Circuits imprimés sur substrat IC : Fonctions principales et applications clés en électronique de pointe

Les PCB de substrat IC constituent un pont critique entre les circuits intégrés (CI) et les cartes de circuits imprimés traditionnelles,permettant la miniaturisation et les performances requises par l'électronique actuelleContrairement aux PCB standard, ces substrats spécialisés sont conçus pour gérer les connexions ultra-fines des puces modernes.supportant des débits de données allant jusqu'à 112 Gbps et des densités de puissance qui dépasseraient les circuits imprimés classiquesDes smartphones aux serveurs de centres de données, les PCB de substrat IC sont les héros méconnus permettant la prochaine génération de technologie.

Ce guide explore les fonctions uniques des PCB de substrat IC, leur complexité de fabrication, leur différence par rapport aux PCB traditionnels et leur rôle indispensable dans les industries clés.Que vous conceviez un modem 5G ou un GPU haute performance, la compréhension de ces substrats est essentielle pour débloquer des performances de pointe.

Les principaux enseignements
1Les PCB de substrat IC servent de "interposants" entre les circuits intégrés et les PCB, transférant le pas ultrafin (≤ 50 μm) des puces vers le pas plus grossier (≥ 100 μm) des PCB standard.
2Ils prennent en charge une densité d'E/S 3×5 fois plus élevée que les circuits imprimés traditionnels, avec jusqu'à 10 000 connexions par puce, ce qui est essentiel pour les processeurs modernes et les émetteurs-récepteurs 5G.
3Des matériaux de pointe tels que la résine BT (bismaleimide triazine) et l'ABF (Ajinomoto Build-up Film) permettent des performances à haute fréquence (jusqu'à 112 Gbps) avec une faible perte de signal.
4Les principales applications incluent les smartphones (puces AP/BB), les serveurs de centres de données (CPU/GPU) et l'électronique automobile (puces ADAS), le marché mondial devrait atteindre 35 milliards de dollars d'ici 2026.

Quels sont les PCB de substrat IC?
Les circuits imprimés de substrat IC sont des structures d'interconnexion haute densité (HDI) conçues pour connecter physiquement et électriquement des circuits intégrés (tels que des processeurs, des GPU et des puces RF) à des circuits imprimés plus grands.Ils agissent comme une couche de traduction,?? la conversion des broches minuscules et étroitement espacées d'un CI (souvent < 50 μm de hauteur) en plaquettes plus grandes et plus largement espacées sur un PCB standard (généralement plus de 100 μm de hauteur).

Composants de base
a.Matériau de base: résine BT (bismaleimide triazine) ou ABF (Ajinomoto Build-up Film) pour une haute stabilité thermique et une faible perte diélectrique.
b.Couches de cuivre: traces minces de cuivre (12 à 18 μm) avec un rapport ligne/espace (L/S) aussi étroit que 10 à 10 μm, permettant un routage dense.
c. Vias: microvias (50-100 μm de diamètre) avec des rapports d'aspect allant jusqu'à 1:1, reliant les couches sans prendre trop d'espace..
d. Finition de surface: or d'immersion au nickel sans électro (ENIG) ou or au nickel palladium (ENEPIG) pour des joints de soudure fiables avec bosses IC.

Comment fonctionnent les PCB de substrat IC
La fonction principale d'un PCB de substrat IC est de résoudre le "décalage de hauteur" entre les circuits intégrés et les PCB:
1.Attachement de la puce: le circuit intégré (par exemple, le processeur d'application d'un smartphone) est lié au substrat par une puce flip via des bosses de soudure, chaque bosse se connectant à un tampon sur le substrat.
2Routage des signaux: Le substrat trace de façon fine les signaux de route des bosses des circuits intégrés vers des plaquettes plus grandes sur le côté inférieur du substrat.
3Connexion.PCB: Le substrat est ensuite monté sur un PCB standard via des boules de soudure (BGA), traduisant les connexions à haute densité des circuits intégrés en routage à faible densité des PCB.
Ce procédé assure que les signaux circulent avec une perte minimale, même à des vitesses supérieures à 100 Gbps, tout en gérant la chaleur générée par les puces haute puissance.

PCB de substrat IC par rapport aux PCB traditionnels: principales différences
Les PCB de substrat IC sont beaucoup plus complexes que les PCB standard, avec des spécifications adaptées à l'intégration des IC:

Fonctions essentielles des PCB de substrat IC
Les PCB de substrat IC remplissent quatre rôles essentiels qui permettent l'électronique avancée:
1. Routage du signal à haute densité
Les circuits intégrés modernes (par exemple, les processeurs de 7 nm) ont des milliers de broches d'E/S emballées dans de minuscules empreintes (par exemple, 15 mm × 15 mm).éviter les interférences et les pertes de signalPar exemple, le substrat IC d'un modem 5G gère plus de 2 000 signaux RF et numériques, chacun nécessitant un contrôle d'impédance précis (50Ω) pour maintenir les performances à 28 GHz.

2. Gestion thermique
Les puces de haute puissance (par exemple, GPU) génèrent plus de 100 W de chaleur, qui doit être dissipée pour éviter l'étouffement.
a.Matériaux thermiquement conducteurs: la résine BT avec charges céramiques améliore le transfert de chaleur vers les dissipateurs.
b. Diffuseurs de chaleur en cuivre: des couches de cuivre épaisses (70 μm) dans le substrat répartissent la chaleur uniformément.
Données: un substrat IC avec un dissipateur de chaleur en cuivre réduit la température de jonction de la puce de 15 °C par rapport à un substrat standard, améliorant ainsi la fiabilité de 30%.

3Distribution de l' électricité
Les circuits intégrés nécessitent une puissance stable (par exemple, 0,8V pour les processeurs) avec un bruit minimal.
a.Planiers de puissance: couches de cuivre minces et continues qui alimentent toutes les broches du CI.
b.Integration des condensateurs de découplage: les condensateurs embarqués (taille 01005) réduisent l'ondulation de tension.
Résultat: la variation de tension dans l'IC est maintenue en dessous de 2%, ce qui assure une performance stable même lors d'opérations à forte charge (par exemple, jeux sur un smartphone).

4- Appui mécanique
Les IC sont fragiles, avec des bosses de soudure susceptibles de se fissurer sous contrainte thermique ou mécanique.
a. Coefficient d'expansion thermique (CTE) correspondant: la résine BT (12 ‰ 16 ppm/°C) correspond étroitement au silicium (2,6 ppm/°C), ce qui réduit le stress pendant les cycles de température.
b. Fournir de la rigidité: empêcher la flexion qui pourrait endommager les bosses de l'IC, ce qui est essentiel pour les appareils résistants aux chutes tels que les smartphones.

Processus de fabrication des PCB de substrat IC
La production de substrats IC nécessite une fabrication de précision au-delà des procédés de PCB standard:
1Préparation du matériau de base: les feuilles de résine BT ou ABF sont découpées sur mesure, avec une feuille de cuivre laminée d'un ou des deux côtés.
2.Couches de construction: en utilisant la photolithographie, les couches sont ajoutées séquentiellement:
a.Symptômes: la lumière UV expose la photorésistance à travers un masque, définissant des traces.
b.Graffage: le cuivre non protégé est enlevé, laissant des traces fines.
c. Perçage par microvie: le forage au laser crée des voies de 50 à 100 μm entre les couches.
3.Plaquage: Les voies sont plaquées de cuivre pour relier les couches, assurant ainsi la conductivité.
4Finition de surface: l'ENIG ou l'ENEPIG est appliqué sur les tampons pour assurer une liaison fiable de la soudure avec des bosses IC.
5.Inspection: l'AOI (inspection optique automatisée) et les rayons X vérifient l'exactitude des traces et leur qualité, avec une tolérance aux défauts < 1 pour 10 000 traces.

Principales applications des PCB de substrat IC
Les PCB de substrat IC sont essentiels dans les industries qui exigent des appareils électroniques miniaturisés de haute performance:
1. Appareils mobiles
Les smartphones et les tablettes:
Processeurs d'applications (AP): les substrats IC connectent les puces 7nm/5nm (par exemple, Qualcomm Snapdragon, Apple A-series) au PCB principal, gérant plus de 1 000 signaux pour les cœurs CPU, GPU et IA.
Modems 5G: Les substrats avec un matériau ABF à faible perte prennent en charge les signaux mmWave 28GHz/39GHz, ce qui permet des débits de données multi-gigabit.
Exemple: le dernier smartphone phare utilise un substrat IC à 6 couches avec 20/20 μm L/S pour connecter son point d'accès 5 nm, réduisant l'épaisseur globale de l'appareil de 0,5 mm par rapport aux conceptions précédentes.

2Centres de données et informatique
Serveurs et postes de travail:
CPU/GPU: Les puces de haute puissance (par exemple, Intel Xeon, NVIDIA H100) utilisent des substrats IC avec des dissipateurs de chaleur intégrés pour gérer une puissance de 400W+ et des signaux inter-puce de 100Gbps+.
Modules de mémoire: Les substrats pour DDR5 et HBM (mémoire haute bande passante) permettent des débits de données de 8400 Mbps avec des marges de temps serrées.
Tendance: des substrats de circuits intégrés 3D (couches empilées) sont en train d'émerger pour connecter des modules multi-puces (MCM), ce qui réduit de 40% le retard du signal entre les puces.

3. électronique automobile
Systèmes avancés d'assistance au conducteur (ADAS):
Puces radar/LiDAR: les substrats IC avec résine BT à haute température (-40°C à 125°C) connectent les processeurs ADAS (par exemple, NVIDIA Orin) aux capteurs, assurant un fonctionnement fiable dans des environnements difficiles.
Systèmes d'info-divertissement: Les substrats prennent en charge les interfaces d'affichage 4K et la connectivité 5G, avec des conceptions résistantes aux vibrations (20G +).
Conformité: les substrats IC de qualité automobile répondent aux normes IATF 16949 et aux exigences de zéro défaut pour les systèmes critiques en matière de sécurité.

4Électronique de consommation
a.Portables: les montres intelligentes et les lunettes AR utilisent des substrats IC ultra-minces (0,2 mm) pour connecter de minuscules puces (par exemple, des moniteurs de fréquence cardiaque) à des PCB compacts, avec des options flexibles pour les conceptions incurvées.
b.Consoles de jeu: les GPU haute performance des consoles (par exemple, PlayStation 5, Xbox Series X) reposent sur des substrats IC de 15/15 μm L/S pour gérer le traitement graphique 4K/120fps.

Tendances émergentes dans les PCB de substrat IC
Alors que l'électronique pousse vers des performances plus élevées et la miniaturisation, les substrats IC évoluent:
a.3Integration 3D: les substrats de circuits intégrés empilés (3 circuits intégrés 3D) réduisent de 50% les chemins de signal entre les puces, ce qui permet un transfert de données plus rapide dans les accélérateurs d'IA.
b.Composants intégrés: les condensateurs et résistances intégrés dans les substrats permettent d'économiser de l'espace et de réduire l'inductivité parasitaire, essentielle pour les signaux supérieurs à 112 Gbps.
c.Durabilité: la résine BT recyclable et le revêtement sans plomb (ENEPIG) sont conformes aux directives RoHS et EcoDesign de l'UE, réduisant ainsi l'impact environnemental.

Questions fréquemment posées
Q: Pourquoi les PCB traditionnels ne peuvent-ils pas remplacer les PCB de substrat IC?
R: Les circuits imprimés traditionnels ne disposent pas du routage à haute résolution (≤ 50 μm L/S) et des performances du matériau (faible Dk/Df) nécessaires à la connexion des circuits intégrés modernes.et les problèmes thermiques.

Q: Quel est le nombre maximal d'E/S pour un substrat IC?
R: Les substrats de pointe prennent en charge jusqu'à 10 000 entrées/sorties pour les puces hautes performances telles que les GPU, avec un écart de 50 μm entre les connexions.

Q: Comment les substrats de circuits intégrés gèrent-ils les hautes fréquences (par exemple, 100 Gbps)?
R: Les matériaux à faible perte (ABF, Dk = 3,0) et les traces d'impédance contrôlées (50Ω) minimisent l'atténuation du signal, tandis que les plans au sol réduisent l'EMI.

Q: Les substrats IC sont-ils coûteux?
R: Oui, ils coûtent 5 à 10 fois plus cher que les PCB traditionnels en raison de leur fabrication fine et de leurs matériaux de haute qualité.leur rôle dans la mise en place de dispositifs hautes performances les rend rentables pour l'électronique haut de gamme.

Q: Quel est l'avenir de la technologie des substrats IC?
R: Les substrats empilés en 3D et l'intégration de la photonique (pour les signaux optiques) alimenteront les substrats de nouvelle génération, prenant en charge des débits de données de 200 Gbps et des puces d'IA avec des transistors 100B+.

Conclusion
Les PCB de substrat IC sont le lien essentiel entre le monde de plus en plus réduit des IC et l'écosystème des PCB plus vaste, permettant les performances et la miniaturisation qui définissent l'électronique moderne.Des smartphones 5G aux GPU du centre de données, ces substrats spécialisés gèrent les signaux, la puissance et les besoins thermiques les plus exigeants, souvent sans recevoir la reconnaissance qu'ils méritent.
Comme les puces continuent d'avancer avec des nœuds plus petits, des nombres d'E/S plus élevés et des vitesses plus rapides, les PCB de substrat IC évolueront à pas de géant, adoptant l'intégration 3D, les composants intégrés,et de nouveaux matériaux pour répondre aux nouveaux besoinsPour les ingénieurs et les fabricants, la compréhension de ces substrats n'est plus facultative: elle est essentielle pour rester compétitifs sur un marché où les performances et la taille sont essentielles.
En fin de compte, les PCB de substrat IC peuvent être cachés à la vue, mais leur impact est visible dans tous les appareils à haute vitesse et haute performance dont nous dépendons quotidiennement.