Ключевые выводы
- Определение: Межслойная печатная плата HBM3 действует как критически важный субстрат высокой плотности, соединяющий стеки памяти GPU/ASIC и HBM3, управляя экстремальными скоростями передачи данных (до 6,4 Гбит/с на контакт) и тепловыми нагрузками.
- Критические метрики: Успех зависит от контроля вносимых потерь (< -2 дБ/дюйм), импеданса (85-100 Ом ±5%) и коробления (< 100 мкм) во время оплавления.
- Выбор материалов: Материалы с низкими потерями (такие как Megtron 7 или Tachyon) являются обязательными для минимизации затухания сигнала на высоких частотах.
- Распространенное заблуждение: Многие разработчики считают, что применяются стандартные правила HDI; однако HBM3 требует значительно более точной регистрации и меньшего шага (часто < 40 мкм).
- Проверка: Электрические испытания должны выходить за рамки проверки непрерывности и включать TDR (рефлектометрию во временной области) и VNA (векторный анализатор цепей) для обеспечения целостности сигнала.
- Совет по производству: APTPCB (APTPCB PCB Factory) рекомендует раннее участие DFM для оптимизации симметрии стека и снижения рисков несоответствия КТР.
Что на самом деле означает руководство по межслойным печатным платам HBM3 (область применения и границы)
Понимание ключевых выводов закладывает основу для точного определения того, что эта технология влечет за собой в контексте современных вычислений. Термин «руководство по HBM3 интерпозерным печатным платам» относится к инженерным и производственным стандартам, необходимым для изготовления печатной платы (или органического субстрата), которая поддерживает 2.5D-упаковку. В системе HBM3 (High Bandwidth Memory Gen 3) стеки памяти и логический процессор (GPU/ASIC) располагаются на кремниевом или органическом интерпозере. Этот интерпозер, в свою очередь, монтируется на высокопроизводительную печатную плату. Данное руководство сосредоточено на этой базовой печатной плате и технологиях органических интерпозеров, которые все чаще заменяют кремний.
Область применения данного руководства охватывает переход от стандартного изготовления печатных плат к производству печатных плат «подобных подложке». Оно рассматривает физическую трассировку тысяч сигналов, тепловое управление высокомощными компонентами и механическую стабильность, необходимую для предотвращения растрескивания паяных соединений под интерпозером. Оно не охватывает внутренний кремниевый дизайн самого кристалла памяти HBM3, а скорее платформу межсоединений, которая делает память пригодной для использования.
Метрики руководства по HBM3 интерпозерным печатным платам, которые имеют значение (как оценивать качество)
После определения области применения инженеры должны количественно оценить качество, используя конкретные, измеримые параметры.
Высокопроизводительные вычисления требуют строгого соблюдения метрик целостности сигнала и механических характеристик. В таблице ниже приведены критические параметры для HBM3 интерпозерной печатной платы.
| Метрика | Почему это важно | Типичный диапазон или влияющие факторы | Как измерить |
|---|---|---|---|
| Вносимые потери | Сигналы HBM3 быстро ухудшаются с расстоянием; высокие потери вызывают ошибки данных. | < -1,5 дБ на дюйм при 16 ГГц (Найквист). Зависит от Df материала. | Векторный анализатор цепей (VNA). |
| Дифференциальный импеданс | Несоответствия вызывают отражения сигнала и джиттер. | 85Ω или 100Ω ± 5% (строже стандартных ±10%). | TDR (Рефлектометрия во временной области). |
| КТР (Коэффициент теплового расширения) | Несоответствие между печатной платой, интерпозером и кристаллом вызывает коробление и отказ соединений. | Ось X/Y: 10-14 ppm/°C; Ось Z: < 40 ppm/°C. | ТМА (Термомеханический анализ). |
| Ширина L/S (Линия/Промежуток) | Определяет плотность трассировки; HBM3 требует тысячи соединений. | 15µm/15µm или тоньше для органических интерпозеров; 30µm/30µm для подложек. | AOI (Автоматический оптический контроль) и Поперечное сечение. |
| Шероховатость поверхности | Шероховатая медь увеличивает потери от скин-эффекта на высоких частотах. | Rz < 2,0µm (требуется медная фольга VLP или HVLP). | Профилометр или СЭМ. |
| Точность совмещения переходных отверстий | Несоосность нарушает соединение в полях BGA высокой плотности. | ± 10µm до ± 25µm в зависимости от количества слоев. | Рентгеновский контроль. |
Руководство по выбору межслойной печатной платы HBM3: рекомендации по выбору в зависимости от сценария (компромиссы)
После определения метрик следующим шагом является выбор правильного подхода к проектированию на основе ваших конкретных проектных ограничений. Различные приложения требуют приоритизации различных аспектов руководства по HBM3 интерпозерным печатным платам. Ниже приведены распространенные сценарии и рекомендуемые компромиссы.
1. Серверы для обучения ИИ (Максимальная производительность)
- Приоритет: Целостность сигнала и теплоотвод.
- Компромисс: Более высокая стоимость и увеличенный срок изготовления.
- Рекомендации: Используйте материалы со сверхнизкими потерями (например, Panasonic Megtron 7 или Isola Tachyon). Внедряйте технологию HDI PCB с 4+ слоями наращивания (Any-layer HDI) для обеспечения высокой плотности трассировки. Не идите на компромиссы в отношении качества материалов.
2. Периферийные вычисления / Инференс (Чувствительность к стоимости)
- Приоритет: Экономическая эффективность и форм-фактор.
- Компромисс: Немного уменьшенная максимальная длина трассы.
- Рекомендации: Вы можете использовать материалы со средними потерями, если длины трасс между ASIC и HBM3 чрезвычайно малы. Однако строгий контроль импеданса по-прежнему необходим.
3. Аэрокосмическая и оборонная промышленность (Надежность)
- Приоритет: Долгосрочная надежность и устойчивость к суровым условиям.
- Компромисс: Ограниченный выбор материалов (должны быть квалифицированы).
- Рекомендации: Сосредоточьтесь на согласовании КТР. Печатная плата должна выдерживать широкие температурные циклы без расслоения. Используйте материалы с высоким Tg и учитывайте стандарты надежности класса печатных плат для серверов/центров обработки данных (IPC Class 3).
4. Прототипирование и NPI (Скорость)
- Приоритет: Быстрое время выполнения.
- Компромисс: потенциально ослабленные правила плотности для обеспечения выхода годных изделий.
- Рекомендация: Упростите структуру слоев, где это возможно. Избегайте "героических" ширин трасс (например, сохраняйте L/S > 40 мкм, если позволяет конструкция), чтобы обеспечить правильный выход годных изделий первой партии для функционального тестирования.
5. Приложения с высокой тепловой нагрузкой
- Приоритет: Рассеивание тепла.
- Компромисс: Сложная механическая сборка.
- Рекомендация: Включите внутренние слои из толстой меди для распределения питания и теплового рассеивания. Убедитесь, что поверхность идеально плоская (ENEPIG), чтобы облегчить крепление радиатора.
6. Органический интерпозер против кремниевого интерпозерного субстрата
- Приоритет: Как выбрать между технологиями.
- Компромисс: Кремний плотнее, но дороже; органический дешевле, но имеет ограничения по трассировке.
- Рекомендация: Если ваш HBM3 интерпозерный PCB-гайд требует L/S < 2 мкм, вы, вероятно, поддерживаете кремниевый интерпозер. Если L/S составляет 10-15 мкм, вы можете проектировать органический интерпозер напрямую. APTPCB может помочь в определении технологичности для органических подложек.
Контрольные точки реализации руководства по HBM3 интерпозерным печатным платам (от проектирования до производства)
После выбора правильной стратегии акцент смещается на строгое выполнение процесса проектирования и производства.
Этот контрольный список гарантирует, что дизайн HBM3 интерпозерной печатной платы успешно преобразуется в физический продукт.
- Определение структуры слоев
- Рекомендация: Определите симметричный стек с четным количеством слоев для предотвращения изгиба.
- Риск: Асимметричные стеки деформируются во время оплавления, что приводит к растрескиванию микровыступов HBM3.
- Приемлемость: Моделирование показывает < 1% деформации.
Проверка материалов
- Рекомендация: Выбирайте материалы с Dk < 3,5 и Df < 0,005 при 10 ГГц.
- Риск: Затухание сигнала не позволяет памяти работать на полной скорости.
- Приемлемость: Проверка технических характеристик Isola PCB или аналогичных материалов на частотную характеристику.
Конструкция переходных отверстий и разводка
- Рекомендация: Используйте стекированные микропереходные отверстия или смещенные микропереходные отверстия вместо сквозных отверстий в области BGA.
- Риск: Сквозные отверстия занимают слишком много места и ухудшают целостность сигнала из-за ответвлений.
- Приемлемость: Проверка DFM на соотношение сторон (обычно 0,8:1 для микропереходных отверстий).
Анализ целостности питания (PI)
- Рекомендация: Выделите соседние плоскости для питания и заземления для создания межплоскостной емкости.
- Риск: Падение напряжения вызывает ошибки данных HBM3 при переключении с высокой нагрузкой.
- Приемлемость: Моделирование падения ИК < 3% от напряжения шины.
Трассировка дорожек и согласование длин
- Рекомендация: Согласуйте длины в пределах байтовой линии до < 0,5 мм (или более жестко в соответствии со спецификацией чипсета).
- Риск: Временной перекос делает данные нечитаемыми.
- Приемлемость: Проверка отчета САПР.
Регистрация паяльной маски
- Рекомендация: Используйте лазерное прямое формирование изображения (LDI) для выравнивания маски.
- Риск: Наложение маски на контактные площадки препятствует правильной посадке шариков BGA.
- Приемлемость: Допуск регистрации ± 10 мкм.
Выбор финишного покрытия поверхности
- Рекомендация: Используйте ENEPIG (химический никель, химический палладий, иммерсионное золото) или SOP (пайка на контактной площадке).
- Риск: ENIG может вызвать "черную площадку"; HASL слишком неровен для мелкого шага.
- Приемлемость: Измерение плоскостности.
Моделирование коробления
- Рекомендация: Смоделируйте профиль оплавления (до 260°C).
- Риск: Форма коробления "улыбка" или "плач" отсоединяет углы большого интерпозера.
- Приемлемость: Результаты моделирования Shadow Moiré.
Тестовые купоны с контролируемым импедансом
- Рекомендация: Размещайте тестовые купоны на направляющих панели, которые точно имитируют внутреннюю трассировку.
- Риск: Производственные платы отличаются от теоретической модели.
- Приемлемость: Измерение TDR в пределах ±5%.
Окончательное электрическое тестирование
- Рекомендация: 100% тестирование списка цепей с использованием летающего зонда или ложа из игл.
- Риск: Обрывы цепей в сложных слоях HDI невозможно отремонтировать позже.
- Приемлемость: Соответствие IPC-9252 Класс 3.
Руководство по распространенным ошибкам (и правильному подходу) при работе с интерпозерами HBM3 PCB
Даже при наличии контрольного списка, специфические ловушки часто подстерегают разработчиков, впервые работающих с технологиями HBM3. Избегание этих распространенных ошибок крайне важно для обеспечения высокой производительности и выхода годных изделий.
- Ошибка 1: Игнорирование «запретных зон».
- Коррекция: Стек HBM3 и ASIC требуют определенного механического зазора для нанесения компаунда (underfill). Всегда консультируйтесь с рекомендациями по сборке перед окончательной доработкой топологии печатной платы.
- Ошибка 2: Использование стандартного FR4.
- Коррекция: Стандартный FR4 имеет слишком высокий тангенс угла диэлектрических потерь (Df) и нестабильный КТР. Необходимо использовать высокоскоростные, низкопотерные ламинаты, специально разработанные для передового производства печатных плат.
- Ошибка 3: Игнорирование обратных путей.
- Коррекция: Высокоскоростным сигналам требуется непрерывная опорная плоскость. Пересечение разделенной плоскости создает разрыв обратного пути, что приводит к значительным электромагнитным помехам (EMI) и нарушению целостности сигнала.
- Ошибка 4: Недооценка теплового расширения.
- Коррекция: Интерпозер часто изготавливается из кремния (КТР ~3), в то время как печатная плата является органической (КТР ~14). Это несоответствие является основной причиной отказов. Используйте компаунд (underfill) и усилители, а также выбирайте материалы для печатных плат с более низким КТР.
- Ошибка 5: Недостаточные развязывающие конденсаторы.
- Коррекция: HBM3 переключает ток невероятно быстро. Размещайте конденсаторы с низкой индуктивностью непосредственно на обратной стороне печатной платы (via-in-pad) для минимизации индуктивности петли.
- Ошибка 6: Пренебрежение плоскостностью поверхности.
- Коррекция: Для BGA с малым шагом даже отклонение в 50 мкм может вызвать разомкнутые соединения. Убедитесь, что чертеж изготовления печатной платы указывает строгие требования к плоскостности (изгиб и скручивание < 0,5%).
Руководство по HBM3 интерпозерным печатным платам: Часто задаваемые вопросы (стоимость, сроки, материалы, тестирование, критерии приемки)
Ответы на конкретные вопросы помогают прояснить логистические и технические реалии закупки этих сложных плат.
1. Что является типичным фактором стоимости для HBM3 интерпозерной печатной платы? Основными факторами стоимости являются материалы (высокоскоростные ламинаты стоят в 3-5 раз дороже FR4) и количество слоев HDI. Плата, требующая 4+N+4 стекированных микропереходов, будет значительно дороже стандартной многослойной платы.
2. Чем тестирование HBM3 интерпозерных печатных плат отличается от тестирования стандартных печатных плат? Стандартное тестирование проверяет на обрывы/короткие замыкания. Тестирование HBM3 печатных плат требует измерения импеданса с более жесткими допусками (±5%) и часто требует тестирования на стресс межсоединений (IST), чтобы убедиться, что микропереходы выдерживают термические циклы.
3. Каковы сроки изготовления печатных плат, готовых к HBM3? Из-за сложности циклов ламинирования и необходимости в специализированных материалах, сроки изготовления обычно составляют от 4 до 6 недель для прототипов и от 6 до 8 недель для серийного производства. Ускоренные услуги затруднительны из-за физики процесса отверждения.
4. Какие материалы лучше всего подходят для HBM3 интерпозерных печатных плат? Материалы должны иметь низкие значения Dk/Df. Распространенные варианты включают Panasonic Megtron 6/7, Isola Tachyon 100G и серию Rogers RO4000 для определенных слоев. Выбор зависит от конкретных требований к частоте и бюджета.
5. Каковы критерии приемки коробления печатной платы интерпозера HBM3? Как правило, коробление должно быть ниже 0,75% от диагонального размера, хотя для больших корпусов максимальный прогиб от 100µm до 150µm часто является жестким пределом для обеспечения успешной пайки BGA оплавлением.
6. Могу ли я использовать стандартную медную фольгу для печатных плат HBM3? Нет. Вам следует использовать медь HVLP (Hyper Very Low Profile). Шероховатость стандартной меди действует как резистор на высоких частотах (скин-эффект), ухудшая качество сигнала, необходимое для HBM3.
7. Как осуществляется тепловое управление стеком HBM3 на печатной плате? Печатная плата должна выступать в качестве теплового пути. Это включает использование тепловых переходных отверстий под контактными площадками компонентов, соединенных с внутренними земляными плоскостями, и, возможно, использование металлического сердечника или вставки монеты (coin insertion), если тепловой поток экстремален.
8. Какой минимальный шаг поддерживается для органических интерпозерных печатных плат? Передовые производители, такие как APTPCB, могут поддерживать шаги бампов до 130µm для стандартных подложек и значительно более тонкие (до 40µm-50µm) для подложечных печатных плат (SLP) с использованием модифицированных полуаддитивных процессов (mSAP).
Ресурсы для руководства по печатным платам интерпозера HBM3 (связанные страницы и инструменты)
Для дальнейшей помощи в процессе проектирования используйте эти связанные ресурсы и инструменты.
- Калькулятор импеданса: Используйте Калькулятор импеданса для оценки ширины трасс для дифференциальных пар 85Ω и 100Ω.
- Библиотека материалов: Изучите раздел Материалы, чтобы сравнить свойства ламинатов Isola, Megtron и Rogers.
- Рекомендации DFM: Загрузите Рекомендации DFM, чтобы понять производственные ограничения для HDI и трассировки с малым шагом.
Глоссарий руководства по HBM3 интерпозерным печатным платам (ключевые термины)
Четкое понимание терминологии жизненно важно для эффективного общения между разработчиками и производителями.
| Термин | Определение |
|---|---|
| 2.5D-упаковка | Техника упаковки, при которой кристаллы (GPU + HBM) размещаются рядом на интерпозере, который находится на подложке печатной платы. |
| Интерпозер | Электрический интерфейс, маршрутизирующий между одним разъемом или соединением и другим; в HBM3 он соединяет кристалл с подложкой. |
| TSV (сквозное кремниевое отверстие) | Вертикальное электрическое соединение (отверстие), проходящее полностью через кремниевую пластину или кристалл. |
| Микробамп | Чрезвычайно маленькие паяные шарики, используемые для соединения кристалла HBM3 с интерпозером (намного меньше стандартных шариков C4). |
| CoWoS | Chip-on-Wafer-on-Substrate; популярная технология упаковки TSMC, использующая интерпозеры. |
| КТР | Коэффициент теплового расширения; скорость, с которой материал расширяется при нагревании. |
| Андерфилл | Эпоксидный материал, вводимый между кристаллом/интерпозером и печатной платой для снижения механических напряжений. |
| HDI (High Density Interconnect) | Технология печатных плат, использующая микропереходные отверстия, глухие переходные отверстия и скрытые переходные отверстия для достижения высокой плотности трассировки. |
| mSAP | Модифицированный полуаддитивный процесс; метод производства, позволяющий получать более тонкие ширины дорожек, чем при субтрактивном травлении. |
| Вносимые потери | Потери мощности сигнала, возникающие в результате включения устройства (или трассы) в линию передачи. |
| Частота Найквиста | Наивысшая частота, которая может быть закодирована при заданной частоте дискретизации; для HBM3 целостность сигнала проверяется на этой частоте. |
| Anylayer HDI | Структура печатной платы, где переходные отверстия могут соединять любой слой с любым другим слоем, максимизируя гибкость трассировки. |
Заключение: Следующие шаги в руководстве по печатным платам интерпозера HBM3
Успешное развертывание системы HBM3 требует больше, чем просто хорошей схемы; оно требует целостного подхода к руководству по печатным платам интерпозера HBM3, балансирующего электрические характеристики, тепловое управление и технологичность. По мере роста скоростей передачи данных и усложнения корпусов, запас прочности в подложке печатной платы исчезает.
Чтобы перевести ваш проект из концепции в производство, убедитесь, что у вас есть следующее для DFM-обзора:
- Файлы Gerber (RS-274X) или данные ODB++.
- Требования к стеку слоев, с конкретным указанием целевых значений импеданса (например, 100Ω дифференциальный) и ограничений по количеству слоев.
- Спецификации материалов (например, "Megtron 7 или эквивалент").
- Файлы сверления, четко различающие сквозные отверстия, глухие переходные отверстия и скрытые переходные отверстия.
- Сетевой список для электрических испытаний по IPC-9252.
Сотрудничая с опытным производителем, таким как APTPCB, на ранних этапах проектирования, вы сможете справиться со сложностями высокоскоростных материалов и структур HDI, обеспечивая надежную работу вашей реализации HBM3 на полной скорости.