Cartes interconnect EMIB : plan de validation, tests et critères d’acceptation

Les technologies d'encapsulation avancées transforment le paysage du calcul haute performance, et au centre de cette évolution se trouve le pont intégré. À mesure que les conceptions de puces évoluent vers l'intégration hétérogène, la validation des cartes d'interconnexion EMIB est devenue une étape cruciale pour garantir la fiabilité et le rendement. Contrairement aux puces monolithiques traditionnelles, les systèmes utilisant des ponts d'interconnexion multi-puces intégrés (EMIB) nécessitent une approche spécialisée pour la fabrication et les tests de substrats.

Pour les ingénieurs et les responsables des achats, il est essentiel de comprendre comment valider ces interconnexions complexes. Ce guide couvre l'ensemble du processus, des paramètres de conception initiaux aux contrôles de production finaux. Que vous développiez des accélérateurs d'IA de nouvelle génération ou des équipements de réseau haute vitesse, APTPCB (APTPCB PCB Factory) fournit l'expertise nécessaire pour naviguer dans ces complexités.

Points clés à retenir

Définition : La validation des cartes d'interconnexion EMIB confirme l'intégrité électrique et mécanique du pont de silicium intégré dans le substrat organique.
Métrique critique : Le contrôle du gauchissement est le facteur le plus important ; un gauchissement excessif entraîne la fissuration du pont ou des joints ouverts.
Focus sur la conception : Un dimensionnement correct de la cavité et une gestion des tolérances sont essentiels pour une intégration réussie du pont.
Idée fausse : Beaucoup supposent que les méthodes de test PCB standard s'appliquent, mais l'EMIB nécessite des tests de pas beaucoup plus serrés et une validation des micro-bosses.
Meilleure Pratique : La simulation précoce de la non-concordance du Coefficient de Dilatation Thermique (CTE) prévient les défaillances pendant le refusion.
Portée de la Validation : Le processus comprend la vérification des couches du substrat, la précision du placement du pont et la connectivité de l'assemblage final.
Partenariat : Travailler avec un fabricant compétent comme APTPCB garantit que les directives DFM sont respectées dès le premier jour.

Cartes interconnect interconnexion multi-puces intégrés (EMIB) (portée et limites)

En s'appuyant sur les points clés, il est important de définir exactement ce que nous validons. La validation de la carte d'interconnexion EMIB ne se limite pas à tester une carte de circuit imprimé nue. C'est un processus d'assurance multicouche qui vérifie le substrat du boîtier organique, le pont de silicium intégré et l'interface entre eux.

Dans une carte PCB standard, la validation pourrait s'arrêter à la continuité électrique et aux tests d'impédance. Cependant, une carte d'interconnexion EMIB sert de conduit haute densité entre des puces hétérogènes (comme un CPU et une mémoire HBM). La portée de la validation s'étend pour inclure les dimensions physiques de la cavité où se trouve le pont, la planéité des couches d'accumulation et la précision d'alignement des micro-vias. La portée de cette validation s'étend de la sélection des matières premières à la préparation pour l'assemblage final. Elle implique la vérification de la stabilité des matériaux diélectriques sous l'effet de la chaleur et la garantie que le placage de cuivre au sein des interconnexions de pont respecte des spécifications de résistance strictes. Si le processus de validation ne parvient pas à détecter un désalignement au niveau du micron, l'ensemble du système multi-puce peut échouer. Par conséquent, ce processus est le gardien entre une conception théorique et un produit fonctionnel de haute performance.

Métriques importantes (comment évaluer la qualité)

Comprendre la portée de la validation nous mène directement aux points de données spécifiques qui définissent le succès. Pour effectuer une validation efficace de la carte d'interconnexion EMIB, vous devez suivre des métriques spécifiques qui quantifient la santé physique et électrique de la carte.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique ou facteurs d'influence	Comment mesurer
Déformation du substrat	Une déformation élevée empêche une fixation correcte de la puce et provoque des contraintes sur le pont.	< 50 µm (température ambiante) à < 100 µm (température de refusion). Dépend de l'épaisseur du noyau.	Interférométrie de Moiré par ombrage.
Tolérance dimensionnelle de la cavité	Le pont doit s'ajuster parfaitement ; trop lâche, il provoque un décalage ; trop serré, il provoque des contraintes.	± 5 µm à ± 10 µm selon la taille du pont.	Machine à Mesurer Tridimensionnelle Optique (MMT).
Uniformité de l'épaisseur diélectrique	Assure une impédance et une intégrité du signal constantes à travers le pont.	Variation < 5% sur les couches d'empilement.	Analyse en coupe transversale (MEB).
Alignement des micro-vias	Des vias mal alignés entraînent des circuits ouverts ou une résistance élevée dans l'interconnexion.	Précision d'enregistrement < 5 µm.	Inspection aux rayons X ou AOI (Inspection Optique Automatisée).
Perte d'insertion	Mesure la dégradation du signal à travers les interconnexions du pont.	< -2 dB @ 28 GHz (varie selon la longueur/matériau de la trace).	Analyseur de réseau vectoriel (VNA).
Résistance au cisaillement de la puce	Vérifie la liaison mécanique du pont au substrat.	> 1 kgf (dépend de la taille de la puce et de l'adhésif).	Testeur de cisaillement.
Rugosité de surface (Ra)	Affecte l'adhérence des lignes fines et la perte de signal aux hautes fréquences.	< 0,3 µm pour les lignes à haute vitesse.	Microscopie à force atomique (AFM).
Désadaptation CTE	De grandes différences provoquent une délamination pendant le cyclage thermique.	Cible < 3 ppm/°C de différence entre les matériaux adjacents.	ATD (Analyse Thermomécanique).

Guide de sélection par scénario (compromis)

Une fois les métriques établies, l'étape suivante consiste à choisir la bonne stratégie de validation et l'architecture de carte adaptées à votre application spécifique. Différentes industries priorisent différents aspects de la conception et de la validation des cartes d'interconnexion EMIB.

Scénario 1 : Calcul haute performance (HPC) et IA

Priorité : Bande passante maximale et faible latence.
Compromis : Vous sacrifierez le coût pour des matériaux à très faible perte et une validation de pas extrêmement serrée.
Objectif de validation : L'intégrité du signal (perte d'insertion) et la gestion thermique sont primordiales. Des tests approfondis sur les paires différentielles à haute vitesse sont requis.

Scénario 2 : Électronique mobile et grand public

Priorité : Facteur de forme (hauteur Z) et autonomie de la batterie.
Compromis : Les substrats plus minces sont plus sujets au gauchissement.
Objectif de validation : Fiabilité mécanique et tests de chute. Le contrôle du gauchissement pendant le processus d'amincissement est l'étape de validation critique ici.

Scénario 3 : Systèmes ADAS automobiles

Priorité : Fiabilité à long terme et survie en environnement hostile.
Compromis : Des règles de conception conservatrices sont utilisées plutôt qu'une densité de pointe pour garantir la durabilité.
Objectif de validation : Cycles thermiques (de -40°C à 125°C) et tests de vibration. La validation doit prouver que les interconnexions ne se fissureront pas après des années d'utilisation routière.

Scénario 4 : Infrastructure 5G

Priorité : Intégrité du signal aux fréquences mmWave.
Compromis : Nécessite des matériaux spécialisés à faible Dk/Df qui sont plus difficiles à traiter.
Objectif de validation : Contrôle de l'impédance et tests d'intermodulation passive (PIM). La validation des propriétés matérielles du substrat est aussi importante que le circuit lui-même.

Scénario 5 : Prototypage et R&D

Priorité : Vitesse d'itération.
Compromis : Acceptation d'un rendement inférieur pour obtenir des unités fonctionnelles plus rapidement.
Objectif de validation : Tests de continuité de base et de court-circuit. Les tests de fiabilité avancés sont souvent ignorés pour gagner du temps, en se concentrant uniquement sur "s'allume-t-il ?".

Scénario 6 : Production de masse

Priorité : Rendement et rentabilité.
Compromis : Les règles de conception sont légèrement assouplies pour maximiser les fenêtres de fabrication.
Objectif de validation : Contrôle statistique des processus (SPC). L'objectif est de valider que le processus est stable, plutôt que de tester chaque paramètre sur chaque carte à l'extrême.

Du design à la fabrication (points de contrôle de l'implémentation)

La sélection du bon scénario informe le flux de fabrication, mais l'exécution nécessite une liste de contrôle rigoureuse. Les points de contrôle suivants vous guident de la conception initiale de la carte d'interconnexion EMIB jusqu'au produit final, garantissant que chaque étape est validée.

1. Sélection des matériaux et définition de l'empilement

Recommandation : Choisir des matériaux avec des valeurs de CTE étroitement adaptées au silicium. Utiliser des matériaux haute fréquence si la vitesse du signal est critique.
Risque : Un mauvais choix de matériau entraîne des problèmes de gauchissement immédiats.
Acceptation : Résultats de simulation montrant des niveaux de contrainte gérables.

2. Formation de la cavité

Recommandation : Utiliser l'ablation laser de haute précision ou le routage à profondeur contrôlée.
Risque : Une profondeur de cavité irrégulière fait que le pont est incliné, ruinant la connectivité.
Acceptation : Scan de profilométrie 3D du fond de la cavité. 3. Placement et intégration du pont
Recommandation: Utiliser des machines de placement pick-and-place de haute précision avec alignement actif.
Risque: Un décalage de position > 5µm peut entraîner un désalignement avec les couches d'empilement.
Acceptation: Vérification par rayons X de la position du pont par rapport aux repères (fiducials).

4. Lamination des couches d'empilement

Recommandation: Appliquer une lamination sous vide avec des profils de pression optimisés pour combler les espaces autour du pont.
Risque: Les vides ou l'air emprisonné autour du pont entraînent un "popcorning" pendant le refusion.
Acceptation: C-SAM (Microscopie Acoustique à Balayage) pour détecter la délamination ou les vides.

5. Perçage laser (Micro-vias)

Recommandation: Utiliser des lasers UV pour une ablation précise du diélectrique au-dessus des plots du pont.
Risque: Perçage à travers le plot du pont ou échec de son exposition complète.
Acceptation: Analyse en coupe transversale des coupons de test.

6. Désencrassement et placage

Recommandation: Désencrassement chimique doux suivi d'un placage par processus semi-additif (SAP).
Risque: Une chimie agressive peut endommager la surface du pont en silicium.
Acceptation: Test d'adhérence au ruban et mesure de l'épaisseur du cuivre.

7. Application de la finition de surface

Recommandation: L'ENEPIG est souvent préféré pour sa polyvalence en matière de wire bonding et de soudure.
Risque: Syndrome du pad noir ou mauvaise mouillabilité si la finition est contaminée.
Acceptation: Test de soudabilité et inspection visuelle.

8. Test Électrique (E-Test)

Recommandation : Utiliser des testeurs à sondes volantes capables d'atteindre des pastilles à pas fin.
Risque : Les montages standard à lit d'aiguilles peuvent endommager le substrat délicat.
Acceptation : Vérification à 100 % de la liste des nets (ouvertures/courts-circuits).

9. Inspection finale du gauchissement

Recommandation : Mesurer le gauchissement à température ambiante et à température de refusion simulée.
Risque : La carte passe le test à température ambiante mais se déforme pendant l'assemblage, entraînant une perte de rendement.
Acceptation : Réussite/Échec basée sur les normes JEDEC.

10. Emballage et expédition

Recommandation : Sceller sous vide avec un dessicant pour éviter l'absorption d'humidité.
Risque : L'absorption d'humidité entraîne un délaminage pendant le processus d'assemblage du client.
Acceptation : Vérification de la carte indicatrice d'humidité (HIC).

Erreurs courantes (et l'approche correcte)

Même avec une liste de contrôle, des erreurs peuvent survenir si les principes sous-jacents des meilleures pratiques pour les cartes d'interconnexion EMIB sont ignorés. Voici les pièges les plus fréquents et comment les éviter.

Erreur 1 : Ignorer le désaccord local du CTE

L'erreur : Les concepteurs se concentrent sur le CTE global de la carte mais ignorent le désaccord local entre le pont en silicium et le matériau organique environnant.
La conséquence : Des microfissures se développent à l'interface du pont après le cyclage thermique.
Approche correcte : Effectuer une modélisation des contraintes localisées et utiliser des couches d'underfill ou de tampon de contrainte autour du pont.

Erreur 2 : Tolérance de cavité inadéquate

L'erreur : Spécifier des tolérances de routage mécanique standard (±100µm) pour la cavité du pont.
La conséquence : Le pont flotte ou s'incline, rendant impossible l'alignement des couches de vias suivantes.
Approche correcte : Utiliser la formation de cavité assistée par laser ou un routage à profondeur contrôlée avec des tolérances plus strictes que ±10µm.

Erreur 3 : Négliger l'accessibilité des plots de test

L'erreur : Concevoir des interconnexions haute densité sans laisser de place pour les sondes de test.
La conséquence : Vous ne pouvez pas effectuer la validation de la carte d'interconnexion EMIB électriquement car les sondes ne peuvent pas atterrir sans court-circuiter.
Approche correcte : Concevoir des coupons de test spécifiques sur les rails du panneau ou inclure des plots de test sacrificiels qui sont retirés ou recouverts plus tard.

Erreur 4 : Utiliser du FR4 standard pour les ponts haute vitesse

L'erreur : Utiliser des matériaux standard à pertes pour économiser des coûts tout en utilisant un pont EMIB coûteux.
La conséquence : Le pont fonctionne, mais le signal se dégrade immédiatement en entrant dans les traces du substrat.
Approche correcte : Utiliser des matériaux à faibles pertes comme Isola PCB ou des stratifiés haute vitesse similaires pour les couches d'empilement.

Erreur 5 : Négliger la sensibilité à l'humidité

L'erreur : Traiter le substrat fini comme un PCB rigide standard en ce qui concerne le stockage.
La conséquence : L'humidité piégée dans les couches organiques se transforme en vapeur pendant le refusion, faisant exploser le boîtier (effet pop-corn).
Approche Correcte: Suivre strictement les directives de manipulation MSL (Moisture Sensitivity Level) et cuire les cartes avant l'assemblage.

Erreur 6: Mauvaise communication avec le fabricant

L'Erreur: Envoyer des fichiers Gerber sans un document détaillé de l'empilement ou des exigences d'impédance.
La Conséquence: L'usine utilise des processus standard incompatibles avec les exigences des puces intégrées.
Approche Correcte: Engager une revue DFM (Design for Manufacturability) avec APTPCB tôt dans la phase de conception.

FAQ

Q1: En quoi la validation des cartes d'interconnexion EMIB diffère-t-elle des tests PCB standard? R: Les tests PCB standard se concentrent sur la connectivité et l'impédance de base. La validation EMIB ajoute des contrôles stricts pour la profondeur de la cavité, l'alignement du pont, le gauchissement localisé et la précision d'enregistrement des micro-vias, qui sont des ordres de grandeur plus stricts que pour les PCB standard.

Q2: Quel est le plus grand défi dans la fabrication des substrats EMIB? R: Le contrôle du gauchissement. Parce que vous mélangez du silicium (rigide) avec des stratifiés organiques (flexibles) et que vous les soumettez à la chaleur, maintenir la carte suffisamment plate pour l'assemblage est le défi principal.

Q3: Puis-je utiliser des matériaux FR4 standard pour les conceptions EMIB? R: Généralement, non. Le FR4 standard a un CTE élevé et une perte de signal élevée. Des films de construction et des matériaux de base spécialisés sont nécessaires pour correspondre aux performances et aux caractéristiques thermiques du pont de silicium.

Q4: Quelles données dois-je fournir pour un devis? A: Vous devez fournir les dimensions du pont, l'empilement complet des couches, les exigences matérielles, les structures de vias borgnes/enterrés et les exigences de tolérance spécifiques pour la cavité.

Q5: L'inspection aux rayons X est-elle obligatoire pour les cartes EMIB ? R: Oui. Étant donné que le pont est intégré et que les connexions sont souvent enterrées, la radiographie ou la microscopie acoustique à haute résolution est le seul moyen de valider l'alignement et de vérifier l'absence de vides de manière non destructive.

Q6: Comment APTPCB gère-t-il la chaîne d'approvisionnement des ponts en silicium ? R: Généralement, le client fournit les ponts en silicium ou en spécifie la source. APTPCB se concentre sur la fabrication du substrat, la création de la cavité et le processus d'intégration.

Q7: Quel est le rendement typique pour ces types de cartes ? R: Les rendements sont inférieurs à ceux des PCB standard en raison de la complexité. Cependant, avec une mise en œuvre appropriée de la liste de contrôle des cartes d'interconnexion EMIB et du DFM, des rendements de production élevés sont réalisables.

Q8: Une carte EMIB défectueuse peut-elle être retravaillée ? R: Rarement. Une fois le pont intégré et laminé, il ne peut pas être retiré. Cela rend la validation de la carte nue avant l'intégration et les tests pendant le processus cruciaux pour éviter de gaspiller du silicium coûteux.

Q9: Quelles finitions de surface sont les meilleures pour les substrats EMIB ? R: L'ENEPIG (Nickel Chimique Palladium Chimique Or par Immersion) est populaire car il prend en charge à la fois le brasage et le wire bonding, souvent nécessaires dans les boîtiers complexes.

Q10: Combien de temps dure le processus de validation ? A: Pour une nouvelle conception, la validation (y compris les coupes transversales et les tests de fiabilité) peut prendre 2 à 4 semaines en plus du temps de fabrication standard.

Pages et outils connexes

Pour vous aider davantage avec vos besoins de conception et de fabrication, utilisez ces ressources d'APTPCB :

Capacités de fabrication : Explorez notre gamme complète de services de fabrication de PCB pour comprendre notre capacité à réaliser des constructions complexes.
Directives de conception : Consultez nos directives DFM pour vous assurer que votre conception EMIB est prête pour la production.
Options de matériaux : Apprenez-en davantage sur les matériaux haute vitesse adaptés à l'encapsulation avancée dans notre section PCB Megtron.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
EMIB	Embedded Multi-die Interconnect Bridge. Une technologie qui utilise un petit pont de silicium intégré dans le substrat pour connecter les puces (dies).
Substrat	Le matériau de carte organique (souvent ABF ou un noyau spécialisé) qui maintient le pont et assure le routage.
RDL	Redistribution Layer (Couche de redistribution). Couches métalliques créées sur le dessus de la puce ou du pont pour acheminer les connexions vers un pas plus large.
TSV	Through-Silicon Via (Via traversant le silicium). Une connexion électrique verticale traversant complètement une tranche ou une puce de silicium.
Microbump	Très petites billes de soudure utilisées pour connecter la puce au pont ou au substrat, typiquement avec un pas < 50µm.
C4 Bump	Controlled Collapse Chip Connection. Bosses flip-chip standard, plus grandes que les micro-bosses.
CTE	Coefficient de Dilatation Thermique. Mesure de l'expansion d'un matériau lorsqu'il est chauffé. Un désaccord provoque des contraintes.
Underfill	Un matériau époxy injecté entre la puce et le substrat pour distribuer les contraintes et protéger les bosses.
Warpage	La déviation de la planéité du substrat, critique pour un assemblage réussi.
Interposer	Une grande couche intermédiaire (silicium ou organique) utilisée pour connecter les puces. EMIB est une alternative aux grands interposeurs.
SerDes	Sérialiseur/Désérialiseur. Blocs fonctionnels haute vitesse utilisés dans les communications qui nécessitent des interconnexions de haute qualité.
Intégration Hétérogène	L'encapsulation de composants (puces) fabriqués séparément dans un assemblage de niveau supérieur.
SAP	Procédé Semi-Additif. Une méthode de formation de traces fines par placage de cuivre sur une fine couche d'amorçage.
ABF	Ajinomoto Build-up Film. Un matériau isolant dominant utilisé dans les substrats de CI haut de gamme.

Conclusion (prochaines étapes)

La validation des cartes d'interconnexion EMIB est la pierre angulaire de l'encapsulation hétérogène moderne. Elle comble le fossé entre la conception des semi-conducteurs et la réalité physique, garantissant que les signaux à haute vitesse traversent la frontière entre les puces sans perte ni défaillance. En vous concentrant sur des métriques critiques telles que le gauchissement, l'alignement et la stabilité des matériaux, vous pouvez atténuer les risques associés à ces constructions complexes.

Le succès dans ce domaine exige plus qu'un simple fichier de conception ; il nécessite un partenaire de fabrication qui comprend les subtilités de l'intégration du silicium dans des substrats organiques. Lorsque vous êtes prêt à passer du concept à la production, assurez-vous d'avoir vos fichiers Gerber, l'empilement des couches et les spécifications du pont prêts.

Contactez APTPCB dès aujourd'hui pour lancer une revue DFM pour votre prochain projet d'interconnexion avancée. Nous sommes prêts à vous aider à valider et à fabriquer l'avenir de l'électronique.