Высокопроизводительные вычисления требуют более высоких скоростей передачи данных между гетерогенными чипами, что делает контроль импеданса платы межсоединений EMIB критически важным фактором в современной упаковке полупроводников. По мере того как конструкции переходят к 2.5D-упаковке и чиплетным архитектурам, традиционные границы между печатной платой (PCB) и подложкой корпуса размываются. Обеспечение целостности сигнала через встроенный мост и окружающую органическую подложку требует точного выполнения производственных операций. Это руководство предоставляет комплексный рабочий процесс для инженеров и команд по закупкам для управления импедансом в этих передовых межсоединениях.

Ключевые выводы

• Определение: Контроль импеданса платы межсоединений EMIB относится к поддержанию определенного характеристического импеданса (обычно 85Ω или 100Ω дифференциального) при переходе от кремниевого моста к органической подложке.
• Критический показатель: Возвратные потери и вносимые потери так же важны, как и целевое значение импеданса ($Z_0$) при высокоскоростной интеграции чиплетов.
• Влияние материала: Несоответствие диэлектрической проницаемости ($D_k$) между кремниевым мостом и слоями печатной платы является основным источником отражения сигнала.
• Заблуждение: Многие предполагают, что стандартные допуски для печатных плат (+/- 10%) достаточны; однако конструкции EMIB часто требуют контроля +/- 5% или более жесткого.
• Проверка: Тестирование методом рефлектометрии во временной области (TDR) должно проводиться на специальных тестовых купонах, имитирующих переход от моста к плате, а не только на стандартных купонах трасс.
• Совет по производству: Контроль шероховатости поверхности меди необходим для минимизации потерь от скин-эффекта на частотах выше 25 ГГц.
• APTPCB (APTPCB PCB Factory) специализируется на высокоточных процессах HDI и подложкоподобных печатных плат, необходимых для поддержки этих передовых архитектур упаковки.

Что на самом деле означает контроль импеданса межсоединений EMIB

Понимание основного определения является первым шагом перед анализом конкретных метрик и производственных допусков.

Контроль импеданса межсоединений EMIB — это инженерная дисциплина управления электрическим сопротивлением переменным сигналам, когда они проходят между встроенным кремниевым мостом и органической подложкой корпуса. В отличие от стандартных печатных плат, где дорожки проходят по однородным слоям стекловолокна, структура EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) включает гибридную среду. Сигналы должны проходить от кремниевого кристалла, через микровыступы, в кремниевый мост и далее к подложке корпуса. "Плата межсоединений" в данном контексте выступает в роли носителя. Она должна соответствовать импедансу трассировки с ультратонким шагом на кремниевом мосту. Если импеданс на интерфейсе не совпадает, возникают отражения сигнала. Эти отражения вызывают повреждение данных, увеличение частоты битовых ошибок (BER) и снижение энергоэффективности. Для APTPCB достижение такого контроля означает использование передовых методов HDI (High Density Interconnect), лазерных микропереходов и ультратонких диэлектрических материалов, которые устраняют разрыв между производством полупроводников и традиционным изготовлением печатных плат.

Важные метрики контроля импеданса платы межсоединений EMIB

После определения области контроля импеданса инженеры должны количественно оценить качество, используя конкретные показатели производительности.

Успех проектирования платы межсоединений EMIB зависит от строгого соблюдения метрик целостности сигнала. В высокоскоростных приложениях, таких как ускорители ИИ или процессоры для центров обработки данных, простого "прошел/не прошел" по сопротивлению недостаточно. Необходимо оценивать, как плата ведет себя в широком частотном спектре.

Метрика	Почему это важно	Типичный диапазон / Факторы	Как измерять
Характеристический импеданс ($Z_0$)	Определяет, соответствует ли путь сигнала источнику и нагрузке. Несоответствия вызывают отражения.	85Ω или 100Ω (Дифференциальный); 50Ω (Несимметричный). Допуск: ±5% до ±10%.	Рефлектометрия во временной области (TDR) на тестовых купонах.
Вносимые потери	Измеряет, сколько мощности сигнала теряется при прохождении через межсоединение.	< -1,5 дБ на дюйм на частоте Найквиста. Сильно зависит от шероховатости меди и $D_k$.	Векторный анализатор цепей (VNA) или извлечение S-параметров.
Обратные потери	Измеряет количество сигнала, отраженного обратно к источнику из-за неоднородностей импеданса.	От -10 дБ до -15 дБ желательно. Чем ниже, тем лучше.	VNA (параметр S11).
Перекос (внутри пары)	Разница во времени задержки между положительной и отрицательной линиями дифференциальной пары.	< 5 пс (пикосекунд). Критично для дифференциальной сигнализации.	TDR или осциллограф.
Стабильность диэлектрической проницаемости ($D_k$)	Изменения $D_k$ вызывают колебания импеданса вдоль трассы.	Стабильный $D_k$ в широком диапазоне частот (например, 3,0 - 3,5 для современных подложек).	Проверка спецификации материала и резонаторные кольца.
Шероховатость медной поверхности	Шероховатая медь увеличивает сопротивление на высоких частотах (скин-эффект).	$R_z$ < 2 мкм (рекомендуется медная фольга VLP или HVLP).	Профилометр или СЭМ (сканирующий электронный микроскоп).

Как выбрать контроль импеданса платы межсоединений EMIB: руководство по выбору по сценарию

После установления метрик следующая задача состоит в выборе правильной стратегии контроля на основе конкретного сценария применения. Различные сценарии конечного использования требуют разного уровня строгости в контроле импеданса межсоединительных плат EMIB. Избыточная спецификация добавляет ненужные затраты, в то время как недостаточная спецификация приводит к сбою системы.

Сценарий 1: Высокопроизводительные вычисления (HPC) и ИИ

• Требование: Максимальная пропускная способность (интеграция HBM).
• Компромисс: Требует самой жесткой толерантности импеданса (±5%) и материалов со сверхнизкими потерями.
• Рекомендация: Выбирайте передовые пленочные материалы (ABF) и медь HVLP. Стоимость вторична по отношению к производительности.

Сценарий 2: Потребительские мобильные устройства

• Требование: Миниатюризация и срок службы батареи.
• Компромисс: Ограничения по пространству требуют более тонких диэлектриков, что затрудняет контроль импеданса.
• Рекомендация: Отдавайте предпочтение тонким основным материалам. Допускайте немного более свободные допуски (±7-10%) для поддержания выхода годных изделий и снижения стоимости.

Сценарий 3: Автомобильные системы ADAS

• Требование: Надежность и термическая стабильность.
• Компромисс: Материалы должны выдерживать термические циклы, которые могут изменять импеданс со временем.
• Рекомендация: Выбирайте материалы с высоким Tg и стабильным $D_k$ в широких температурных диапазонах. Валидация должна включать испытания на термическое напряжение.

Сценарий 4: Инфраструктура 5G / Базовые станции

• Требование: Высокая частота и низкая задержка.
• Компромисс: Большая длина трасс на подложке увеличивает риски потерь на вносимое затухание.
• Руководство: Сосредоточьтесь на ламинатах "Low Loss" и "Ultra Low Loss". Контроль импеданса должен учитывать специфические частотные диапазоны (мм-волновой диапазон).

Сценарий 5: Прототип / NPI (Внедрение нового продукта)

• Требование: Скорость доставки и отладки.
• Компромисс: Быстрые обороты могут ограничить доступность материалов.
• Руководство: Используйте стандартные доступные высокоскоростные материалы. Сосредоточьтесь на проверке логики проектирования, а не на идеальной оптимизации импеданса.

Сценарий 6: Массовое производство (чувствительное к стоимости)

• Требование: Выход годных изделий и экономическая эффективность.
• Компромисс: Невозможно поддерживать сверхжесткие допуски без высоких показателей брака.
• Руководство: Проектирование для производства (DFM). Расширяйте трассы, где это возможно, чтобы сделать импеданс менее чувствительным к вариациям травления.

Контрольные точки реализации контроля импеданса межсоединительных плат EMIB

После выбора правильной стратегии акцент смещается на тактическое исполнение от проектных файлов до конечного продукта.

Реализация контроля импеданса межсоединительных плат EMIB требует синхронизированных усилий между инженером-проектировщиком и производственным цехом. Используйте этот контрольный список, чтобы убедиться, что ни один критический шаг не пропущен в процессе изготовления HDI PCB.

1. Определение стека слоев:
   • Рекомендация: Четко определите количество слоев, толщину диэлектрика и вес меди.
   • Риск: Неоднозначные стеки слоев приводят к неверным расчетам импеданса инженером CAM.

• Приемка: Утвержденный лист стека, подписанный как разработчиком, так и производителем.

2. Выбор материала:

   • Рекомендация: Укажите точную серию материала (например, Megtron 6, Rogers или специальные пленки ABF).
   • Риск: Общие обозначения "FR4" не подойдут для скоростей EMIB.
   • Приемка: Сертификация материала (CoC) от поставщика.

3. Ширина и расстояние между трассами (L/S):

   • Рекомендация: Отрегулируйте ширину трассы в CAM для компенсации факторов травления (трапециевидная форма).
   • Риск: Перетравливание уменьшает ширину трассы, повышая импеданс.
   • Приемка: Анализ поперечного сечения (микрошлиф) с проверкой геометрии.

4. Непрерывность опорной плоскости:

   • Рекомендация: Обеспечьте сплошные земляные плоскости под высокоскоростными сигналами, особенно вблизи мостового интерфейса.
   • Риск: Разрывы в опорной плоскости вызывают немедленные разрывы импеданса.
   • Приемка: Автоматическая оптическая инспекция (AOI) внутренних слоев.

5. Регистрация микропереходов (Microvia):

   • Рекомендация: Выравнивание лазерного сверления должно быть точным для соединения контактных площадок моста с подложкой.
   • Риск: Несоосность изменяет емкостную связь, изменяя импеданс.
   • Приемка: Рентгеновский контроль выравнивания переходов.

6. Толщина медного покрытия:

   • Рекомендация: Поддерживайте равномерное распределение покрытия.
   • Риск: Изменения толщины меди влияют на общую индуктивность линии.
   • Приемка: Неразрушающее измерение толщины (CMI).

7. Применение финишного покрытия:

   • Рекомендация: Используйте ENIG или ENEPIG для плоских поверхностей, подходящих для проволочного монтажа или флип-чипа.
   • Риск: Толстые HASL-покрытия создают неровные поверхности и вариации импеданса.
   • Приемка: Измерение толщины финишного покрытия (XRF).

8. Компенсация травления:

   • Рекомендация: Завод должен применять глобальную компенсацию травления на основе веса меди.
   • Риск: Непоследовательное травление по всей панели приводит к вариациям импеданса между единицами.
   • Приемка: Тестирование импедансных купонов по краям панели.

9. Влияние паяльной маски:

   • Рекомендация: Учитывайте $D_k$ паяльной маски при расчете импеданса (для внешних слоев).
   • Риск: Паяльная маска снижает импеданс на 2-3 Ома; игнорирование этого приводит к сбоям.
   • Приемка: Измерение TDR после нанесения паяльной маски.

10. Окончательная TDR-валидация:

    • Рекомендация: 100% тестирование импедансных купонов для критических партий.
    • Риск: Отгрузка плат, которые проходят проверку электрической непрерывности, но не проходят проверку целостности сигнала.
    • Приемка: Отчет TDR, показывающий прохождение/непрохождение по допуску.

Распространенные ошибки при контроле импеданса межсоединительных плат EMIB

Даже при наличии контрольного списка, специфические ошибки часто возникают в сложной среде производства встроенных мостов.

Избегание этих распространенных ошибок в контроле импеданса межсоединительных плат EMIB может сэкономить недели времени на перепроектирование и тысячи долларов на браке.

• Игнорирование "переходной зоны": Наиболее критический разрыв импеданса происходит там, где сигнал переходит от кремниевого моста к подложке печатной платы. Разработчики часто согласовывают импеданс трассы, но игнорируют паразитные емкости контактной площадки/вывода. Коррекция: Моделируйте переход в 3D-полевых решателях и оптимизируйте стек контактных площадок.
• Использование общих диэлектрических констант: Опора на "маркетинговое" значение $D_k$ (например, 4,0) вместо частотно-зависимого значения (например, 3,8 на 10 ГГц). Коррекция: Запросите таблицу частотно-зависимых материалов у APTPCB.
• Пренебрежение моделями шероховатости меди: Стандартные калькуляторы импеданса предполагают гладкую медь. На скоростях EMIB шероховатость добавляет значительную задержку и потери. Коррекция: Используйте модель Хурея или аналогичные коэффициенты коррекции шероховатости в расчетах.
• Неадекватные тестовые купоны: Размещение тестовых купонов слишком далеко от фактической схемы или использование конструкций, не соответствующих фактической плотности трасс. Коррекция: Используйте встроенные купоны или структуры "внутрисхемного" тестирования, где это возможно.
• Упущение производственных допусков: Проектирование 50-омной линии, требующей трассы 3,1 мил, когда минимальная производственная возможность завода составляет 3 мил +/- 0,5 мил. Коррекция: Заранее проконсультируйтесь с Калькулятором импеданса и правилами проектирования.
• Неучет областей, богатых смолой: В гетерогенных подложках смола может скапливаться в зазорах между дорожками, изменяя локальный $D_k$. Коррекция: Используйте фиктивное медное заполнение (thieving) для обеспечения равномерного распределения смолы и прессования.

Часто задаваемые вопросы по контролю импеданса межсоединительных плат EMIB

В завершение технических деталей, вот ответы на самые актуальные вопросы, касающиеся логистики и выполнения.

В: Как строгий контроль импеданса межсоединительных плат EMIB влияет на общую стоимость? О: Ужесточение допусков с ±10% до ±5% может увеличить затраты на 15-25%. Это связано с необходимостью использования более высококачественных материалов, более частым тестированием TDR и более низким выходом годных изделий.

В: Каков типичный срок изготовления прототипов межсоединительных плат EMIB с требованиями к импедансу? О: Стандартные сроки изготовления составляют 15-20 дней. Однако, если требуются специализированные материалы с низкими потерями или пленки ABF, сроки изготовления могут увеличиться до 4-6 недель в зависимости от наличия материалов.

В: Какие материалы лучше всего подходят для контроля импеданса межсоединительных плат EMIB на скорости 56 Гбит/с? О: Стандартный FR4 не подходит. Следует использовать такие материалы, как Panasonic Megtron 6/7, Isola Tachyon или специализированные пленки Ajinomoto Build-up Films (ABF), которые обеспечивают низкий тангенс угла диэлектрических потерь ($D_f$) и стабильный $D_k$.

В: Как проводится тестирование скрытых слоев в подложке EMIB? A: Тестирование скрытых слоев на готовой плате затруднительно. Мы используем "тестовые купоны", расположенные на краях панели, которые имеют ту же структуру слоев и геометрию трасс, что и сама плата. Они тестируются с помощью TDR до ламинирования внешних слоев или после окончательного изготовления.

Q: Каковы критерии приемки для TDR-тестирования этих плат? A: Стандартный критерий приемки заключается в том, что измеренный импеданс должен находиться в пределах указанного допуска (например, 100Ω ±10%). Кроме того, форма сигнала TDR должна быть гладкой, без резких провалов или пиков, указывающих на разрывы.

Q: Могу ли я использовать стандартные переходные отверстия для проектирования межсоединительных плат EMIB? A: В общем, нет. Конструкции EMIB требуют трассировки высокой плотности, что necessitates лазерные микропереходные отверстия, глухие переходные отверстия и скрытые переходные отверстия для управления целостностью сигнала и плотностью. Механические сверла часто слишком велики и создают слишком большую паразитическую емкость.

Q: Как мне указать контроль импеданса в моих Gerber-файлах? A: Не полагайтесь только на имена файлов Gerber. Включите подробный производственный чертеж (Fab Drawing), который перечисляет конкретные слои, ширину трасс, опорные плоскости и целевые значения импеданса для каждой группы сигналов.

Q: В чем разница между односторонним и дифференциальным импедансом в этом контексте? A: Односторонняя (single-ended) импеданс относится к трассе относительно плоскости заземления (обычно 50Ω). Дифференциальная импеданс относится к двум трассам друг относительно друга и к плоскости заземления (обычно 85Ω или 100Ω). Пути передачи данных EMIB почти исключительно дифференциальные для подавления шума.

Ресурсы для контроля импеданса межсоединительных плат EMIB

• Производство высокоскоростных печатных плат: Изучите возможности производства плат, поддерживающих высокие скорости передачи данных.
• Калькулятор импеданса: Инструмент для оценки ширины и расстояния между трассами для вашей целевой импеданса.
• Технология HDI PCB: Узнайте о технологиях микропереходов (microvia) и тонких линий, необходимых для подложек EMIB.
• Проектирование стека печатных плат: Рекомендации по расположению слоев для достижения оптимальной целостности сигнала.

Глоссарий по контролю импеданса межсоединительных плат EMIB

Термин	Определение
EMIB	Встроенный многокристальный межсоединительный мост (Embedded Multi-die Interconnect Bridge). Технология, использующая кремниевый мост, встроенный в подложку, для соединения кристаллов.
Импеданс ($Z_0$)	Сопротивление, которое цепь оказывает прохождению тока при подаче напряжения.
TDR	Рефлектометрия во временной области. Метод измерения, используемый для определения импеданса линии.
Микропереход (Microvia)	Небольшое отверстие, просверленное лазером (обычно < 150 мкм) для соединения соседних слоев в платах HDI.
ABF	Пленка Ajinomoto Build-up. Доминирующий изоляционный материал, используемый в подложках ИС для высокопроизводительных CPU/GPU.
CTE	Коэффициент теплового расширения. Скорость, с которой материал расширяется при нагревании. Несоответствия вызывают проблемы с надежностью.
Insertion Loss	Вносимые потери. Потеря мощности сигнала, возникающая в результате введения устройства (или трассы) в линию передачи.
Return Loss	Обратные потери. Потеря мощности в сигнале, возвращенном/отраженном неоднородностью в линии передачи.
Differential Pair	Дифференциальная пара. Два комплементарных сигнала, используемые для передачи данных, обеспечивающие высокую помехоустойчивость.
Skin Effect	Скин-эффект. Тенденция высокочастотного переменного тока распределяться вблизи поверхности проводника.
Dielectric Constant ($D_k$)	Диэлектрическая проницаемость ($D_k$). Мера способности материала накапливать электрическую энергию в электрическом поле. Влияет на скорость сигнала и импеданс.
Loss Tangent ($D_f$)	Тангенс угла диэлектрических потерь ($D_f$). Мера мощности сигнала, теряемой в виде тепла внутри диэлектрического материала.
RDL	Слой перераспределения. Металлические слои на кристалле или подложке, которые перенаправляют контактные площадки ввода-вывода в другие места.

Заключение: Следующие шаги по контролю импеданса межсоединительной платы EMIB

Освоение контроля импеданса межсоединительных плат EMIB является необходимым условием для конкуренции в эпоху чиплетов и гетерогенной интеграции. Это требует изменения мышления от "соединения точек" к "управлению линиями передачи". Понимая метрики вносимых потерь и возвратных потерь, выбирая правильные материалы и применяя строгие производственные контрольные точки, вы можете гарантировать, что ваши высокопроизводительные конструкции будут функционировать должным образом.

Если вы готовы перевести свой проект из концепции в производство, APTPCB готова помочь. Чтобы получить точный обзор DFM и коммерческое предложение, пожалуйста, предоставьте следующее:

1. Файлы Gerber (RS-274X) или данные ODB++.
2. Схема стекапа, указывающая желаемые материалы и количество слоев.
3. Требования к импедансу (например, Слой 3, 100Ω Diff, Ширина трассы 4mil).
4. Сетевой список для проверки электрических испытаний.

Посетите нашу Страницу котировок, чтобы начать свой проект сегодня.

Related links

• HDI PCB
• Калькулятором импеданса
• Производство высокоскоростных печатных плат
• Проектирование стека печатных плат
• Страницу котировок