PCB های بستر IC: توابع اصلی و کاربردهای کلیدی در الکترونیک پیشرفته

PCB های بستر IC یک پل مهم بین مدارهای یکپارچه (ICS) و تابلوهای مدار چاپی سنتی را نشان می دهد و باعث می شود مینیاتوریزاسیون و با کارایی بالا در الکترونیک امروز. بر خلاف PCB های استاندارد ، این بسترهای تخصصی برای رسیدگی به اتصالات فوق العاده خوب تراشه های مدرن ، پشتیبانی از نرخ داده ها تا 112 گیگابیت بر ثانیه و تراکم برق که تابلوهای مدار معمولی را تحت تأثیر قرار می دهد ، طراحی شده اند. از تلفن های هوشمند گرفته تا سرورهای مرکز داده ، PCB های بستر IC قهرمانان ناخوشایند هستند که نسل بعدی فناوری را قادر می سازند.

این راهنما به بررسی عملکردهای منحصر به فرد PCB های بستر IC ، پیچیدگی های تولید آنها ، نحوه تفاوت آنها با PCB های سنتی و نقش های ضروری آنها در صنایع کلیدی می پردازد. این که آیا شما در حال طراحی یک مودم 5G یا یک GPU با کارایی بالا هستید ، درک این بسترها برای باز کردن عملکرد برش ضروری است.

غذای اصلی
PCB های بستر بستر به عنوان "interposer" بین ICS و PCB ، ترجمه زمین فوق العاده Fine (≤50μm) تراشه ها به زمین درشت (≥100μm) PCB های استاندارد.
2. آنها از چگالی I/O 3-5 برابر بالاتر از PCB های سنتی پشتیبانی می کنند ، با حداکثر 10،000 اتصال در هر تراشه ، برای پردازنده های مدرن و فرستنده های 5G بسیار مهم هستند.
3. مواد پیشرفته مانند رزین BT (Bismaleimide triazine) و ABF (فیلم ساخت Ajinomoto) عملکرد فرکانس بالا (حداکثر 112 گیگابیت بر ثانیه) را با از دست دادن سیگنال کم امکان پذیر می کنند.
4. برنامه های کاربردی شامل تلفن های هوشمند (تراشه های AP/BB) ، سرورهای مرکز داده (CPU/GPU) و الکترونیک خودرو (ADAS Chips) هستند که پیش بینی می شود بازار جهانی تا سال 2026 به 35B دلار برسد.

PCB بستر IC چیست؟
PCB های بستر IC ساختارهایی هستند که به صورت فیزیکی و الکتریکی مدارهای یکپارچه (مانند CPU ، GPU و تراشه های RF) را به PCB های بزرگتر متصل می کنند. آنها به عنوان "لایه ترجمه" عمل می کنند ، و پین های کوچک و نزدیک از یک IC (اغلب <50μm pitch) را به لنت های بزرگتر و گسترده تر در یک PCB استاندارد (به طور معمول 100μm+ زمین) تبدیل می کنند.

اجزای اصلی
A.Base Material: رزین BT (Bismaleimide triazine) یا ABF (فیلم ساخت Ajinomoto) برای پایداری حرارتی بالا و از بین رفتن دی الکتریک کم.
لایه های B.copper: آثار نازک (12-18μm) با خط/فضا (L/S) به اندازه 10/10μm محکم ، مسیریابی متراکم را امکان پذیر می کند.
C.Vias: میکروویا (قطر 50-100μm) با نسبت ابعاد تا 1: 1 ، اتصال لایه ها بدون داشتن فضای زیاد ..
D. Surface Finish: Gold Nickel Inmersion Gold (Enig) یا نیکل پالادیوم طلا (ENEPIG) برای اتصالات لحیم کاری قابل اعتماد با برآمدگی های IC.

PCB های بستر IC چگونه کار می کنند
عملکرد اصلی PCB بستر IC حل "عدم تطابق زمین" بین ICS و PCB است:
1.Chip Attachment: IC (به عنوان مثال ، پردازنده برنامه کاربردی تلفن هوشمند) از طریق برجستگی های لحیم کاری به بستر متصل می شود و هر ضربه ای که به یک پد روی بستر وصل می شود.
2.Signal Routing: آثار ریز و درشت بستر سیگنال های مسیر را از برجستگی های IC به لنت های بزرگتر در قسمت پایین بستر ردیابی می کند.
اتصال 3.PCB: بستر سپس از طریق توپ های لحیم کاری (BGA) به یک PCB استاندارد نصب می شود و اتصالات با چگالی بالا IC را به مسیریابی چگالی پایین PCB ترجمه می کند.
این فرایند ، سفر سیگنال ها را با حداقل از دست دادن ، حتی با سرعت بیش از 100 گیگابیت بر ثانیه ، در حالی که گرمای تولید شده توسط تراشه های با قدرت بالا را مدیریت می کند ، تضمین می کند.

PCBS بستر IC در مقابل PCB های سنتی: تفاوت های کلیدی
PCB های بستر IC بسیار پیچیده تر از PCB های استاندارد هستند ، با مشخصات متناسب با ادغام IC:

توابع اصلی PCB های بستر IC
PCB بستر IC چهار نقش مهم را انجام می دهد که الکترونیک پیشرفته را فعال می کند:
1. مسیریابی سیگنال با چگالی بالا
IC های مدرن (به عنوان مثال ، پردازنده های 7 نانومتر) هزاران پین I/O بسته بندی شده در ردپاهای ریز (به عنوان مثال ، 15 میلی متر 15 میلی متر). بسترهای IC این سیگنال ها را با استفاده از آثار فوق العاده Fine (10/10μm L/s) مسیریابی می کنند و از اتمام متقاطع و از بین رفتن سیگنال جلوگیری می کنند. به عنوان مثال ، بستر IC مودم 5G از 2،000+ RF و سیگنال های دیجیتال برخوردار است که هرکدام برای حفظ عملکرد 28 گیگاهرتز به کنترل امپدانس دقیق (50Ω) نیاز دارند.

2. مدیریت حرارتی
تراشه های پرقدرت (به عنوان مثال ، GPU) 100W+ گرما را تولید می کنند که برای جلوگیری از پرتاب شدن باید از بین بروند. از بسترهای IC استفاده می کنند:
A. مواد رسانا به صورت رسانا: رزین BT با پرکننده های سرامیکی انتقال حرارت را به سینک های گرما بهبود می بخشد.
پخش کننده های گرمای B.Copper: لایه های مس ضخیم (70μm) در بستر به طور مساوی گرما را توزیع می کنند.
داده ها: یک بستر IC با پخش کننده گرمای مس ، دمای اتصال تراشه را در مقایسه با یک بستر استاندارد 15 درجه سانتیگراد کاهش می دهد و قابلیت اطمینان را 30 ٪ بهبود می بخشد.

3. توزیع برق
ICS به قدرت پایدار (به عنوان مثال ، 0.8 ولت برای CPU) با حداقل نویز نیاز دارد. بسترهای IC از طریق این هدف به دست می آورند:
هواپیماهای A.Power: لایه های مس نازک و مداوم که قدرت تمام پین های IC را تأمین می کنند.
B.Decoupling یکپارچه سازی خازن: خازن های تعبیه شده (اندازه 01005) باعث کاهش موج ولتاژ می شوند.
نتیجه: تغییر ولتاژ در IC زیر 2 ٪ نگه داشته می شود و از عملکرد پایدار حتی در طول عملیات با بار بالا (به عنوان مثال ، بازی در تلفن هوشمند) اطمینان می یابد.

4. پشتیبانی مکانیکی
IC ها شکننده هستند و دارای برآمدگی های لحیم کاری مستعد ترک خوردگی تحت استرس حرارتی یا مکانیکی هستند. بسترهای IC:
A.Match CTE (ضریب انبساط حرارتی): رزین BT (12-16 ppm/° C) از نزدیک با سیلیکون (2.6 ppm/° C) مطابقت دارد و استرس را در طول چرخه دما کاهش می دهد.
B. Provide Strence: از خم شدن که می تواند به برآمدگی های IC آسیب برساند ، برای دستگاه های مقاوم در برابر قطره مانند تلفن های هوشمند بسیار مهم است.

فرآیند ساخت PCB های بستر IC
تولید بسترهای IC نیاز به تولید دقیق فراتر از فرآیندهای استاندارد PCB دارد:
1. آماده سازی مواد پایه: رزین BT یا ورق های ABF به اندازه برش داده می شود و فویل مس به یک یا هر دو طرف لمینت می شود.
2. لایه های تولید: با استفاده از فوتولیتوگرافی ، لایه ها به صورت متوالی اضافه می شوند:
A.Patterning: Light UV از طریق ماسک ، نورپردازی را در معرض نمایش قرار می دهد و الگوهای ردیابی را تعریف می کند.
B.Etching: مس محافظت نشده برداشته می شود و اثری خوب را به جا می گذارد.
حفاری C.Microvia: حفاری لیزر 50-100μm VIA را بین لایه ها ایجاد می کند.
3.Plating: VIA ها برای اتصال لایه ها با مس اندود شده اند و از هدایت آن اطمینان حاصل می کنند.
4.Surface Finish: Enig یا Enepig برای اطمینان از پیوند لحیم قابل اعتماد با برجستگی های IC اعمال می شود.
5.Inspection: AOI (بازرسی نوری خودکار) و اشعه ایکس صحت ردیابی و از طریق کیفیت را با تحمل نقص <1 در هر 10،000 ردیابی تأیید کنید.

برنامه های اصلی PCB های بستر IC
PCB های بستر IC در صنایعی که خواستار کار با کارایی بالا و مینیاتور شده هستند ضروری هستند:
1 دستگاه های تلفن همراه
تلفن های هوشمند و تبلت ها:
پردازنده های کاربردی (APS): بسترهای IC تراشه های 7 نانومتر/5 نانومتر (به عنوان مثال ، Qualcomm Snapdragon ، Apple A-Series) را به PCB اصلی متصل می کنند و با استفاده از 1000+ سیگنال برای هسته CPU ، GPU و AI.
مودم های 5G: بسترهای دارای ماده ABF با ضرر کم از سیگنال های MMWAVE 28GHz/39GHz MMWAVE ، امکان پذیر کردن نرخ داده های چند گیگابیت.
مثال: آخرین گوشی هوشمند پرچمدار از یک بستر IC 6 لایه با 20/20μm L/s برای اتصال 5 نانومتر AP خود استفاده می کند و ضخامت کلی دستگاه را در مقایسه با طرح های قبلی کاهش می دهد.

2. مراکز داده و محاسبات
سرورها و ایستگاههای کاری:
CPU/GPU ها: تراشه های با قدرت بالا (به عنوان مثال ، Intel Xeon ، Nvidia H100) از بسترهای IC با پخش کننده های گرمای تعبیه شده برای کنترل 400W+ قدرت و 100 گیگابیت بر ثانیه+ سیگنال های بین تراشه استفاده می کنند.
ماژول های حافظه: بسترهای DDR5 و HBM (حافظه باند بالا) نرخ داده 8400Mbps را با حاشیه زمان بندی محکم فعال می کنند.
روند: بسترهای سه بعدی IC (لایه های انباشته) برای اتصال ماژول های چند چینه ای (MCM) در حال ظهور هستند و تاخیر سیگنال بین تراشه ها را 40 ٪ کاهش می دهد.

3. الکترونیک خودرو
سیستم های کمک به راننده پیشرفته (ADA):
تراشه های رادار/لیدر: بسترهای IC با رزین BT با دمای بالا (-40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد) پردازنده های ADAS (به عنوان مثال ، nvidia orin) را به سنسورها متصل می کنند و از عملکرد قابل اعتماد در محیط های سخت اطمینان می دهند.
سیستم های infotainment: بسترها از رابط های صفحه نمایش 4K و اتصال 5G پشتیبانی می کنند ، با طرح های مقاوم در برابر لرزش (20G+).
انطباق: بسترهای IC درجه یک اتومبیل استاندارد IATF 16949 را رعایت می کنند ، با الزامات دفع صفر برای سیستم های ایمنی مهم.

4. الکترونیک مصرفی
A. لباس: ساعتهای هوشمند و عینک AR از بسترهای IC فوق العاده نازک (0.2 میلی متر) برای اتصال تراشه های ریز (به عنوان مثال ، مانیتورهای ضربان قلب) به PCB های جمع و جور استفاده می کنند ، با گزینه های انعطاف پذیر برای طرح های خمیده.
کنسول های B.Gaming: GPU های با کارایی بالا در کنسول ها (به عنوان مثال ، پلی استیشن 5 ، Xbox Series X) به بسترهای IC با 15/15μm L/S برای رسیدگی به پردازش گرافیکی 4K/120FPS اعتماد کنید.

روند نوظهور در PCB های بستر IC
در حالی که الکترونیک به سمت عملکرد بالاتر و کوچک سازی فشار می آورد ، بسترهای IC در حال تحول هستند:
ادغام A.3D: بسترهای IC انباشته شده (IC های سه بعدی) مسیرهای سیگنال بین تراشه ها را 50 ٪ کاهش می دهند و انتقال سریع داده ها در شتاب دهنده های AI امکان پذیر است.
اجزای B.embeded: خازن ها و مقاومت های تعبیه شده در بسترها در فضا صرفه جویی می کنند و القاء انگلی را کاهش می دهند ، برای سیگنال های 112 گیگابیت در ثانیه بسیار مهم است.
C. پایدار بودن: رزین BT قابل بازیافت و آبکاری بدون سرب (ENEPIG) با دستورالعمل های ROHS و EU ECODESIGN تراز شده و باعث کاهش اثرات زیست محیطی می شود.

متداول
س: چرا PCB های سنتی نمی توانند جایگزین PCB های بستر IC شوند؟
پاسخ: PCB های سنتی فاقد مسیریابی ریز و درشت (≤50μm L/s) و عملکرد مواد (DK/DF کم) برای اتصال IC های مدرن هستند. استفاده از PCB استاندارد باعث از بین رفتن سیگنال ، متقاطع و مشکلات حرارتی می شود.

س: حداکثر تعداد I/O برای یک بستر IC چیست؟
پاسخ: بسترهای لبه پیشرو حداکثر 10،000 I/OS را برای تراشه های با کارایی بالا مانند GPU پشتیبانی می کنند ، با 50μm بین اتصالات.

س: چگونه بسترهای IC فرکانسهای بالایی را کنترل می کنند (به عنوان مثال ، 100 گیگابیت بر ثانیه)؟
پاسخ: مواد کم از دست دادن (ABF ، DK = 3.0) و آثار امپدانس کنترل شده (50Ω) میرایی سیگنال را به حداقل می رساند ، در حالی که هواپیماهای زمینی EMI را کاهش می دهند.

س: آیا بسترهای IC گران هستند؟
پاسخ: بله-به دلیل تولید پودر ریز و مواد با درجه بالا ، 5-10 برابر بیشتر از PCB های سنتی هزینه دارند. با این حال ، نقش آنها در فعال کردن دستگاه های با کارایی بالا باعث می شود که آنها برای الکترونیک حق بیمه مقرون به صرفه باشند.

س: آینده فناوری بستر IC چیست؟
پاسخ: بسترهای انباشته شده سه بعدی و ادغام فوتونیک (برای سیگنال های نوری) بسترهای نسل بعدی را هدایت می کنند و از نرخ داده های 200Gbps+ و تراشه های AI با ترانزیستور 100B+ پشتیبانی می کنند.

پایان
PCB های بستر IC پیوند اساسی بین دنیای همیشه در حال ریزش ICS و اکوسیستم بزرگتر PCB هستند و عملکرد و مینیاتوری سازی را که الکترونیک مدرن را تعریف می کند ، امکان پذیر می کند. از تلفن های هوشمند 5G گرفته تا GPU های مرکز داده ، این بسترهای تخصصی بیشترین نیاز به سیگنال ، قدرت و نیازهای حرارتی را دارند ، غالباً بدون دریافت شناختی که شایسته آن هستند.
با پیشرفت تراشه ها - با گره های کوچکتر ، تعداد I/O بالاتر ، و سرعت سریعتر - PCB های بستر IC در LockStep تکامل می یابند ، ادغام سه بعدی ، اجزای تعبیه شده و مواد جدید را برای رفع نیازهای نوظهور به دست می آورند. برای مهندسان و تولید کنندگان ، درک این بسترها دیگر اختیاری نیست - برای ماندن در بازار در بازار که عملکرد و اندازه همه چیز است ، ضروری است.
در پایان ، PCB های بستر IC ممکن است از دید پنهان شوند ، اما تأثیر آنها در هر دستگاه پر سرعت و با کارایی بالا قابل مشاهده است که روزانه به آنها اعتماد می کنیم.