Guía de PCB de interposer HBM3

Puntos Clave

Definición: Una PCB interposer HBM3 actúa como el sustrato crítico de alta densidad que conecta las pilas de memoria GPU/ASIC y HBM3, gestionando tasas de datos extremas (hasta 6,4 Gbps por pin) y cargas térmicas.
Métricas Críticas: El éxito depende del control de la pérdida de inserción (< -2dB/pulgada), la impedancia (85-100Ω ±5%) y la deformación (< 100µm) durante el reflujo.
Selección de Materiales: Los materiales de baja pérdida (como Megtron 7 o Tachyon) son innegociables para minimizar la atenuación de la señal a altas frecuencias.
Error Común: Muchos diseñadores creen que se aplican las reglas estándar de HDI; sin embargo, HBM3 requiere un registro significativamente más ajustado y un paso más fino (a menudo < 40µm).
Validación: Las pruebas eléctricas deben ir más allá de la continuidad para incluir TDR (Reflectometría en el Dominio del Tiempo) y VNA (Análisis de Red Vectorial) para la integridad de la señal.
Consejo de Fabricación: APTPCB (APTPCB PCB Factory) recomienda una participación temprana en DFM para optimizar la simetría del apilamiento y reducir los riesgos de desajuste del CTE.

Qué significa realmente la guía de PCB interposer HBM3 (alcance y límites)

Comprender los puntos clave sienta las bases para definir exactamente lo que implica esta tecnología en el contexto de la informática moderna. El término "guía de PCB de interposer HBM3" se refiere a los estándares de ingeniería y fabricación requeridos para producir la placa de circuito impreso (o sustrato orgánico) que soporta el empaquetado 2.5D. En un sistema HBM3 (High Bandwidth Memory Gen 3), las pilas de memoria y el procesador lógico (GPU/ASIC) se asientan sobre un interposer de silicio u orgánico. Ese interposer, a su vez, se monta sobre una PCB de alto rendimiento. Esta guía se centra en esa PCB subyacente y en las tecnologías de interposer orgánico que están reemplazando cada vez más al silicio.

El alcance de esta guía cubre la transición de la fabricación de PCB estándar a la fabricación de PCB "tipo sustrato". Aborda el enrutamiento físico de miles de señales, la gestión térmica de componentes de alta potencia y la estabilidad mecánica requerida para prevenir el agrietamiento de las uniones de soldadura bajo el interposer. No cubre el diseño interno de silicio del propio chip de memoria HBM3, sino la plataforma de interconexión que hace que la memoria sea utilizable.

Métricas importantes de la guía de PCB de interposer HBM3 (cómo evaluar la calidad)

Una vez definido el alcance, los ingenieros deben cuantificar la calidad utilizando parámetros específicos y medibles.

La computación de alto rendimiento exige una estricta adhesión a la integridad de la señal y a las métricas mecánicas. La siguiente tabla describe los parámetros críticos para una PCB de interposer HBM3.

Métrica	Por qué es importante	Rango típico o factores influyentes	Cómo medir
Pérdida de inserción	Las señales HBM3 se degradan rápidamente con la distancia; una alta pérdida causa errores de datos.	< -1,5 dB por pulgada @ 16 GHz (Nyquist). Depende del Df del material.	Analizador de redes vectoriales (VNA).
Impedancia diferencial	Los desajustes causan reflexiones de señal y fluctuación.	85Ω o 100Ω ± 5% (más estricto que el estándar ±10%).	TDR (Reflectometría en el dominio del tiempo).
CTE (Coeficiente de expansión térmica)	El desajuste entre la PCB, el interposer y el chip causa deformación y fallas en las uniones.	Eje X/Y: 10-14 ppm/°C; Eje Z: < 40 ppm/°C.	TMA (Análisis termomecánico).
Ancho L/S (Línea/Espacio)	Determina la densidad de enrutamiento; HBM3 requiere miles de conexiones.	15µm/15µm o más fino para interposers orgánicos; 30µm/30µm para sustratos.	AOI (Inspección Óptica Automatizada) y Sección transversal.
Rugosidad superficial	El cobre rugoso aumenta las pérdidas por efecto pelicular a altas frecuencias.	Rz < 2,0µm (se requiere lámina de cobre VLP o HVLP).	Perfilómetro o SEM.
Precisión de registro de vías	La desalineación interrumpe la conectividad en campos BGA de alta densidad.	± 10µm a ± 25µm dependiendo del número de capas.	Inspección por rayos X.

Guía para elegir la PCB interposer HBM3: orientación de selección por escenario (compensaciones)

Con las métricas establecidas, el siguiente paso es seleccionar el enfoque de diseño adecuado en función de las limitaciones específicas de su proyecto. Diferentes aplicaciones requieren priorizar distintos aspectos de la guía de PCB interposer HBM3. A continuación se presentan escenarios comunes y las compensaciones recomendadas.

1. Servidores de Entrenamiento de IA (Máximo Rendimiento)

Prioridad: Integridad de la señal y gestión térmica.
Compensación: Mayor costo y mayor tiempo de entrega.
Orientación: Utilice materiales de ultra baja pérdida (por ejemplo, Panasonic Megtron 7 o Isola Tachyon). Implemente la tecnología PCB HDI con 4 o más capas de construcción (HDI de cualquier capa) para manejar la densidad de enrutamiento. No comprometa la calidad del material.

2. Edge Computing / Inferencia (Sensible al Costo)

Prioridad: Eficiencia de costos y factor de forma.
Compensación: Longitud máxima de traza ligeramente reducida.
Orientación: Puede usar materiales de pérdida media si las longitudes de traza entre el ASIC y el HBM3 son extremadamente cortas. Sin embargo, aún se requiere un control estricto de la impedancia.

3. Aeroespacial y Defensa (Fiabilidad)

Prioridad: Fiabilidad a largo plazo y resistencia a entornos hostiles.
Compensación: Opciones de materiales limitadas (deben estar calificados).
Orientación: Concéntrese en la coincidencia del CTE. La PCB debe soportar amplios ciclos de temperatura sin delaminación. Utilice materiales de alto Tg y considere los estándares de fiabilidad de grado PCB para servidores/centros de datos (IPC Clase 3).

4. Prototipado y NPI (Velocidad)

Prioridad: Tiempo de respuesta rápido.
Compromiso: reglas de densidad potencialmente relajadas para asegurar el rendimiento.
Orientación: Simplifique el apilamiento siempre que sea posible. Evite anchos de traza "heroicos" (por ejemplo, mantenga L/S > 40µm si el diseño lo permite) para asegurar que el primer lote rinda correctamente para las pruebas funcionales.

5. Aplicaciones de alta carga térmica

Prioridad: Disipación de calor.
Compromiso: Ensamblaje mecánico complejo.
Orientación: Incorpore planos internos de cobre pesado para la distribución de energía y la dispersión térmica. Asegúrese de que el acabado de la superficie sea perfectamente plano (ENEPIG) para facilitar la fijación del disipador de calor.

6. Interposer orgánico vs. Sustrato interposer de silicio

Prioridad: Cómo elegir entre tecnologías.
Compromiso: El silicio es más denso pero caro; el orgánico es más barato pero tiene límites de enrutamiento.
Orientación: Si su guía de PCB de interposer HBM3 requiere L/S < 2µm, es probable que esté soportando un interposer de silicio. Si L/S es de 10-15µm, podría estar diseñando un interposer orgánico directamente. APTPCB puede ayudar a determinar la fabricabilidad de los sustratos orgánicos.

Puntos de control de implementación de la guía de PCB de interposer HBM3 (del diseño a la fabricación)

Después de seleccionar la estrategia correcta, el enfoque se traslada a la ejecución rigurosa del proceso de diseño y fabricación.

Esta lista de verificación asegura que el diseño de la PCB de interposer HBM3 se traduzca con éxito en un producto físico.

Definición del apilamiento

Recomendación: Definir un apilamiento simétrico con un número par de capas para evitar el alabeo.
- Riesgo: Los apilamientos asimétricos se deforman durante el reflujo, agrietando los microbumps HBM3.
- Aceptación: Simulación que muestra < 1% de alabeo.

Validación de materiales
- Recomendación: Seleccionar materiales con Dk < 3,5 y Df < 0,005 @ 10GHz.
- Riesgo: La atenuación de la señal impide que la memoria funcione a toda velocidad.
- Aceptación: Revisar las hojas de datos de Isola PCB o similares para la respuesta de frecuencia.
Diseño de Vías y Fan-out
- Recomendación: Utilizar microvías apiladas o microvías escalonadas en lugar de agujeros pasantes en el área BGA.
- Riesgo: Los agujeros pasantes consumen demasiado espacio y degradan la integridad de la señal a través de los stubs.
- Aceptación: Verificación DFM de la relación de aspecto (típicamente 0,8:1 para microvías).
Análisis de Integridad de Potencia (PI)
- Recomendación: Dedicar planos adyacentes a Alimentación y Tierra para crear capacitancia interplanar.
- Riesgo: La caída de voltaje causa errores de datos HBM3 durante la conmutación de alta carga.
- Aceptación: Simulación de caída IR < 3% del voltaje del riel.
Enrutamiento de Pistas y Coincidencia de Longitud
- Recomendación: Coincidir las longitudes dentro del carril de bytes a < 0,5 mm (o más ajustado según la especificación del chipset).
- Riesgo: La asimetría de temporización hace que los datos sean ilegibles.
- Aceptación: Verificación del informe CAD.
Registro de la Máscara de Soldadura

Recomendación: Utilice Laser Direct Imaging (LDI) para la alineación de la máscara.
- Riesgo: La máscara que invade las almohadillas impide el asiento adecuado de las bolas BGA.
- Aceptación: Tolerancia de registro ± 10µm.

Selección del acabado superficial
- Recomendación: Utilice ENEPIG (Níquel Electrolítico Paladio Electrolítico Oro por Inmersión) o SOP (Soldadura sobre Almohadilla).
- Riesgo: El ENIG puede causar "black pad"; el HASL es demasiado irregular para pasos finos.
- Aceptación: Medición de la planitud.
Simulación de deformación
- Recomendación: Simule el perfil de reflujo (hasta 260°C).
- Riesgo: La forma de deformación en "sonrisa" o "llanto" desconecta las esquinas del interposer grande.
- Aceptación: Resultados de la simulación Shadow Moiré.
Cupones de prueba de impedancia controlada
- Recomendación: Coloque cupones de prueba en los rieles del panel que imiten exactamente el enrutamiento de la capa interna.
- Riesgo: Las placas de producción varían del modelo teórico.
- Aceptación: Medición TDR dentro de ±5%.
Prueba eléctrica final
- Recomendación: Prueba de lista de redes al 100% utilizando sonda volante o lecho de agujas.
- Riesgo: Los circuitos abiertos en capas HDI complejas son imposibles de reparar posteriormente.
- Aceptación: Aprobación IPC-9252 Clase 3.

Guía de errores comunes (y el enfoque correcto) para PCB interposer HBM3

Incluso con una lista de verificación, los diseñadores que trabajan por primera vez con tecnologías HBM3 a menudo caen en trampas específicas. Evitar estos errores comunes es esencial para garantizar un alto rendimiento y desempeño.

Error 1: Ignorar las zonas de exclusión ("Keep-Out").
- Corrección: Los apilamientos HBM3 y el ASIC requieren un espacio mecánico específico para la dispensación de underfill. Consulte siempre las directrices de ensamblaje antes de finalizar el diseño de la PCB.
Error 2: Usar FR4 estándar.
- Corrección: El FR4 estándar tiene una tangente de pérdida (Df) demasiado alta y un CTE inestable. Debe utilizar laminados de alta velocidad y baja pérdida diseñados específicamente para la fabricación avanzada de PCB.
Error 3: Pasar por alto las rutas de retorno.
- Corrección: Las señales de alta velocidad necesitan un plano de referencia continuo. Cruzar un plano dividido crea una discontinuidad en la ruta de retorno, lo que provoca EMI masivas y fallos en la integridad de la señal.
Error 4: Subestimar la expansión térmica.
- Corrección: El interposer suele ser de silicio (CTE ~3), mientras que la PCB es orgánica (CTE ~14). Este desajuste es la causa número 1 de fallos. Utilice underfill y refuerzos, y elija materiales de PCB con un CTE más bajo.
Error 5: Condensadores de desacoplamiento insuficientes.
- Corrección: El HBM3 conmuta la corriente increíblemente rápido. Coloque condensadores de baja inductancia directamente en la parte posterior de la PCB (via-in-pad) para minimizar la inductancia de bucle.
Error 6: Descuidar la planitud de la superficie.
Corrección: Para BGAs de paso fino, una variación de incluso 50µm puede causar uniones abiertas. Asegúrese de que el plano de fabricación del PCB especifique requisitos estrictos de planitud (arqueo y torsión < 0,5%).

Guía de PCB interposer HBM3 FAQ (costo, tiempo de entrega, materiales, pruebas, criterios de aceptación)

Abordar preguntas específicas ayuda a clarificar las realidades logísticas y técnicas de la adquisición de estas complejas placas.

1. ¿Cuál es el principal factor de costo para un PCB interposer HBM3? Los principales factores de costo son los materiales (los laminados de alta velocidad cuestan 3-5 veces más que el FR4) y el número de capas HDI. Una placa que requiera microvías apiladas 4+N+4 será significativamente más cara que una placa multicapa estándar.

2. ¿En qué se diferencia la prueba de PCB interposer HBM3 de las PCB estándar? Las pruebas estándar verifican circuitos abiertos/cortocircuitos. Las pruebas de PCB HBM3 requieren pruebas de impedancia con tolerancias más estrictas (±5%) y a menudo requieren pruebas de estrés de interconexión (IST) para asegurar que las microvías sobrevivan al ciclo térmico.

3. ¿Cuáles son los tiempos de entrega para la fabricación de PCB listos para HBM3? Debido a la complejidad de los ciclos de laminación y la necesidad de materiales especializados, los tiempos de entrega son típicamente de 4 a 6 semanas para prototipos y de 6 a 8 semanas para volúmenes de producción. Los servicios acelerados son difíciles debido a la física del proceso de curado.

4. ¿Qué materiales son los mejores para los diseños de PCB interposer HBM3? Los materiales deben tener un Dk/Df bajo. Las opciones comunes incluyen Panasonic Megtron 6/7, Isola Tachyon 100G y la serie Rogers RO4000 para capas específicas. La elección depende de los requisitos de frecuencia específicos y del presupuesto.

5. ¿Cuáles son los criterios de aceptación para el alabeo de la PCB interposer HBM3? Generalmente, el alabeo debe mantenerse por debajo del 0,75% de la dimensión diagonal, aunque para paquetes grandes, una deflexión máxima de 100µm a 150µm suele ser el límite estricto para asegurar un reflujo BGA exitoso.

6. ¿Puedo usar lámina de cobre estándar para PCBs HBM3? No. Debe usar cobre HVLP (Hyper Very Low Profile). La rugosidad del cobre estándar actúa como una resistencia a altas frecuencias (efecto piel), degradando la calidad de la señal esencial para HBM3.

7. ¿Cómo manejo la gestión térmica de la pila HBM3 en la PCB? La PCB debe actuar como una trayectoria térmica. Esto implica el uso de vías térmicas debajo de las almohadillas de los componentes conectadas a planos de tierra internos, y potencialmente el uso de un núcleo metálico o la inserción de una moneda (coin insertion) si el flujo de calor es extremo.

8. ¿Cuál es el paso mínimo soportado para PCBs interposer orgánicas? Fabricantes avanzados como APTPCB pueden soportar pasos de bump de hasta 130µm para sustratos estándar, y significativamente más finos (hasta 40µm-50µm) para PCBs tipo sustrato (SLP) utilizando procesos semi-aditivos modificados (mSAP).

Recursos para la guía de PCB interposer HBM3 (páginas y herramientas relacionadas)

Para ayudarle aún más en su proceso de diseño, utilice estos recursos y herramientas relacionados.

Calculadora de impedancia: Utilice la Calculadora de impedancia para estimar los anchos de traza para pares diferenciales de 85Ω y 100Ω.
Biblioteca de materiales: Explore la sección Materiales para comparar las propiedades de los laminados Isola, Megtron y Rogers.
Directrices DFM: Descargue las Directrices DFM para comprender los límites de fabricación para el enrutamiento HDI y de paso fino.

Glosario de la guía de PCB con interposer HBM3 (términos clave)

Una comprensión clara de la terminología es vital para una comunicación efectiva entre diseñadores y fabricantes.

Término	Definición
Empaquetado 2.5D	Una técnica de empaquetado donde los chips (GPU + HBM) se colocan uno al lado del otro en un interposer, que se asienta sobre un sustrato de PCB.
Interposer	Una interfaz eléctrica que enruta entre un zócalo o conexión y otro; en HBM3, conecta el chip al sustrato.
TSV (Through-Silicon Via)	Una conexión eléctrica vertical (vía) que atraviesa completamente una oblea de silicio o un chip.
Microbump	Bumps de soldadura extremadamente pequeños utilizados para conectar el chip HBM3 al interposer (mucho más pequeños que los bumps C4 estándar).
CoWoS	Chip-on-Wafer-on-Substrate; una popular tecnología de empaquetado de TSMC que utiliza interposers.
CTE	Coeficiente de Expansión Térmica; la velocidad a la que un material se expande cuando se calienta.
Underfill	Un material epoxi inyectado entre el dado/interposer y la PCB para reducir el estrés mecánico.
HDI (High Density Interconnect)	Tecnología de PCB que utiliza microvías, vías ciegas y vías enterradas para lograr una alta densidad de enrutamiento.
mSAP	Proceso Semi-Aditivo Modificado; un método de fabricación que permite anchos de traza más finos que el grabado sustractivo.
Pérdida de Inserción	La pérdida de potencia de la señal resultante de la inserción de un dispositivo (o traza) en una línea de transmisión.
Frecuencia de Nyquist	La frecuencia más alta que puede codificarse a una tasa de muestreo dada; para HBM3, la integridad de la señal se verifica a esta frecuencia.
Anylayer HDI	Una estructura de PCB donde las vías pueden conectar cualquier capa con cualquier otra capa, maximizando la flexibilidad de enrutamiento.

Conclusión: Próximos pasos de la guía de PCB de interposer HBM3

El despliegue exitoso de un sistema HBM3 requiere más que un buen esquema; exige un enfoque holístico para la guía de PCB de interposer HBM3, equilibrando el rendimiento eléctrico, la gestión térmica y la fabricabilidad. A medida que las tasas de datos aumentan y los paquetes se vuelven más complejos, el margen de error en el sustrato de la PCB desaparece.

Para llevar su proyecto del concepto a la producción, asegúrese de tener lo siguiente listo para una revisión DFM:

Archivos Gerber (RS-274X) o datos ODB++.
Requisitos de apilamiento, especificando los objetivos de impedancia (por ejemplo, 100Ω diferencial) y las restricciones de recuento de capas.
Especificaciones de materiales (por ejemplo, "Megtron 7 o equivalente").
Archivos de perforación que distingan claramente entre vías pasantes, vías ciegas y vías enterradas.
Netlist para pruebas eléctricas IPC-9252.

Al asociarse con un fabricante experimentado como APTPCB en las primeras etapas de la fase de diseño, podrá navegar por las complejidades de los materiales de alta velocidad y las estructuras HDI, asegurando que su implementación HBM3 funcione de manera confiable a toda velocidad.