несущая подложка CoWoS промышленного класса: Спецификации, Правила Проектирования и Руководство по Устранению Неполадок

Высокопроизводительные вычисления (HPC) и ускорение ИИ требуют упаковочных решений, превосходящих традиционные возможности органических флип-чипов. Несущая подложка CoWoS промышленного класса служит критически важной основой в 2.5D-упаковке, соединяя кремниевый интерпозер с мелким шагом с системной печатной платой. В отличие от подложек потребительского класса, промышленные варианты отдают приоритет долгосрочной надежности, строгому контролю коробления при термоциклировании и превосходной целостности сигнала для интеграции памяти с высокой пропускной способностью (HBM).

В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы отмечаем, что успешная реализация CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) зависит от точного взаимодействия между кремниевым интерпозером и органическим носителем. Это руководство подробно описывает спецификации, правила производства и протоколы устранения неполадок, необходимые для разработки надежной несущей подложки CoWoS промышленного класса.

Краткий ответ (30 секунд)

Для инженеров, оценивающих требования к 2.5D-упаковке, несущая подложка CoWoS промышленного класса определяется ее способностью управлять несоответствием коэффициента теплового расширения (КТР) между большим кремниевым интерпозером и системной платой.

Материал ядра: Накопительные материалы с высоким Tg (температура стеклования > 260°C) (такие как пленка Ajinomoto Build-up Film - ABF) обязательны для поддержки тонкопроводной схемотехники.
Предел коробления: Динамическое коробление должно поддерживаться на уровне менее 50 мкм при температурах оплавления, чтобы предотвратить несмачивание или образование мостиков C4-выводов.
Количество слоев: Обычно требуется 6-2-6 или более высокие структуры межсоединений высокой плотности (HDI) для маршрутизации огромного количества входов/выходов от интерпозера.
Контроль импеданса: Требуется строгий допуск ±5% для высокоскоростных интерфейсов SerDes и HBM.
Надежность: Должен пройти более 1000 циклов испытаний на температурные циклы (TCT) от -55°C до 125°C без усталости микропереходов.
Валидация: 100% автоматический оптический контроль (AOI) и электрические испытания являются обязательными для промышленных классов.

Когда применяется (и когда нет) несущая подложка CoWoS промышленного класса

Понимание конкретного сценария использования этой передовой подложки предотвращает избыточное проектирование или катастрофические отказы в полевых условиях.

Когда использовать несущую подложку CoWoS промышленного класса

Кластеры для обучения ИИ: При интеграции больших GPU/TPU с несколькими стеками HBM, где плотность пропускной способности превышает стандартные пределы флип-чипов.
Высокопроизводительные сетевые коммутаторы: Для ASIC коммутаторов, требующих пропускную способность >50 Тбит/с, что требует интерфейса печатной платы интерпозера HBM3 промышленного класса.
Серверные ЦП: Когда размер кристалла превышает предел ретикулы, что требует архитектуры с разделенным кристаллом (чиплетом) на кремниевом интерпозере.
Суровые промышленные условия: Приложения, требующие увеличенного срока службы (более 10 лет) при колеблющихся тепловых нагрузках, отличающиеся от потребительской электроники.
Интеграция смешанных процессов: При объединении логических (5 нм) и I/O или аналоговых кристаллов (28 нм) на одном интерпозере, требующем унифицированного носителя.

Когда НЕ следует использовать

Устройства IoT с малым количеством выводов: Стандартное проволочное соединение или CSP (корпус с масштабом чипа) значительно более экономичны.
Мобильные процессоры для потребителей: Хотя и передовые, мобильные чипы часто используют технологию RDL-подложки с веерным расположением выводов промышленного класса (InFO) для уменьшения высоты по оси Z и стоимости, а не CoWoS.
Стандартные интерфейсы памяти DDR: Традиционная трассировка DIMM на стандартных печатных платах достаточна; CoWoS избыточен, если не используется HBM.
Чувствительные к стоимости аналоговые схемы: Если это не специализированная плата драйвера лазера промышленного класса, требующая экстремального терморегулирования, стандартный FR-4 достаточен.
Прототипы с коротким жизненным циклом: Затраты на НИОКР (неповторяющиеся инженерные расходы) и сроки выполнения для подложек CoWoS являются непомерными для одноразовых прототипов.

Правила и спецификации

Проектирование несущей подложки CoWoS промышленного класса требует соблюдения строгих физических и электрических правил. Отклонение от них часто приводит к потере выхода при сборке.

Правило	Рекомендуемое значение/диапазон	Почему это важно	Как проверить	Если проигнорировано
Шаг бампов (C4)	130 мкм - 150 мкм	Соответствует стандартному шагу бампов кремниевых интерпозеров.	Оптическая профилометрия / 3D AOI	Мостики или разомкнутые соединения во время оплавления.
Ширина/зазор линии (Ш/З)	8µm/8µm до 12µm/12µm	Требуется для маршрутизации сигналов высокой плотности из тени интерпозера.	Анализ поперечного сечения (РЭМ)	Сбой маршрутизации сигнала; невозможность вывода I/O.
Толщина сердечника	0.8mm - 1.2mm (Высокий модуль)	Обеспечивает механическую жесткость для минимизации коробления во время сборки.	Микрометр / Поперечное сечение	Чрезмерное коробление, приводящее к дефектам типа "улыбка" или "плач".
Диэлектрический материал	Низкие потери (Df < 0.005 при 10 ГГц)	Важно для передовых методов CXL SI промышленного класса и высокоскоростных линий передачи данных.	TDR (Рефлектометрия во временной области)	Затухание сигнала; потеря целостности данных на высоких скоростях.
Диаметр переходного отверстия (Лазер)	40µm - 60µm	Обеспечивает вертикальные межсоединения высокой плотности между нарастающими слоями.	Рентгеновский контроль	Ошибки регистрации переходных отверстий; сбои прорыва.
Покрытие контактной площадки	ENEPIG или SOP (Припой на площадке)	Обеспечивает надежное образование интерметаллических соединений с бессвинцовыми припойными шариками.	РФА (Рентгенофлуоресцентный анализ)	Синдром черной площадки; слабые паяные соединения.
КТР (x, y)	12 - 17 ppm/°C	Настроен для устранения разрыва между кремниевым интерпозером (~~3 ppm) и печатной платой (~~17 ppm).	ТМА (Термомеханический анализ)	Усталость паяных соединений; расслоение подзаливки.
Плоскостность (Глобальная)	< 100 мкм по всему субстрату	Критично для равномерного давления во время процесса крепления чипа.	Интерферометрия теневого муара	Растрескивание кристалла; неравномерное соединение теплопроводящего материала (TIM).
Допуск по импедансу	85Ω / 100Ω ± 5%	Соответствует требованиям дифференциальных пар для PCIe Gen5/6 и NVLink.	Тестирование импедансных купонов	Отражение сигнала; повышенная частота битовых ошибок (BER).
Толщина меди	12µm - 18µm (Наращивание)	Балансирует токонесущую способность с возможностью травления тонких линий.	Поперечное сечение	Перетравливание (обрывы) или недотравливание (короткие замыкания).
Регистрация паяльной маски	± 15µm	Предотвращает наплыв паяльной маски на контактные площадки.	AOI	Плохое смачивание; дефекты паяльных шариков.
Совместимость с андерфиллом	Способность к капиллярному течению	Обеспечивает отсутствие пустот в андерфилле между интерпозером и подложкой.	C-SAM (Акустическая микроскопия)	Пустоты, приводящие к горячим точкам и механическим отказам.

Этапы реализации

Переход от проектирования к готовой несущей подложке CoWoS промышленного класса включает в себя точную последовательность. APTPCB рекомендует следующий рабочий процесс для обеспечения технологичности.

Определение стека и выбор материалов
- Действие: Определите количество слоев (например, 4+2+4) и выберите материалы сердечника/препрега.
- Ключевой параметр: Выберите материал сердечника с высоким модулем Юнга (>25 ГПа) для предотвращения деформации.
- Проверка приемки: Проверьте соответствие КТР с конкретной спецификацией кремниевого интерпозера.
Моделирование целостности сигнала
- Действие: Моделируйте критические пути для потерь на вносимое затухание и возвратных потерь, уделяя особое внимание лучшим практикам CXL SI промышленного класса.

Ключевой параметр: Цель: возвратные потери -10 дБ до частоты Найквиста.
Проверка приемки: Отчет о моделировании, демонстрирующий соответствие стандартам интерфейса (например, PCIe, HBM).

Разводка и Трассировка (Стратегия вывода)
- Действие: Развести плотный массив C4-контактов к более широкому шагу BGA на нижней стороне.
- Ключевой параметр: Поддерживать согласованные опорные плоскости для предотвращения разрывов импеданса.
- Проверка приемки: DRC (проверка правил проектирования) пройден на 100% без нарушений по минимальному L/S.
DFM-анализ с производителем
- Действие: Отправить Gerber-файлы производителю для детального DFM-анализа.
- Ключевой параметр: Проверить соотношение сторон лазерных переходных отверстий и баланс плотности металлизации.
- Проверка приемки: Утверждение отчета EQ (инженерный вопрос) и окончательных производственных файлов. Используйте наш Gerber Viewer для предварительной проверки ваших файлов.
Изготовление подложки (процесс наращивания)
- Действие: Выполнить полуаддитивный процесс (SAP) или модифицированный полуаддитивный процесс (mSAP) для тонких линий.
- Ключевой параметр: Контролировать равномерность толщины покрытия в пределах ±10%.
- Проверка приемки: Промежуточный AOI после каждого слоя наращивания для раннего выявления коротких замыканий/обрывов.
Электрическое тестирование (O/S)
- Действие: Выполнить 100% тестирование летающим зондом или на оснастке на готовой подложке.
- Ключевой параметр: Сопротивление изоляции > 10 МОм.

Приемочный контроль: Нулевое количество дефектов обрыва/короткого замыкания допускается для поставок промышленного класса.

Измерение коробления и упаковка
- Действие: Измерить динамическое коробление при комнатной температуре и температуре оплавления (260°C).
- Ключевой параметр: Коробление < 50 мкм (или специфическое требование к креплению кристалла).
- Приемочный контроль: Прошел/Не прошел на основе стандартов JEDEC; вакуумная упаковка с осушителем.
Итоговый аудит качества
- Действие: Проверить поперечные сечения и качество поверхностной отделки.
- Ключевой параметр: Проверка толщины интерметаллического соединения (IMC).
- Приемочный контроль: Выдан Сертификат соответствия (CoC).

Режимы отказов и устранение неисправностей

Даже при надежной конструкции могут возникнуть проблемы во время сборки интерпозера на несущую подложку CoWoS промышленного класса.

1. Несмачиваемый обрыв (NWO)

Симптом: Электрические обрывы обнаружены после оплавления; выступы C4 не соединяются с контактными площадками подложки.
Причины: Чрезмерное динамическое коробление подложки или интерпозера во время профиля оплавления; окисление контактных площадок.
Проверки: Выполнить анализ теневого муара для картирования коробления в зависимости от температуры. Проверить срок годности поверхностной отделки.
Устранение: Отрегулировать профиль оплавления (время выдержки); использовать более жесткий несущий сердечник; повторно запечь подложку для удаления влаги.
Предотвращение: Смоделировать коробление на этапе проектирования стека; обеспечить строгие спецификации плоскостности.

2. Head-in-Pillow (HiP)

Симптом: Паяльный шарик лежит на паяльной пасте, но не сливается, создавая прерывистое соединение.
Причины: Деформация, приводящая к отрыву шарика от пасты во время фазы ликвидуса, а затем к его опусканию при охлаждении без смачивания.
Проверки: Анализ поперечного сечения; рентгеновский контроль под косыми углами.
Исправление: Оптимизировать химический состав пасты (активность флюса); использовать локализованные опорные приспособления во время оплавления.
Предотвращение: Более точно согласовать КТР подложки с интерпозером; уменьшить размер подложки, если это возможно.

3. Расслоение андерфилла

Симптом: Акустическая микроскопия (C-SAM) показывает пустоты или разделение между интерпозером и подложкой.
Причины: Загрязнение остатками флюса; несовместимый материал андерфилла; выделение влаги из подложки.
Проверки: Изображение C-SAM; проверка эффективности процесса очистки флюса.
Исправление: Улучшить очистку флюса; запекать подложки в течение 4-8 часов перед сборкой; выбрать андерфилл с лучшими адгезионными свойствами.
Предотвращение: Заранее квалифицировать совместимость материалов (флюс против андерфилла против паяльной маски).

4. Усталостное растрескивание микропереходов

Симптом: Периодическое увеличение сопротивления или обрывы цепи после термического циклирования в полевых условиях.
Причины: Несоответствие расширения по оси Z между медным покрытием и диэлектрическим материалом; слабое соединение медь-медь.
Проверки: Мониторинг сопротивления во время TCT; поперечное сечение поврежденных переходов.
Исправление: Увеличить пластичность медного покрытия; осторожно использовать структуры со сквозными отверстиями (ступенчатые часто лучше для снятия напряжения).
Предотвращение: Использовать диэлектрические материалы с низким КТР; внедрить строгие испытания на надежность (например, 1000 циклов -55/125°C).

5. Ухудшение целостности сигнала

Симптом: Высокая BER (частота битовых ошибок) на линиях HBM или PCIe; закрытые глазковые диаграммы.
Причины: Несоответствие импеданса; чрезмерная шероховатость поверхности меди; перекрестные помехи при трассировке с малым шагом.
Проверки: Измерение TDR; анализ VNA (векторный анализатор цепей).
Исправление: Переделать дизайн с более жестким контролем импеданса; использовать более гладкую медную фольгу (VLP/HVLP).
Предотвращение: Использовать лучшие практики CXL SI промышленного класса при компоновке; проверить с помощью Калькулятора импеданса.

6. Кратеризация контактной площадки

Симптом: Смола под медной контактной площадкой разрушается, поднимая площадку и бугорок.
Причины: Чрезмерное механическое напряжение при обращении, креплении радиатора или термическом шоке.
Проверки: Тест "краситель-и-отрыв"; поперечное сечение.
Исправление: Немного увеличить размер контактной площадки; использовать контактные площадки "каплевидной" формы; оптимизировать давление крепления радиатора.
Предотвращение: Использовать смолу с более высокой вязкостью разрушения; избегать размещения критических контактных площадок в углах с высоким напряжением.

Проектные решения

Принятие правильных решений на ранней стадии проектирования несущей подложки CoWoS промышленного класса экономит время и затраты.

Конструкция с сердечником против бессердечниковой

Подложки с сердечником: Используют центральный сердечник, армированный стеклом.
- Преимущества: Лучшая жесткость, более простое обращение, меньшая деформация.
- Недостатки: Большая высота по оси Z, ограничивает плотность переходных отверстий в сердечнике.
- Вывод: Предпочтительны для крупных промышленных CoWoS-приложений, где контроль деформации имеет первостепенное значение.
Бессердечниковые подложки: Полностью состоят из диэлектрических слоев.
- Преимущества: Превосходные электрические характеристики (более короткие пути), более тонкий профиль.
- Недостатки: Высокий риск деформации, сложность в обращении.
- Вывод: Использовать только в том случае, если высота по оси Z является строгим ограничением, а монтажные приспособления могут справляться с деформацией.

Выбор материала: Стандартный против низкопотерьного

Стандартная наращиваемая пленка: Достаточно для цифровой логики и низкоскоростных входов/выходов.
Низкопотерьный материал (например, Low Df ABF): Обязателен для проектов интерпозерных печатных плат HBM3 промышленного класса и высокоскоростных SerDes (>28 Гбит/с).
- Решение: Всегда отдавайте приоритет низкопотерьным материалам для CoWoS-приложений, включающих HBM или высокоскоростные межсоединения, чтобы минимизировать вносимые потери. Ссылайтесь на наше Руководство по материалам для получения конкретных значений Dk/Df.

Покрытие поверхности: ENEPIG против SOP

ENEPIG (химическое никелирование, химическое палладирование, иммерсионное золочение): Универсальное покрытие, хорошо подходит для проволочного монтажа и пайки.
SOP (припой на контактной площадке): Предварительно нанесенный припой на контактные площадки подложки.
Решение: SOP становится все более популярным для носителей CoWoS с мелким шагом, поскольку он помогает компенсировать незначительные проблемы соосностности и обеспечивает лучшее формирование соединений.

FAQ

В1: Каков типичный срок изготовления подложки-носителя CoWoS промышленного класса? Стандартные сроки изготовления составляют от 6 до 10 недель из-за сложности процесса сборки и строгих испытаний. Ускоренные услуги могут сократить этот срок до 4-5 недель, но сопряжены со значительными надбавками.

В2: Чем подложка-носитель CoWoS отличается от стандартной подложки FC-BGA? Подложки CoWoS требуют гораздо более тонких ширин/расстояний линий (часто <10 мкм) и более строгого контроля плоскостности для размещения большого кремниевого интерпозера, тогда как стандартные подложки FC-BGA монтируют кристалл напрямую и имеют более свободные допуски.

В3: Может ли APTPCB производить подложки для интеграции чиплетов? Да, мы поддерживаем конструкции мостовых печатных плат для чиплетов промышленного класса и полные носители интерпозеров, обеспечивая точную регистрацию, необходимую для многокристального выравнивания.

В4: Каково максимальное количество слоев поддерживается? Мы можем производить подложки высокой плотности с количеством слоев, превышающим 18 (например, структуры 8-2-8), в зависимости от ограничений по толщине и соотношения сторон.

В5: Почему коробление является такой критической спецификацией? Кремниевый интерпозер большой и хрупкий. Если подложка-носитель значительно деформируется во время оплавления, это вызывает напряжение, которое может привести к растрескиванию интерпозера или к открытым паяным соединениям (дефекты NWO/HiP). В6: Поддерживаете ли вы высокоскоростные материалы для PCIe Gen 6? Безусловно. Мы используем передовые материалы, такие как Panasonic Megtron 6/7/8 или эквивалентные низкопотерные пленки для наращивания, чтобы соответствовать требованиям по вносимым потерям. Ознакомьтесь с нашими возможностями Megtron PCB.

В7: Какой минимальный шаг контактных площадок вы можете обрабатывать? Для стороны несущей подложки (контактные площадки C4) мы обычно обрабатываем шаги до 130 мкм. Для верхнего слоя RDL на интерпозере (который мы не производим, но к которому подключаемся) шаги значительно тоньше (40 мкм).

В8: Как вы обеспечиваете надежность для промышленных применений? Мы придерживаемся стандартов IPC-6012 Класс 3, где это применимо, выполняя расширенные термические циклы, HAST (ускоренные испытания на старение) и вибрационные испытания по запросу.

В9: Отличается ли контроль импеданса для подложек CoWoS? Принципы те же, но размеры меньше. Мы используем полевые решатели для расчета импеданса тонких линий и проверяем их с помощью TDR на тестовых купонах.

В10: Можете ли вы помочь с трассировкой подложки? Хотя мы в основном сосредоточены на производстве, наша инженерная команда предоставляет глубокую поддержку DFM для оптимизации вашей трассировки с целью повышения выхода годных изделий и производительности.

В11: Что является основным фактором стоимости для этих подложек? Количество слоев, плотность глухих переходных отверстий и класс материала для наращивания (ABF) являются основными факторами стоимости. Потери выхода годных изделий из-за жестких спецификаций также влияют на цену.

В12: Как запросить коммерческое предложение для проекта CoWoS? Предоставьте ваши Gerber-файлы, требования к стеку и спецификацию (BOM). Используйте нашу страницу запроса цен для безопасной загрузки.

Чтобы помочь вам в процессе проектирования, используйте следующие ресурсы APTPCB:

Рекомендации DFM: Подробные правила проектирования для подложек с усовершенствованной упаковкой.
Калькулятор импеданса: Проверьте ширину и расстояние между дорожками для линий 50Ω/100Ω.
Услуги по производству печатных плат: Обзор наших возможностей от прототипа до массового производства.

Глоссарий (ключевые термины)

Термин	Определение
CoWoS	Chip-on-Wafer-on-Substrate. Технология упаковки 2.5D, при которой чипы монтируются на кремниевый интерпозер, который затем монтируется на органическую несущую подложку.
Интерпозер	Промежуточный слой (обычно кремниевый) с TSV, который соединяет несколько кристаллов (логика, память) с несущей подложкой.
Несущая подложка	Органическая подложка корпуса (печатная плата), которая поддерживает интерпозер и соединяет его с основной системной платой.
TSV	Through-Silicon Via. Вертикальное электрическое соединение, полностью проходящее через кремниевую пластину или кристалл.
C4 Bump	Controlled Collapse Chip Connection. Паяные шарики, соединяющие интерпозер с несущей подложкой.
Микровыступ (µ-bump)	Очень маленькие паяные выступы, соединяющие активные кристаллы (GPU/HBM) с интерпозером.
RDL	Слой перераспределения. Металлические слои на интерпозере или подложке, которые маршрутизируют сигналы из одной точки в другую.
CTE	Коэффициент теплового расширения. Скорость, с которой материал расширяется при изменении температуры; несоответствие вызывает напряжение.
HBM	Память с высокой пропускной способностью. Сложенные кристаллы памяти, соединенные через интерпозер, требующие маршрутизации высокой плотности.
Андерфилл	Эпоксидный материал, вводимый между кристаллом/интерпозером и подложкой для распределения механического напряжения и защиты выступов.
ABF	Пленка Ajinomoto Build-up. Доминирующий диэлектрический материал, используемый в многослойных подложках высокой плотности.
SerDes	Сериализатор/Десериализатор. Высокоскоростные коммуникационные блоки, требующие строгой целостности сигнала на подложке.

Заключение

Несущая подложка CoWoS промышленного класса — это не просто пассивный держатель; это активный компонент в цепочке целостности сигнала и механической надежности высокопроизводительных систем. Независимо от того, проектируете ли вы серверы ИИ следующего поколения или надежные промышленные контроллеры, запас прочности микроскопичен.

Успех требует баланса свойств материалов, тщательного DFM и точного выполнения производства. APTPCB обладает десятилетиями опыта в области межсоединений высокой плотности, чтобы гарантировать запуск ваших проектов по передовой упаковке без проблем с выходом годных изделий. Готовы подтвердить ваш дизайн? Свяжитесь с нашей инженерной командой сегодня для DFM-анализа или быстрого расчета стоимости.