Использование микровизуальных систем для повышения плотности высокоскоростной маршрутизации сигналов

Введение

Современная высокоскоростная электроника требует все возрастающей плотности маршрутизации сигнала при сохранении бескомпромиссной целостности сигнала. По мере того, как устройства сокращаются и скорости передачи данных поднимаются в десятки гигабит в секунду, традиционные проемы через отверстия и даже обычные проемы через отверстия становятся узкими местами как в плотности компоновки, так и в электрических характеристиках. Микровии - крошечные лазерные пробуренные через диаметром менее 150 микрометров - стали критической технологией. Резко уменьшая физический след межслойных соединений и сводя к минимуму паразитную емкость и индуктивность, микровии позволяют дизайнерам упаковывать более высокоскоростные пути сигнала в меньшую область без ухудшения качества сигнала. В этой статье рассматриваются основы микровии, их преимущества для высокоскоростной маршрутизации, производственные соображения, лучшие практики проектирования и их расширяющаяся роль в передовой электронике, такой как инфраструктура 5G, аэрокосмические системы и высокопроизводительные вычисления.

Что такое микрофлора?

Микроволновки представляют собой небольшие сквозняки, обычно определяемые стандартом IPC как имеющие диаметр 150 мкм или менее. Они образуются с использованием лазерного сверления (обычно CO2 или UV), которое создает чистые, точно расположенные отверстия через тонкие диэлектрические слои. В отличие от механически сверливаемых сквозняков, которые ограничены большими диаметрами и могут генерировать заусенцы или мазок, лазерное сверление производит гладкие, хорошо определенные через стены, которые повышают равномерность и надежность покрытия.

Микровиаза поставляется в нескольких конфигурациях, используемых в конструкциях с высокой плотностью межсоединения (HDI):

• Сложенные микровии — выровнены непосредственно друг над другом через несколько слоев, создавая вертикальный путь соединения, напоминающий непрерывную колонку. Сложенные микровии предлагают самую плотную маршрутизацию, но требуют тщательной оценки надежности из-за концентрации механического напряжения.
• Ударные микроволновки — смещены друг от друга по слою к слою, обычно разнесены горизонтально. Эта структура уменьшает напряжение и легче в изготовлении, хотя она потребляет немного больше площади.
• Проскальзывание через — только соединяют несмежные слои, пропуская промежуточные слои (например, от слоя 1 до слоя 3). Они редко используются в высокоскоростных конструкциях из-за увеличения длины заглушек, влияющих на целостность сигнала.

В современных ПХД HDI, микрофлора часто сочетается с зарытыми сквозняками и сквозными отверстиями для достижения высокого количества слоев при сохранении тонких компактных форм-факторов. Они обычно изготавливаются в последовательных циклах ламинирования, причем каждая пара слоя с лазерной буркой добавляется к растущему стеку.

Преимущества микровизуальных систем для высокоскоростной маршрутизации сигналов

Увеличение плотности маршрутизации

Наиболее очевидным преимуществом микровиас является их небольшой размер, который освобождает недвижимость на плате для дополнительных следов и сквозняков. 100 мкм микровиа занимает менее половины площади типичной 250 мкм механической сквозной, и кольцевое кольцо может быть уменьшено пропорционально. Это позволяет проектировщикам маршрутизировать несколько высокоскоростных дифференциальных пар через плотную область разветвления BGA, где даже один традиционный через блокирует несколько каналов. В сложных конструкциях, таких как пакеты интегральных схем (ASIC) или полевые программируемые массивы затворов (FPGA) прорывы, микровиас могут увеличить плотность маршрутизации на 50% или более по сравнению с обычными подходами.

Улучшенная целостность сигнала

Микроволновые системы улучшают целостность сигнала с помощью нескольких механизмов:

• Сниженная паразитарная емкость и индуктивность — Меньшая с помощью ствола и меньшей длины меньшая емкостная нагрузка и индуктивное сопротивление, сохраняющие время подъема и уменьшающие отражения.Выше 5 Гбит/с паразитарные эффекты даже короткого с помощью заглушки становятся значительными; микровии минимизируют эти паразиты.
• Более короткие и более прямые пути сигнала — При микровиасах сигналы могут переходить между слоями с меньшей детонацией. Прямой, короткий путь снижает потерю вставки и снижает риск преобразования режима в дифференциальных парах.
• Лучшее управление импедансом — Малая с помощью геометрии облегчает соответствие с помощью структуры характерному импедансу линии передачи (обычно 50 Ω одноконцевого или 100 Ω дифференциала), уменьшая разрывы, которые вызывают дрожание и интерсимволические помехи.
• Минимизированные с помощью заглушек — Сложенные микровии устраняют длинные заглушки, которые могут резонировать и создавать выемки в частотной реакции.В высокоскоростных конструкциях (например, 28 Гбит/с и выше) даже несколько пикосекунд задержки заглушек могут ухудшить диаграмму глаза.

Повышение надежности

Лазерно-буровые микроволновки обеспечивают превосходное качество стенки отверстия по сравнению с механическим бурением. Существует меньше мазка смолы и выступов стекловолокна, что улучшает адгезию по покрытию меди и уменьшает пустоты. Кроме того, поскольку микроволновки часто являются частью последовательного процесса ламинирования, эпоксидная смола, используемая в слоях препрега, может быть оптимизирована для низкого коэффициента теплового расширения (CTE), соответствующего медному сверлу - ключевому фактору выдерживания циклического изменения температуры. Многочисленные исследования надежности (например, IPC-TM-650) показали, что правильно спроектированные микроволновки с адекватной толщиной меди могут выдерживать тысячи тепловых циклов без сбоев.

Преимущества термоменеджмента

Хотя часто упускается из виду, микровиас также способствуют тепловым характеристикам. Путем обеспечения прямых вертикальных тепловых путей от горячих компонентов (таких как процессоры и усилители мощности) до внутренних медных плоскостей и теплоотводов микровиас может снизить тепловое сопротивление. Их высокая плотность позволяет большему количеству сквозняков на единицу площади проводить тепло от локализованных горячих точек, улучшая общее тепловое рассеивание в конструкциях с высокой мощностью.

Влияние на высокоскоростную маршрутизацию сигналов

Путь возвращения и управление прерывностью

На высоких частотах поддержание твердого пути возврата под сигнальным следом имеет решающее значение. Когда сигнал переходит между слоями, обратный ток также должен смещаться, и любая разрывность, такая как разрыв в плоскости отсчета, создает шум общего режима и увеличивает излучение. Микровии, поскольку они малы и могут быть расположены очень близко к сигнальным каналам, позволяют проектировщикам размещать наземные микровии, прилегающие к сигнальным каналам, чтобы обеспечить короткий путь возвращения с низкой индуктивностью. Этот метод, часто называемый «через сшивание», необходим для частот выше 10 ГГц. В плотных областях BGA микровиа массивы могут быть расположены для формирования коаксиальных переходов, резко уменьшая паразитарные эффекты.

Дифференциальная парная маршрутизация

Высокоскоростные последовательные линии связи (например, PCIe Gen 5/6, USB4, 100G Ethernet) полагаются на тесно связанные дифференциальные пары. Микровиа позволяют двум линиям пары переходить на слои вместе с согласованными длинами, сводя к минимуму перекос. Малый диаметр сквозного канала также позволяет удерживать сквозную пару вблизи того же расстояния, что и дифференциальные следы, сохраняя профиль импеданса. При использовании сложенных микровиас, сквозная пара может быть симметричной, что еще больше снижает конверсию в общем режиме. Многие инструменты моделирования теперь включают модели микровии для прогнозирования производительности; тесная корреляция с измеренными данными подтверждает превосходство переходов на основе микровии над теми, которые используют обычные сквозные каналы.

Материальный выбор и его влияние на производительность микрофлоры

Диэлектрический материал, окружающий микрофлору, сильно влияет на ее электрические характеристики. Низкопоточные материалы (такие как серии Rogers 3000/4000, Panasonic Megtron или ITEQ IT-968) предпочтительны для высокочастотных плат, поскольку они предлагают низкий коэффициент рассеивания (Df) и стабильную диэлектрическую постоянную (Dk) по частоте. Однако эти материалы часто имеют разные характеристики потока и отверждения, которые влияют на эффективность лазерного бурения и адгезию покрытия. Для надежности микрофлоры материал должен иметь низкий CTE как в x-y, так и в z-оси, чтобы предотвратить разрывы ствола во время теплового цикла. Некоторые передовые материалы сочетают матрицу смолы с низкими потерями с очень тонкой стеклянной арматурой для удовлетворения требований к плотным размерам последовательной ламинации. Дизайнеры должны тесно сотрудничать с изготовителями при выборе материалов для HDI плат на основе микрофлоры, которые должны работать выше 20 Гбит / с.

Проектирование для внедрения Microvia

Планирование Stackup

Успешный дизайн микровии начинается с хорошо продуманной штабелировки. Количество слоев микровии, их положение относительно слоев ядра и препрегов, и стратегия сквозного стека (сложенная против пошатнувшейся) должна быть определена рано. Для очень высокой плотности сложенные микровии могут использоваться в нескольких последовательных ламинациях (например, три или более слоев микровии на боку). Однако каждый дополнительный цикл ламинирования увеличивает стоимость и потенциал потери урожайности. Общий подход заключается в использовании одного или двух слоев микровии на каждой стороне для вентиляции мелкодисперсных BGA с обычными сквозными отверстиями для сигналов с более низкой скоростью и распределения мощности.

Сквозь размер, падь и земельные участки

IPC-6012 определяет минимальный размер микроволновой прокладки как диаметр + 75 мкм кольцевое кольцо (общий диаметр прокладки = диаметр + 150 мкм). Для 100 мкм микроволновой прокладки, прокладка будет 250 мкм. Однако, с передовым лазерным сверлением и обшивкой, некоторые производители могут достичь кольцевых колец размером до 50 мкм, что позволяет еще более плотные. Улавливающая прокладка на целевом слое должна быть по крайней мере такой же большой, как диаметр микроволновой прокладки плюс допуск регистрации. Дизайнерам, работающим с ультра-тонким шагом (0,4 мм или ниже), часто необходимо уменьшить размеры прокладки, чтобы поместиться под след BGA. В таких случаях используется техника прокладки (VIP), где микроволновая прокладка помещается непосредственно в поверхность прокладки. VIP требует тщательного заполнения непроводящей или проводящей эпоксидной прокладкой, чтобы избежать паяльного фиксирования и опорожнения.

Через заполнение и планаризацию

Для поддержки последующих слоев ламинирования микровии обычно заполняются эпоксидным материалом (непроводящим) или медным покрытием (проводящим). Заполненные с помощью прокладок обеспечивают плоскую поверхность для прокладок следующего слоя и предотвращают попадание воздуха. Медные микровии обеспечивают наименьшее электрическое сопротивление и лучшую теплопроводность, но процесс заполнения является более сложным и дорогостоящим. Непроводящее заполнение является адекватным для большинства сигнальных с помощью, но может вводить небольшую разрывность на обратном пути. Для высокоскоростных сигналов, где с помощью индуктивности имеет решающее значение, рекомендуется медные микровии, особенно для уложенных конфигураций.

Сигнальное моделирование целостности и валидация

Учитывая сложность микроволновых структур, предварительное моделирование с использованием 3D-электромагнитных решателей (например, Ansys HFSS, CST или Keysight EMPro) имеет важное значение для конструкций выше 10 Гбит/с. Моделирование должно включать в себя бочку, колодку, анти-папку и окружающий диэлектрический материал. Результаты S-параметра, TDR (рефлектория временной области) и анализ диаграммы глаз выявят несоответствия импеданса и резонансные частоты. Затем могут применяться правила проектирования, полученные из моделирования: например, ограничение числа сложенных микроволн на пути сигнала к двум или требование наземной микроволновки в пределах 0,5 мм от каждого дифференциального сигнала через. Проверка уровня производства через тестовые купоны на панели рекомендуется для проверки того, что процесс микроволновки соответствует целям электрических характеристик.

Производственный процесс и возможности

Лазерное бурение

Краеугольным камнем изготовления микрофлоры является лазерная дрель. Лазеры CO2 традиционно используются для бурения микрофлоры в усиленных эпоксидных материалах (например, FR-4), но для очень маленьких диаметров (ниже 75 мкм) или для некоторых систем смолы, УФ-лазеры предлагают лучшую точность. УФ-лазеры также менее разрушительны для окружающего материала и производят меньшие зоны, подверженные воздействию тепла. Однако УФ-бурение медленнее, что приводит к более высокой стоимости. Многие производители теперь используют комбинацию: CO2 для больших микрофлор и УФ для самых маленьких требований к шагу. Соотношение сторон (глубина : диаметр) для микрофлоры обычно удерживается ниже 1:1 для обеспечения равномерной медной обшивки, хотя некоторые продвинутые процессы достигают 1,5:1 со специальными химиками обшивки.

Пластинка и металлизация

После сверления прочищаются отверстия для удаления мусора и смазанной смолы (шаг десмаара), затем осаждается тонкий семенной слой безэлектронной меди. За этим следует гальваническое покрытие для наращивания толщины меди. Для микровиас, даже в небольших отверстиях, электролитическое покрытие должно контролироваться, чтобы избежать шеи или пустот в бочках с помощью бочки. Однородное распределение тока по панели имеет решающее значение; некоторые производители используют импульсное покрытие или периодическое обратное покрытие для достижения последовательного покрытия меди. Типичная толщина готовой меди в бочках микровии составляет 15-25 мкм, хотя более тонкий может использоваться для снижения затрат. Для приложений с высокой надежностью (аэрокосмическая, военная) 25 мкм предпочтительнее.

Инспекция и испытания

Качество микрофлоры проверяется путем сечения (разрушающего) и электрических испытаний надежности, таких как изотермическое старение и тепловой цикл (например, IPC-TM-650 2.6.8). Автоматизированный оптический осмотр (AOI) может подтвердить через присутствие и выравнивание, но не может обнаружить скрытые пустоты. Рентгеновская ламинография иногда используется для проверки уложенных цепей микрофлоры. Для производства большого объема поддерживается статистический контроль процесса (SPC) на бурении и обшивке для обеспечения согласованных выходов.

Проблемы и смягчения

Приложения в разных отраслях

5G и беспроводная инфраструктура

Базовые станции 5G работают на частотах от 3,5 ГГц до 39 ГГц, требуя ПХД с низкими потерями, высокой изоляцией и чрезвычайно плотной маршрутизацией для массивных массивов MIMO. Микровии используются в радиочастотных фронтальных модулях и цифровой задней плоскости, часто в сочетании с материалами с низкими потерями, такими как Megtron 6 или Rogers 4350B. Возможность складывать микровии под 0,5 мм шагом BGA для процессора базовой полосы позволяет интегрировать многие пары сигналов без деградации сигнала.

Высокопроизводительные вычисления (HPC) и ускорители ИИ

Современные чипы ИИ (GPU, TPU) используют интерпозиторы с плотностью микроволн, превышающей 100 виа на квадратный дюйм. Эти устройства требуют сотен высокоскоростных соединений с памятью (HBM2/3) и сетевыми интерфейсами. Microvias позволяют вентиляцию этих мелкокалиберных массивов при сохранении целостности сигнала при скорости передачи данных 28 Гбит/с и выше. Многие материнские платы HPC также используют микроволновки для PCIe Gen 5/6 трассы к процессору.

Аэрокосмическая и оборонная

Радарные системы, радиоэлектронная война и спутниковая связь полагаются на платы HDI с микровизами для уменьшения размера, веса и мощности (SWaP). Надежность микровиас под вибрацией и экстремальными температурами хорошо установлена, с военными стандартами, такими как MIL-PRF-31032, обеспечивающими руководящие принципы. Медные микровии предпочтительны для их тепловых и электрических характеристик как в радиочастотных, так и в цифровых доменах.

Медицинская электроника

Системы визуализации высокого разрешения (ультразвук, МРТ) используют плотные ПХД для обработки аналоговых сигналов от тысяч преобразователей. Микровиасхемы позволяют компоновке вписываться в жесткие форм-факторы при сохранении точности сигнала. Низкая паразитарная индуктивность микровиас особенно важна для аналоговых фронтальных схем, работающих на десятках мегагерц.

Сравнение с традиционными технологиями Via

• Через отверстия через — большие (≥ 300 мкм), механически сверленные, используемые для распределения мощности и земли или низкоскоростных сигналов. Они занимают значительную площадь платы и создают длинные заглушки, которые неприемлемы на высоких скоростях. Микровии заменяют их в областях высокой плотности.
• Слепые сквозняки — Механические сверления с одной поверхности на внутренний слой, как правило, с большими диаметрами (≥ 200 мкм). Они обеспечивают некоторое улучшение плотности, но не тонкий шаг микровиас. Слепые сквозняки часто требуют заполнения, чтобы избежать пустот в более позднем ламинировании.
• Погребенные с помощью — Соединяйте внутренние слои, обычно механически пробуренные. Предлагайте улучшения средней плотности, но все же большие, чем микровизы. Для высокоскоростных конструкций, закопанные с помощью используются для некритических сетей, в то время как микровии обрабатывают высокоскоростные сигналы.

Микровии необходимы, когда с помощью шага необходимо опускаться ниже 0,8 мм, особенно для BGA с шагом 0,5 мм или меньше. В этих случаях традиционные с помощью не могут быть размещены между прокладками, заставляя дизайнеров использовать микровии в самих прокладках (VIP).

Будущие тенденции

Эволюция микроволновой технологии продолжается в нескольких направлениях:

• Ультрамалые сквозняки (<50 µm)] — достижимы с помощью УФ-лазерных сверл и передовых диэлектриков, что позволяет еще более высокую плотность маршрутизации для будущей 3D-упаковки и чип-последних подложек.
• Медные сложенные микровиа для 3D-подложек IC — По мере продвижения гетерогенной интеграции (хиплитные архитектуры), интерпостеры микровии будут соединять несколько матриц с чрезвычайно низкой задержкой и высокой пропускной способностью.
• Встроенные компоненты — микроволновые соединения в сочетании с утопленными пассивными и активными компонентами внутри ПХД еще больше уменьшат высоту сборки и улучшат целостность сигнала.
• Аддитивное производство — струйная или аэрозольная струйная печать может заменить лазерное бурение для очень низких затрат, гибких микроволн в носимых устройствах и устройствах IoT, хотя текущая производительность все еще ниже, чем у лазерных микроволн.

Поскольку скорость передачи данных приближается к 112 Гбит/с и выше, микровиасистемы останутся критически важным инструментом для маршрутизации сигналов, но они будут все чаще использоваться в сочетании с другими передовыми технологиями межсоединения, такими как встроенные волноводы и оптические межсоединения для сверхвысокой пропускной способности.

Резюме

Микровиа трансформировали высокоскоростной дизайн ПХД, предоставив компактный, электрически превосходный метод для переходов слоев. Их способность увеличивать плотность маршрутизации, уменьшать паразитов и поддерживать целостность сигнала делает их незаменимыми для современной электроники, начиная от инфраструктуры 5G до ускорителей ИИ и систем защиты. В то время как сложность производства и стоимость выше, чем для обычных с помощью, тщательное планирование проектирования, выбор материала и тесное сотрудничество с производителями дают надежные, высокопроизводительные платы. Понимая нюансы типов микровии, стратегии укладки и требования к моделированию, инженеры могут разблокировать плотность и производительность, которые ранее были недостижимы с помощью традиционных технологий. По мере того, как отрасль движется к еще более высоким скоростям передачи данных и большей интеграции, микровиас будет продолжать играть центральную роль в эволюции высокоскоростной электроники.

Внешние ссылки: Более глубокие технические детали см. в стандартах IPC IPC‐2226 и IPC‐6012. Всестороннее исследование надежности микрофлоры можно найти в «Надежность микрофлоры в высокоплотных межсоединениях» по DPK. Для свойств материала обратитесь к Rogers Corporation для ламинатов с низкими потерями. Практические рекомендации по дизайну доступны из Mentor Graphics (Siemens). Отраслевые тенденции обсуждаются в «Microvia Advances for 5G и AI» на EE Journal.