Progettazione di schede di interconnessione EMIB: Specifiche, regole e checklist DFM

Progettazione di schede di interconnessione EMIB: risposta rapida (30 secondi)

La progettazione di una scheda di interconnessione per applicazioni EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) richiede una stretta aderenza agli standard di integrazione ad alta densità (HDI) e ai protocolli di gestione termica.

Larghezza/Spazio delle tracce: Deve supportare l'instradamento ultra-fine, richiedendo tipicamente una larghezza/spazio della linea (L/S) inferiore a 10/10 µm per i substrati o 40/40 µm per l'interfaccia PCB principale.
Selezione dei materiali: Utilizzare materiali a bassissima perdita (ad esempio, Megtron 7 o film ABF specializzati) per minimizzare l'attenuazione del segnale ad alte velocità.
Controllo della deformazione: Mantenere la planarità della scheda entro <0,1% (diagonale) per prevenire la fessurazione del ponte o le disconnessioni dei bump durante il riflusso.
Affidabilità dei microvia: I rapporti di aspetto non devono superare 0,8:1 per i via ciechi per garantire una copertura di placcatura completa e l'integrità strutturale.
Gestione termica: Incorporare array densi di via termici o monete di rame, poiché i package EMIB generano un calore localizzato significativo.
Controllo dell'impedenza: È richiesta una tolleranza rigorosa di ±5% per le coppie differenziali instradate attraverso l'interfaccia del ponte.

Quando si applica (e quando no) la progettazione di schede di interconnessione EMIB

Comprendere quando utilizzare l'architettura di interconnessione in stile EMIB rispetto al packaging standard è fondamentale per l'ottimizzazione dei costi e delle prestazioni.

Quando utilizzare la progettazione di schede di interconnessione EMIB:

Integrazione Eterogenea: Quando si combinano die da diversi nodi di processo (es. CPU 10nm + SerDes 28nm) in un singolo package.
Memoria ad Alta Larghezza di Banda (HBM): Quando le applicazioni richiedono un massiccio throughput di dati tra il processore e gli stack di memoria.
Vincoli di Spazio: Quando l'altezza Z deve essere minimizzata, poiché EMIB elimina la necessità di un interposer in silicio completo.
Esigenze di Integrità del Segnale: Quando si instradano segnali su brevi distanze con una latenza inferiore rispetto a quanto possono fornire i substrati organici standard.

Quando NON usarlo:

Elettronica di Consumo a Basso Costo: Il costo di fabbricazione e la complessità superano il budget per i dispositivi IoT o mobili standard.
Basso Numero di I/O: Se il wire-bonding standard o il flip-chip BGA possono gestire il numero di pin, EMIB è eccessivo.
Potenza Estremamente Elevata: Sebbene EMIB gestisca bene il calore, gli ASIC a potenza massiccia potrebbero comunque richiedere interposer in silicio completi o soluzioni di raffreddamento a liquido non inerenti al design della scheda stessa.
Prototipazione Rapida: Il tempo di consegna per i substrati e gli strumenti compatibili con EMIB è significativamente più lungo rispetto ai PCB rigidi standard.

Regole e specifiche di progettazione della scheda di interconnessione EMIB (parametri chiave e limiti)

La progettazione di successo di una scheda di interconnessione EMIB si basa su specifiche precise. Deviare da questi valori spesso comporta una perdita di resa durante l'assemblaggio.

Categoria della Regola	Valore/Intervallo Consigliato	Perché è importante	Come verificare	Se ignorato
Larghezza/Spazio della traccia (L/S)	5µm/5µm (Substrato) 40µm/40µm (PCB)	Essenziale per l'instradamento di I/O ad alta densità dal bridge.	AOI (Ispezione Ottica Automatica)	Cortocircuiti o incapacità di instradare tutti i segnali.
Diametro del microvia	50µm - 75µm	Consente interconnessioni verticali ad alta densità (HDI).	Analisi della sezione trasversale	Affaticamento dei via o circuiti aperti sotto cicli termici.
Costante dielettrica (Dk)	< 3.0 @ 10GHz	Riduce il ritardo di propagazione del segnale e la diafonia.	TDR (Riflettometria nel dominio del tempo)	Degradazione dell'integrità del segnale ed errori di temporizzazione.
Fattore di dissipazione (Df)	< 0.002 @ 10GHz	Minimizza la perdita di segnale (perdita di inserzione) su distanza.	VNA (Analizzatore di rete vettoriale)	Attenuazione eccessiva; fallimento della trasmissione dati.
Spessore del rame	12µm - 18µm (0.3oz - 0.5oz)	Bilancia la capacità di trasporto di corrente con la capacità di incisione a linea sottile.	Fluorescenza a raggi X (XRF)	Sovra-incisione (tracce aperte) o sotto-incisione (cortocircuiti).
Apertura della maschera di saldatura	1:1 con pad o NSMD	Garantisce il corretto posizionamento del bump e il flusso del sottofondo.	AOI / Microscopio	Ponticelli di saldatura o scarsa affidabilità del giunto.
Deformazione / Planarità	< 0.1% (Diagonale)	Critico per l'allineamento del bridge e dei die durante l'assemblaggio.	Interferometria Shadow Moiré	Disallineamento dei componenti, giunti di saldatura freddi o rottura del die.
Tolleranza di impedenza	85Ω / 100Ω ± 5%	Corrisponde all'impedenza del driver/ricevitore per prevenire riflessioni.	Test del coupon di impedenza	Riflessione del segnale, jitter e corruzione dei dati.
Finitura superficiale dei pad	ENEPIG o SOP	Fornisce una superficie piatta e saldabile per bump a passo fine.	XRF / SEM	Scarsa bagnabilità o difetti di "black pad".
Passo dei via termici	0.3mm - 0.5mm	Massimizza il trasferimento di calore lontano dal ponte integrato.	Controllo del file di foratura	Surriscaldamento, throttling o guasto del dispositivo.

Fasi di implementazione della progettazione della scheda di interconnessione EMIB (punti di controllo del processo)

L'implementazione di una progettazione di scheda di interconnessione EMIB comporta un flusso di lavoro rigoroso per garantire che il substrato organico o il PCB possa supportare la tecnologia del ponte integrato.

Definizione dell'architettura e dello stackup:
- Azione: Definire il numero di strati e lo stackup dei materiali.
- Parametro: Selezionare materiali ad alta velocità (ad esempio, materiali Megtron) compatibili con cicli di laminazione multipli.
- Controllo: Verificare la corrispondenza del CTE (Coefficiente di Dilatazione Termica) tra gli strati.
Pianificazione della cavità del ponte:
- Azione: Progettare la cavità o l'area di incasso dove il ponte di silicio sarà integrato (se applicabile) o definire il pattern di atterraggio per il package EMIB.
- Parametro: Tolleranza di profondità della cavità ±10µm.
- Controllo: Assicurare lo spazio per l'adesivo di fissaggio del die.
Strategia di routing Fan-Out:

Action: Instradare i segnali dai bump del ponte a passo fine agli strati PCB più grossolani.
- Parameter: Utilizzare microvias sfalsate per risparmiare spazio.
- Check: Confermare l'assenza di angoli acuti nelle tracce ad alta velocità.

Analisi dell'integrità dell'alimentazione (PI):
- Action: Simulare la caduta di tensione (caduta IR) attraverso la rete di distribuzione dell'energia.
- Parameter: Obiettivo: caduta di tensione CC < 5% al carico.
- Check: Verificare il posizionamento sufficiente dei condensatori di disaccoppiamento vicino all'interfaccia del ponte.
Simulazione dell'integrità del segnale (SI):
- Action: Simulare la perdita di inserzione e la perdita di ritorno per le corsie critiche ad alta velocità.
- Parameter: Perdita di ritorno < -10dB fino alla frequenza di Nyquist.
- Check: Regolare la geometria delle tracce se gli obiettivi di impedenza non vengono raggiunti.
Simulazione di stress termico:
- Action: Modellare il percorso di dissipazione del calore attraverso la scheda.
- Parameter: Temperatura di giunzione massima (Tj) < 105°C (o limite specifico del die).
- Check: Aggiungere monete di rame o array di via termiche se esistono punti caldi.
Revisione DFM (Design for Manufacturing):
- Action: Inviare i file Gerber ad APTPCB per un controllo di producibilità.
- Parameter: Traccia/spazio min., rapporti di aspetto e schegge di maschera.
- Check: Risolvere tutti i flag DFM prima del rilascio per la fabbricazione.
Fabbricazione e Test:
- Action: Fabbricare la scheda nuda utilizzando tecniche di produzione PCB avanzate.

Parametro: Test elettrico al 100% (sonda volante).
Controllo: Convalida dei coupon di impedenza e delle dimensioni fisiche.

Risoluzione dei problemi di progettazione della scheda di interconnessione EMIB (modalità di guasto e soluzioni)

Anche con una progettazione robusta, possono sorgere problemi durante la fabbricazione o l'assemblaggio. Ecco come risolvere i guasti comuni delle schede di interconnessione EMIB.

1. Sintomo: Circuiti aperti nelle microvias

Causa: Placcatura incompleta a causa di un elevato rapporto d'aspetto o detriti intrappolati; disallineamento dell'espansione termica che causa crepe nel barilotto.
Controllo: Analisi in sezione trasversale (SEM) della via guasta.
Soluzione: Ridurre il rapporto d'aspetto a <0,8:1; passare a vias impilate riempite di rame.
Prevenzione: Utilizzare materiali con un CTE sull'asse Z inferiore.

2. Sintomo: Deformazione della scheda durante il reflow

Causa: Distribuzione del rame sbilanciata o stackup asimmetrico; Tg del materiale errato.
Controllo: Misurazione Shadow Moiré a temperatura ambiente vs. temperatura di reflow.
Soluzione: Bilanciare l'area del rame sugli strati superiori/inferiori; utilizzare una maglia di rame fittizia (thieving).
Prevenzione: Simulare la curvatura dello stackup prima del layout; utilizzare materiali ad alto Tg.

3. Sintomo: Perdita di integrità del segnale (BER elevato)

Causa: Disadattamento di impedenza alla transizione ponte-PCB; effetto di tessitura della fibra.
Controllo: Misurazione TDR; ispezionare il tipo di tessitura del vetro.
Soluzione: Back-drill degli stub; utilizzare "vetro spalmato" o ruotare il routing di 10 gradi.
Prevenzione: Specificare il tessuto di vetro spalmato (es. 1067/1086) nelle note di fabbricazione. 4. Sintomo: Cortocircuito di saldatura sotto componenti a passo fine
Causa: Errore di registrazione della maschera di saldatura o apertura eccessiva dello stencil.
Controllo: Ispezionare l'allineamento della maschera di saldatura; rivedere lo spessore dello stencil.
Soluzione: Stringere le dighe della maschera di saldatura; ridurre l'area dell'apertura dello stencil del 10-15%.
Prevenzione: Utilizzare l'imaging diretto laser (LDI) per l'applicazione della maschera di saldatura.

5. Sintomo: Delaminazione degli strati

Causa: Assorbimento di umidità o scarsa adesione tra resina e rame.
Controllo: C-SAM (Microscopia acustica a scansione) per individuare i vuoti.
Soluzione: Cuocere le schede prima dell'assemblaggio; migliorare il trattamento dell'ossido sugli strati interni.
Prevenzione: Conservare le schede in sacchetti sigillati sottovuoto con essiccante; selezionare un bondply ad alta affidabilità.

6. Sintomo: "Black Pad" o non-bagnatura

Causa: Corrosione dello strato di nichel nelle finiture ENIG/ENEPIG.
Controllo: Analisi SEM/EDX della superficie del pad.
Soluzione: Controllare rigorosamente la chimica del bagno di immersione in oro.
Prevenzione: Auditare il processo di finitura superficiale; considerare OSP se la durata di conservazione lo consente.

Come scegliere il design della scheda di interconnessione EMIB (decisioni di progettazione e compromessi)

La scelta della giusta strategia di interconnessione implica il confronto del design della scheda di interconnessione EMIB con tecnologie di packaging alternative come gli interposer in silicio (2.5D) o il packaging a livello di wafer fan-out standard (FOWLP).

EMIB vs. Interposer in silicio

Costo: EMIB è generalmente meno costoso perché utilizza un piccolo ponte di silicio solo dove necessario, piuttosto che un grande e costoso reticolo di interposer in silicio.
Prestazioni: Gli interposer in silicio offrono una densità leggermente superiore per il routing massivo, ma EMIB fornisce migliori prestazioni elettriche per specifici collegamenti ad alta velocità grazie a percorsi più brevi.
Complessità: EMIB richiede una complessa produzione di substrati organici. Se il vostro produttore non è in grado di gestire caratteristiche <10µm, un interposer in silicio potrebbe essere una scommessa più sicura (anche se più costosa).

EMIB vs. Standard HDI PCB:

Densità: La tecnologia PCB HDI standard limita tipicamente L/S a ~40µm. I substrati EMIB riducono questo valore a <10µm localmente.
Applicazione: Utilizzare HDI standard per la scheda madre. Utilizzare substrati compatibili EMIB per il package stesso.
Termico: Le strutture EMIB concentrano il calore. L'HDI standard lo distribuisce più uniformemente ma non può supportare la larghezza di banda.

Quadro decisionale:

Requisito di larghezza di banda: Se >500 Gbps tra i die, scegliere EMIB o Interposer.
Sensibilità al costo: Se il budget è limitato ma le prestazioni sono fondamentali, EMIB è il vincitore del "compromesso".
Catena di fornitura: Assicurarsi che il proprio fornitore di PCB/substrati (come APTPCB) disponga delle attrezzature avanzate per la litografia a linea fine e la foratura laser.

FAQ sulla progettazione di schede di interconnessione EMIB (costo, tempi di consegna, difetti comuni, criteri di accettazione, file DFM)

1. Qual è il tipico fattore di costo per la progettazione di schede di interconnessione EMIB? I principali fattori di costo sono il numero di strati (spesso più di 10), l'uso di materiali avanzati a bassa perdita (come ABF o Megtron) e la perdita di resa associata all'incisione di linee ultra-fini. Aspettatevi costi 3-5 volte superiori rispetto alle schede HDI FR4 standard.

2. Qual è il tempo di consegna per la produzione di substrati compatibili EMIB? A causa della complessità della laminazione sequenziale e dell'imaging preciso, i tempi di consegna variano tipicamente da 4 a 8 settimane per i prototipi. I PCB standard potrebbero richiedere 1-2 settimane, ma la natura ad alta densità dei substrati EMIB richiede un tempo di elaborazione aggiuntivo.

3. Quali materiali sono i migliori per la progettazione di schede di interconnessione EMIB? L'Ajinomoto Build-up Film (ABF) è lo standard industriale per gli strati di accumulo grazie alla sua planarità e capacità di linee sottili. Per il nucleo, si raccomandano materiali ad alto Tg come Megtron 7 o Tachyon 100G per soddisfare i requisiti di prestazione elettrica.

4. Come si testa una scheda di interconnessione EMIB? Il test richiede attrezzatura specializzata. Il test standard a letto di aghi è spesso impossibile a causa della densità del passo. Il test a sonda volante viene utilizzato per i prototipi, mentre l'ispezione ottica automatizzata (AOI) specializzata e il test di continuità senza contatto vengono utilizzati per la produzione di massa.

5. Quali sono i criteri di accettazione per la planarità delle schede EMIB? Lo standard industriale (JEDEC) richiede tipicamente che la deformazione sia inferiore allo 0,1% della dimensione diagonale a temperatura ambiente e durante il profilo di reflow. Il superamento di questo limite porta a difetti "head-in-pillow" o a crepe nel ponte.

6. Quali file sono necessari per una revisione DFM di un progetto EMIB? È necessario fornire file ODB++ o Gerber X2, un disegno dettagliato dello stackup che specifichi i tipi di materiali e gli spessori dielettrici, una netlist (IPC-356) per la verifica del test elettrico e un disegno di foratura che definisca le strutture di via cieche/interrate.

7. APTPCB può produrre il ponte di silicio stesso? No, APTPCB (APTPCB PCB Factory) è specializzata nel substrato organico ad alta densità e nel PCB principale che ospita il package. Il ponte di silicio è prodotto dalle fonderie di semiconduttori. Ci occupiamo dell'integrazione a livello di scheda e della fabbricazione del substrato.

8. In che modo il progetto EMIB influisce sulla gestione termica? Il ponte di silicio localizzato crea un'elevata densità di flusso di calore. Il progetto della scheda deve includere percorsi termici ottimizzati, come via riempite di rame direttamente sotto l'area del ponte, per trasferire il calore al dissipatore di calore del sistema o ai piani di massa interni.

9. Qual è il passo minimo dei microvia per questi progetti? Per il substrato organico che supporta EMIB, il passo dei microvia può scendere fino a 80µm-100µm. Sull'interfaccia del PCB principale, un passo di 0,4 mm o 0,35 mm è comune per il fan-out BGA.

10. Come posso prevenire le discontinuità di impedenza all'interfaccia del ponte? Mantenere un piano di riferimento continuo (massa) sotto i segnali ad alta velocità che entrano nella regione del ponte. Evitare di attraversare piani divisi e assicurarsi che la transizione dalla traccia PCB al bump del package sia modellata in risolutori di campo 3D.

Risorse per la progettazione di schede di interconnessione EMIB (pagine e strumenti correlati)

Capacità PCB HDI: Esplora le tecnologie di interconnessione ad alta densità essenziali per il supporto EMIB.
Produzione PCB avanzata: Scopri i processi di incisione a linea fine e foratura laser.
Materiali PCB Megtron: Specifiche per materiali a bassa perdita utilizzati nei progetti ad alta velocità.
Calcolatore di impedenza: Verifica la larghezza e la spaziatura delle tue tracce per un'impedenza controllata.
Linee guida DFM: Regole di progettazione generali per garantire la producibilità.

Glossario di progettazione di schede di interconnessione EMIB (termini chiave)

Termine	Definizione
EMIB	Embedded Multi-die Interconnect Bridge; una tecnologia di packaging 2.5D che utilizza un ponte di silicio.
Substrato	La scheda organica (spesso basata su ABF) che funge da interfaccia tra i die di silicio e il PCB principale.
Microvia	Un foro praticato al laser (tipicamente <150µm) che collega strati adiacenti nelle schede HDI.
RDL	Strato di ridistribuzione; strati metallici che instradano i segnali dai pad del die ai bump del substrato.
TSV	Via passante in silicio; una connessione verticale che attraversa completamente un wafer di silicio (utilizzata negli interposer, meno in EMIB).
CTE	Coefficiente di dilatazione termica; la velocità con cui un materiale si espande con il calore. La disomogeneità causa deformazione.
Underfill	Sottoriempimento; materiale epossidico iniettato sotto il die/ponte per distribuire lo stress meccanico e proteggere i bump.
Bump Pitch	Passo dei bump; la distanza centro-centro tra bump di saldatura o pad adiacenti.
L/S	Linea/Spazio; la larghezza di una traccia e lo spazio rispetto alla traccia successiva (es. 5/5 µm).
SerDes	Serializzatore/Deserializzatore; blocchi funzionali ad alta velocità spesso collegati tramite ponti EMIB.
Interposer	Interposer; un'interfaccia elettrica che instrada tra un socket o una connessione e un'altra (silicio o organica).
Warpage	Deformazione; la distorsione della planarità della scheda, critica nell'assemblaggio di pacchetti di grandi dimensioni.

Richiedi un preventivo per la progettazione di schede di interconnessione EMIB

Pronto a portare il tuo design ad alta densità dal concetto alla produzione? APTPCB fornisce revisioni DFM complete e produzione di precisione per schede di interconnessione avanzate.

Per ottenere un preventivo accurato e un'analisi DFM, si prega di preparare:

File Gerber RS-274X o ODB++: Dati completi degli strati.
Disegno dello stackup: Specificare il materiale (es. Megtron 7, ABF), il peso del rame e lo spessore del dielettrico.
File di foratura: Definisci i via ciechi, interrati e passanti.
Requisiti di impedenza: Elenca l'impedenza target e i layer di riferimento.
Volume e tempi di consegna: Quantità prototipo vs. obiettivi di produzione di massa.

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Conclusione: Prossimi passi nella progettazione di schede di interconnessione EMIB

Padroneggiare la progettazione di schede di interconnessione EMIB richiede un passaggio dalle regole standard dei PCB a una precisione simile a quella dei semiconduttori. Controllando rigorosamente le geometrie delle tracce, selezionando materiali a bassissima perdita e gestendo la deformazione termica, è possibile implementare con successo pacchetti eterogenei ad alte prestazioni. Sia che tu stia prototipando un nuovo acceleratore AI o un modulo di rete ad alta velocità, l'adesione a queste specifiche garantisce che il tuo design sia producibile e affidabile.