umgebenden organischen Material.
Die Konsequenz: Nach thermischen Zyklen entwickeln sich Mikrorisse an der Brückenschnittstelle.
Korrekter Ansatz: Führen Sie eine lokalisierte Spannungsmodellierung durch und verwenden Sie Underfill- oder Spannungs-Pufferschichten um die Brücke herum.

Fehler 2: Unzureichende Hohlraumtoleranz

Der Fehler: Spezifikation von Standardtoleranzen für die mechanische Leiterbahnführung (±100µm) für die Brückenhohlraum.
Die Konsequenz: Die Brücke schwimmt oder kippt, wodurch eine Ausrichtung der nachfolgenden Via-Schichten unmöglich wird.
Korrekter Ansatz: Verwendung von lasergestützter Hohlraumbildung oder tiefenkontrollierter Leiterbahnführung mit Toleranzen von weniger als ±10µm.

Fehler 3: Übersehen der Zugänglichkeit von Testpads

Der Fehler: Entwurf von Hochdichte-Interconnects ohne Platz für Testproben.
Die Konsequenz: Sie können die EMIB-Interconnect-Board-Validierung nicht elektrisch durchführen, da Sonden nicht ohne Kurzschluss landen können.
Korrekter Ansatz: Entwerfen Sie spezifische Testcoupons auf den Panel-Schienen oder fügen Sie opferbereite Testpads hinzu, die später entfernt oder abgedeckt werden.

Fehler 4: Verwendung von Standard-FR4 für Hochgeschwindigkeitsbrücken

Der Fehler: Verwendung von Standard-Verlustmaterialien zur Kosteneinsparung bei gleichzeitiger Verwendung einer teuren EMIB-Brücke.
Die Konsequenz: Die Brücke funktioniert, aber das Signal verschlechtert sich sofort beim Eintritt in die Substratleiterbahnen.
Korrekter Ansatz: Verwenden Sie verlustarme Materialien wie Isola PCB oder ähnliche Hochgeschwindigkeitslaminate für die Aufbau-Schichten.

Fehler 5: Vernachlässigung der Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Der Fehler: Behandlung des fertigen Substrats wie eine Standard-Starre-Leiterplatte bezüglich der Lagerung.
Die Konsequenz: In den organischen Schichten eingeschlossene Feuchtigkeit verwandelt sich während des Reflows in Dampf, wodurch das Gehäuse explodiert (Popcorning).
Korrekter Ansatz: Befolgen Sie strikt die MSL-Handhabungsrichtlinien (Moisture Sensitivity Level) und backen Sie die Leiterplatten vor der Bestückung.

Fehler 6: Schlechte Kommunikation mit der Fertigung

Der Fehler: Senden von Gerber-Dateien ohne detailliertes Lagenaufbau- oder Impedanzanforderungsdokument.
Die Konsequenz: Die Fabrik verwendet Standardprozesse, die mit den Anforderungen eingebetteter Dies inkompatibel sind.
Korrekter Ansatz: Führen Sie frühzeitig in der Entwurfsphase eine DFM-Überprüfung (Design for Manufacturability) mit APTPCB durch.

FAQ

F1: Wie unterscheidet sich die Validierung von EMIB-Interconnect-Boards von Standard-Leiterplattentests? A: Standard-Leiterplattentests konzentrieren sich auf Konnektivität und grundlegende Impedanz. Die EMIB-Validierung fügt strenge Prüfungen für Hohlraumtiefe, Brückenausrichtung, lokalisierte Verwerfungen und die Registrierungsgenauigkeit von Mikrovias hinzu, die um Größenordnungen strenger sind als bei Standard-Leiterplatten.

F2: Was ist die größte Herausforderung bei der Herstellung von EMIB-Substraten? A: Verzugskontrolle. Da Silizium (starr) mit organischen Laminaten (flexibel) gemischt und Hitze ausgesetzt wird, ist es die größte Herausforderung, die Leiterplatte für die Bestückung ausreichend flach zu halten.

F3: Kann ich Standard-FR4-Materialien für EMIB-Designs verwenden? A: Im Allgemeinen nein. Standard-FR4 hat einen hohen CTE und hohe Signalverluste. Spezialisierte Aufbaufilme und Kernmaterialien sind erforderlich, um die Leistung und die thermischen Eigenschaften der Siliziumbrücke anzupassen.

F4: Welche Daten muss ich für ein Angebot bereitstellen? A: Sie müssen die Brückenabmessungen, den vollständigen Lagenaufbau, Materialanforderungen, Blind-/Buried-Via-Strukturen und spezifische Toleranzanforderungen für den Hohlraum angeben.

F5: Ist eine Röntgeninspektion für EMIB-Leiterplatten zwingend erforderlich? A: Ja. Da die Brücke eingebettet ist und Verbindungen oft vergraben sind, ist die Röntgen- oder hochauflösende akustische Mikroskopie die einzige Möglichkeit, die Ausrichtung zu validieren und Hohlräume zerstörungsfrei zu überprüfen.

F6: Wie handhabt APTPCB die Lieferkette für die Siliziumbrücken? A: Typischerweise liefert der Kunde die Siliziumbrücken oder gibt die Quelle an. APTPCB konzentriert sich auf die Substratherstellung, die Hohlraumerzeugung und den Einbettungsprozess.

F7: Was ist die typische Ausbeute für diese Art von Leiterplatten? A: Die Ausbeuten sind aufgrund der Komplexität geringer als bei Standard-Leiterplatten. Mit der richtigen Implementierung der EMIB-Interconnect-Board-Checkliste und DFM können jedoch hohe Produktionsausbeuten erzielt werden.

F8: Kann eine fehlerhafte EMIB-Leiterplatte nachgearbeitet werden? A: Selten. Sobald die Brücke eingebettet und laminiert ist, kann sie nicht entfernt werden. Dies macht die Validierung der Rohplatine vor dem Einbetten und die Prüfung während des Prozesses entscheidend, um die Verschwendung von teurem Silizium zu vermeiden.

F9: Welche Oberflächenveredelungen eignen sich am besten für EMIB-Substrate? A: ENEPIG (stromloses Nickel, stromloses Palladium, Immersionsgold) ist beliebt, da es sowohl Löten als auch Drahtbonden unterstützt, was oft in komplexen Gehäusen erforderlich ist.

F10: Wie lange dauert der Validierungsprozess? A: Bei einem neuen Design kann die Validierung (einschließlich Querschnitte und Zuverlässigkeitstests) zusätzlich zur Standardfertigungszeit 2-4 Wochen in Anspruch nehmen.

Glossar (Schlüsselbegriffe)

Begriff	Definition
EMIB	Embedded Multi-die Interconnect Bridge. Eine Technologie, die eine kleine Siliziumbrücke verwendet, die im Substrat eingebettet ist, um Dies zu verbinden.
Substrat	Das organische Plattenmaterial (oft ABF oder spezialisierter Kern), das die Brücke hält und die Verdrahtung bereitstellt.
RDL	Redistribution Layer (Neuverteilungsschicht). Metallschichten, die auf dem Die oder der Brücke erstellt werden, um Verbindungen zu einem größeren Raster zu leiten.
TSV	Through-Silicon Via (Durchkontaktierung durch Silizium). Eine vertikale elektrische Verbindung, die vollständig durch einen Siliziumwafer oder ein Die verläuft.
Microbump	Sehr kleine Lötperlen, die verwendet werden, um das Die mit der Brücke oder dem Substrat zu verbinden, typischerweise mit einem Raster von < 50µm.
C4 Bump	Controlled Collapse Chip Connection. Standard-Flip-Chip-Bumps, größer als Microbumps.
CTE	Koeffizient der thermischen Ausdehnung. Ein Maß dafür, wie stark sich ein Material beim Erhitzen ausdehnt. Ungleichheit verursacht Spannung.
Underfill	Ein Epoxidmaterial, das zwischen Die und Substrat injiziert wird, um Spannungen zu verteilen und Bumps zu schützen.
Warpage	Die Abweichung von der Ebenheit des Substrats, entscheidend für eine erfolgreiche Montage.
Interposer	Eine große Zwischenschicht (Silizium oder organisch), die zur Verbindung von Dies verwendet wird. EMIB ist eine Alternative zu großen Interposern.
SerDes	Serialisierer/Deserialisierer. Hochgeschwindigkeits-Funktionsblöcke, die in der Kommunikation verwendet werden und hochwertige Verbindungen erfordern.
Heterogene Integration	Die Verpackung von separat gefertigten Komponenten (Dies) zu einer Baugruppe höherer Ebene.
SAP	Semi-Additives Verfahren. Eine Methode zur Bildung von Feinstleiterbahnen durch Abscheidung von Kupfer auf einer dünnen Keimschicht.
ABF	Ajinomoto Build-up Film. Ein dominantes Isoliermaterial, das in High-End-IC-Substraten verwendet wird.

Fazit (nächste Schritte)

Die Validierung von EMIB-Verbindungsplatinen ist der Dreh- und Angelpunkt moderner heterogener Gehäuse. Sie überbrückt die Lücke zwischen Halbleiterdesign und physikalischer Realität und stellt sicher, dass Hochgeschwindigkeitssignale die Grenze zwischen den Dies ohne Verlust oder Ausfall überqueren. Durch die Konzentration auf kritische Metriken wie Verzug, Ausrichtung und Materialstabilität können Sie die Risiken mindern, die mit diesen komplexen Konstruktionen verbunden sind.

Erfolg in diesem Bereich erfordert mehr als nur eine Designdatei; er erfordert einen Fertigungspartner, der die Feinheiten des Einbettens von Silizium in organische Substrate versteht. Wenn Sie bereit sind, vom Konzept zur Produktion überzugehen, stellen Sie sicher, dass Ihre Gerbers, der Lagenaufbau und die Brückenspezifikationen bereitliegen.

Kontaktieren Sie APTPCB noch heute, um eine DFM-Überprüfung für Ihr nächstes fortschrittliches Verbindungsprojekt einzuleiten. Wir sind bereit, Ihnen bei der Validierung und Herstellung der Zukunft der Elektronik zu helfen.