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PCB和IC技术在中间见面

表面贴装技术正在以一些令人惊讶的方式发生变化。

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表面贴装技术(SMT)作为一种将封装芯片组装到印刷电路板上而无需通孔的方式,其发展已经远远超越了其根源。现在,它正在移动内部封装,这些封装本身将安装在PCB上。

但是高级软件包的SMT与我们已经习惯的SMT不同。

“许多系统包括多个亚瑟士公司的产品营销总监肯尼斯·拉森(Kenneth Larsen)说新思科技“这几乎就像你把整个印刷电路板压缩成一个非常小的形状因素。”

高级软件包使用内插件或用于安装模具的其他基板。这些干扰物就像迷你多氯联苯,尽管是由不同的材料制成的。但金属化的尺寸重分发层(RDL)通常比PCB上使用的更具攻击性,即使按照半导体标准,它们很大。因此,必须从PCB和半导体两方面来考虑,以确保良好的可制造性。

"有些公司更以PCB为中心,从封装PCB的角度来看待问题,但也有些公司更以芯片为中心,从芯片的角度来看待问题,"美国半导体公司产品营销总监Marc Swinnen表示有限元分析软件. “然而,这两个世界正在拉近距离,许多公司并不是为此而成立的。”

这导致了芯片制造商的困境。“你打算从半导体Fab Guys使用现代工具吗?”Developed Departed Manage Steve Ledford问道泰瑞达.“还是要使用PCB和SMT制造商的现代工具?”

虽然先进的包装不是新的,但它仍处于生产生命的早期,应用往往受到限制。随着成本的降低,更多的应用程序使用这种封装提供的更紧密的集成,更多的公司将能够利用它。因此,返回到一个较高的层次,在原始SMT和新的变体之间获得一些视角是有帮助的。

“在堆叠现象和SMT之间,先进的封装介于传统前端和传统后端之间,”该公司总裁兼首席执行官Subodh Kulkarni说赛博光学. “这就是所有创新正在发生的地方。打开任何现代设备,串在一起的先进封装看起来与10年前的电路板非常不同。”

封装插入器做着与PCB相同的工作,便于安装在其上的组件之间的连接。此外,它们提供最终将连接到凸点和PCB的布线。PCB制造的许多必要的概念都在干涉器上发挥作用,但是是微型的。整个系统,包括计算,内存,甚至模拟I/O可以组装,然后封装成一个包,安装在PCB上。

虽然这听起来像是简单地缩小PCB的尺寸,以便安装到meta PCB上,但并不是那么容易。任何这样的组装过程都需要检查和测试以保证质量,但用于检查和测试PCB的工具不一定能扩展到封装级别。这都是SMT,但根据使用的不同材料和插入器功能的尺寸,需要不同的设备。

用于基板的材料
大量商用PCB通常由FR-4制成,FR-4是玻璃纤维/环氧树脂组合,几十年来一直是PCB的宠儿。虽然它可以缩小为小型的mezz卡和其他较小的板,最小线间距是测量密耳,而不是微米。最小螺距通常在5或6密耳的范围内(在特殊应用中稍微低一些),也就是超过100微米。

图1:由FR-4制成的典型PCB。资料来源:雷蒙德·斯佩金/CC BY-SA 4.0(通过维基共享)

图1:由FR-4制成的典型PCB。资料来源:雷蒙德·斯佩金/CC BY-SA 4.0(通过维基共享)

转换为微米是有用的,因为先进的封装基片可以支持微米测量的尺寸。所以马上就会有一个数量级的收缩。它们在微米范围内的确切位置也取决于衬底材料。

在描述包内看起来像“迷你pcb”的东西时,似乎使用了两个词。有时它们被简单地称为基质,有时它们被称为干扰物。似乎并没有一个正式的定义来区分底物和插入物,但在此背景下的常见用法似乎是将底物用于有机材料而将插入物用于无机材料。(从技术上讲,干扰者是基板。)

pcb可能有许多层用于复杂的路由和屏蔽,但基片和插入层往往只有很少的几层——可能只有一层,通常称为再分布层(RDL)。有机基材通常用于所谓的面板应用。这类似于半导体,在被切割成单个单元之前,在一个大的片上制造多个单元。最大的区别在于,由于它们的制造方式,面板可以是矩形的,这意味着在切割时不会浪费任何东西。这项技术很大程度上源自显示器行业。

Ledford说:“方形晶片在圆形晶片上工作的原因并不是因为晶片是适合方形晶片的理想材料。这是因为这就是硅锭被拉动的方式。”因此矩形插入层最终从圆形晶片上分离出来,这意味着边缘将有浪费。

图2:晶圆强制将矩形装配到圆上,造成一些浪费。面板以矩形开始,以牺牲尺寸为代价更好地利用空间。资料来源:ASE

图2:晶圆强制将矩形装配到圆上,造成一些浪费。面板以矩形开始,以牺牲尺寸为代价更好地利用空间。资料来源:ASE

玻璃是开发初期另一个有希望的候选产品。“玻璃可以是圆形的,也可以是方形的,”莱德福德说。玻璃衬底也常被称为中间层。

这样就有了三种SMT基片的基本变体:pcb、面板和插入器。它们有显著的成本和维度差异。

尺寸和制造
Ledford说:“所有的东西都趋同于半导体的尺寸。“这只是时间问题。当我毕业的时候,主流的半导体是1微米的线和空间。如果你看看现在的先进封装,它已经接近1微米线和空间了。它只用了30年时间就达到了这个水平。”

这些材料的尺寸有两个关键方面。首先是最小音高。但同样重要的是控制这些维度。

“测试和测量都在50%左右-Ω 控制阻抗,”莱德福德说。“这意味着该生产线的制造商需要有四分之一微米的尺寸控制。好吧,如果我去我的任何PCB商店,他们没有任何接近该尺寸控制水平的地方。”

主要原因是化学:多氯联苯是用湿化学方法制造的,这限制了尺寸和它们的公差。Ledford说:“主导PCB和传统SMT的湿化学工艺没有你需要的尺寸控制。”“什么样的工艺能让你控制四分之一微米线和空间?”干工艺——溅射、干蚀刻等,主要来自半导体领域。”

虽然在某种槽中可以同时处理多个PCB,但面板和晶圆必须在其反应室中单独处理。这是与较小外形因素相关的主要成本之一。

“半导体制造商转向面板级封装的主要原因是封装系统(SiP)中的大型芯片,”该公司的产品营销经理胡永汉(Woo Young Han)表示上的创新. “多个芯片,包括CPU、GPU、DSP和内存,被封装在一个基座中,其结果比半导体工业中的传统芯片尺寸大得多。SiP芯片尺寸可以大到100毫米,因此600毫米矩形面板比300毫米圆形晶圆更适合制造大型SiP芯片。”

硅插入器受晶片尺寸的限制,使得它们使它们更有用的是将处理器集成具有更有限量的存储器。小芯片也是整合到这些较小封装中的候选者。

使用面板可以提供更大的模具,但这是以你把线或芯片放在一起的距离为代价的。“面板级封装可能有更大的图形处理器或cpu,但不一定接近一个芯片,”Robert Cid说,产品线经理,白光干涉仪布吕克

也就是说,虽然人们可能期望面板在实现晶圆级集成的道路上成为一个中间地带,但实际上可能会走另一条路。“我认为,对于那些希望进行更多集成的公司来说,面板级封装越来越成为一种可行的解决方案,”Cid指出。“如果晶圆级封装开始迁移到更大的基板上,可能会进一步降低封装成本。”

PCB与这些其他选项中的任何一个主要功能差异是可以管理的互连数。“你不是在谈论只有几个40微米的I / O垫,”Ledford说。“你在谈论数千个40微米的I / O垫。”

其他人也同意。Synopsys Digital Design Group的硅生命周期管理营销总监Randy Fish指出:“你可能会有数千个这样的微小凸起和非常密集的痕迹。”“能够有冗余互连是其中的必要部分。”

检查线路
PCB和高级封装之间的主要工艺差异之一在于检查,尤其是在发现缺陷时进行返工的能力。

Han解释说:“在一个典型的PCB检测流程中,检测模块对PCB进行检测,然后将PCB转移到复核站,由操作员进行复核,然后送到维修站修复发现的缺陷。”“在半导体晶片检测领域,无论在前端还是后端半导体工艺中,修复单个缺陷都是不可想象的。”

人类仍然是PCB检测领域的人物。Ledford说:“由于PCB行业的历史性质,他们仍然可以看到许多手动检查站,供操作员通过显微镜进行检查。”。

CyberOptics的库尔卡尼描述了当他看到DIMM生产线的尽头时的惊讶。“有20个人站在那个区域,旁边有白灯,”他说。“他们真的从传送带上捡起每一块记忆板,并在把它们放进塑料袋之前对两边进行了视觉检查。”

DIMM经过了最后一次I/O测试,但它们是温热插入的。半分钟后,当取出时,它们已经明显冷却,而且它们不那么容易拔出——有时会干扰电路板上的记忆。“即使I/O检查看起来很好,但当客户收到它时,它还是不好,”Kulkarni解释道。

添加一个自动化的最终检查步骤现在允许干预任何需要返工的电路板,而无需人工检查。

另一个例子是用于容纳大型CPU或其他此类昂贵芯片的插座。使用插座,以便在出现电路板问题时,可以轻松地将高值芯片卸下并移动到新的电路板上,而不是与电路板一起丢弃。

“在一个三乘三英寸的正方形里,你有10000个针,”库尔卡尼说。“这些都是毛茸茸的小铜制东西,它们会伸出来弯曲,因为一定有某种弹簧。”

这使得人类很难对它们进行检查。一个可视化的工具可以再次自动化这个过程,提高结果和吞吐量。因此,PCB检测的自动化水平提高了。

但是,在一个先进的包装内,信号的尺寸和数量使它完全不可能用手进行检查。自动化是必需的。然而,这些工具的工作方式在pcb和面板和晶圆级组件之间是不同的。

“在PCB世界中,大的模具尺寸是常见的,传统的PCB检测工具使用基于CAD设计规则的方法,”Han说。“在半导体领域,检测工具的目的是在高度重复的模具模式中发现更小的缺陷,所以半导体领域的检测工具使用金模或邻模比较方法。SiP与半导体晶片相比,芯片之间的差异要大得多,CAD设计规则方法比黄金/相邻芯片比较方法更有效。这是传统PCB检查工具的优势。与传统的PCB芯片设计相比,SiP芯片的设计规则要小得多——只有2微米的迹线宽度——并且需要亚微米缺陷检测。然而,PCB使用大于10µm的迹线宽度,并且传统PCB检查工具没有光学分辨率来执行亚微米缺陷检测。这是半导体晶圆检查工具的优势。”

面板尺寸比中间尺寸稍微大一些,但仍然有可能使用半导体设备-与宽松的数字。Cid说:“如果你有一个600 x 600毫米的尺寸,你想要确保整个面板的功能在规格范围内。”这可能是一个挑战。我们已经看到客户寻求加快计量测量的方法,以便在生产前评估这种面板的质量。”

不过,如果认为小组和干预者有类似的检查,那就错了。Cid说:“我们看到对晶圆级和面板级封装的要求是非常不同的。”“我们有专门为面板级封装设计的工具,与我们为晶圆级封装设计的工具有不同的要求。”

也就是说,这在一定程度上是专家组落后于刑警的情况。“我们听到的路线图讨论表明,面板级的处理要求将变得更加复杂,需要一些严格的计量,几年后晶圆级封装就需要这些,”Cid说。

因此,尽管自动化和人工智能正在进入pcb检测领域,但这些技术对于先进的封装至关重要。

测试板、基板和插入层
测试将完全不同的理念结合在一起。传统上,PCB是使用钉床测试仪进行测试的,该测试仪可以快速验证电路板上的所有连接。但每个电路板都需要一个定制夹具,这给测试开发过程增加了摩擦。

JTAG已经让这有点容易,提供了一种方式将所有组件连锁在板上并测试它们的连接。这是JTAG的原始目标,并且稍后才会扩大内部芯片测试能力。因此,原则上,可以使用单个JTAG端口测试两个连接和函数。

相比之下,IC使用内部自检以及外部交付的向量,这些向量可能使用专用测试引脚或其他引脚,在测试模式下兼作测试访问引脚。与PCB测试的一个关键区别是,使用IC测试功能。对于PCB,主要是测试连接。PCB上的IC被认为是基于作为其制造流程一部分的单独测试而工作的。

先进的软件包位于中间,确切地说,什么会对成本产生巨大的影响。这是因为一个是与已测试过的模具一起工作,然后将其单独化,放置在基板或中介器上,而测试板本身必须进行测试,以确保连接工作正常。

但这些模具在模拟过程中有没有被损坏?基板/插入器组装是否需要单独进行测试,包括连接和功能测试,以确保所有组件都能通过组装过程?在植入芯片之前和之后是否都要对植入芯片进行测试?如果要测试整个东西,应该在封装之前还是之后测试——还是两者都测试?

挑战的一部分是无法连接到外部连接的内部连接的数量。菲什说:“很多内部模具都不是为了与现实世界对话而制造的。”。“所有连接都是一个接一个的。”

这些问题没有确切的答案。它会因应用和伴随的经济学而有所不同——更不用说失败的风险了。对于安全至关重要的组件,将需要进行更多的测试,而不是那些失败的后果将仅限于烦扰或对制造商失去信誉的组件。

Fish说:“考虑到这种选择,人们确实希望能够在一个复杂的包中测试模具。”。“但对于中低价位的产品,我认为您无法负担再次测试每个模具的费用。”

如果模具本身进行测试,也会产生重要的实际影响。“如果你购买的是已知质量好的模具,供应商会给你他们的测试顺序,让你自己运行吗?””鱼问道。

在实际测试中,即使组件看起来像小型pcb,但由于尺寸的原因,钉床式方法是完全不实际的。这种固定装置中使用的弹簧高跷太大了。此外,定制的装置每个芯片增加了不合理的负担和成本的过程。

JTAG也可以在这里使用,尽管信号速度有限。USB和PCIe也是用于专用测试访问端口的选项,可以加快单个芯片和高级封装组件的测试。事实上,它也可以用于PCB。

Fish说:“我们正朝着高速专用I/O的方向发展。“你将我们的IP插入到芯片中,连接到控制器端的I/ o,然后连接到芯片上的测试基础设施。”

结论
总而言之,在一个先进的封装内的表面安装设备必须使用主要来自半导体世界的技术来制造、检查和测试。虽然许多想法可能起源于PCB,但往往只是不实际的规模PCB方法足够小。

因为封装是半导体制造过程中一个自然的部分,所以先进的封装携带了很多半导体遗产也就不足为奇了。但是,将元件附着在基板表面的基本原理起源于PCB世界。当它缩小到接近半导体的尺寸时,它看起来非常不同



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