Como os substratos BGA/IC personalizados aumentam a integridade do sinal

Substratos BGA/IC personalizados desempenham um papel crucial nas embalagens modernas de semicondutores, servindo como ponte entre o chip de silício e a placa de circuito impresso (PCB). Substratos IC fornecem conexões elétricas, Suporte mecânico, e caminhos de dissipação térmica, garantindo a funcionalidade e confiabilidade de dispositivos eletrônicos avançados. Entre várias tecnologias de embalagem, Matriz de Grade de Bola (BGA) a embalagem se tornou o padrão da indústria para computação de alto desempenho, comunicação, e eletrônica automotiva devido à sua alta entrada/saída (E/S) densidade, excelente gerenciamento térmico, e desempenho elétrico superior. No entanto, à medida que os dispositivos semicondutores continuam a evoluir, substratos padrão muitas vezes não atendem às crescentes demandas de miniaturização, transmissão de sinal de alta velocidade, e eficiência energética. Substratos BGA/IC personalizados são essenciais para otimizar o desempenho do chip, abordando restrições específicas de design, e melhorando a integração geral do sistema. Adaptando a seleção de materiais, estrutura de camadas, e complexidade de roteamento, substratos personalizados permitem que aplicações de semicondutores de próxima geração alcancem funcionalidade e eficiência superiores.

Classificação e aplicações de substratos BGA/IC

Substratos BGA/IC são componentes essenciais em embalagens de semicondutores, permitindo computação de alto desempenho, gerenciamento eficiente de energia, e processamento de sinal avançado. Eles podem ser classificados com base tipo de substrato, composição material, e área de aplicação, cada um dos quais desempenha um papel crítico na determinação do desempenho e adequação do substrato para diferentes dispositivos eletrônicos.

Classificação por tipo de substrato

Substratos BGA (Substratos de matriz de grade de bola)

Substratos BGA são uma solução de interconexão amplamente utilizada em embalagens de semicondutores, oferecendo alta entrada/saída (E/S) densidade, desempenho térmico robusto, e características elétricas melhoradas. Esses substratos são essenciais para dispositivos semicondutores avançados que requerem miniaturização e transmissão de dados em alta velocidade.

• Usado em: Computação de alto desempenho, eletrônica de consumo, dispositivos de comunicação.
• Principais recursos:
  • Conexões de E/S de alta densidade, melhorando a integridade do sinal.
  • Excelente dissipação térmica devido à distribuição otimizada do calor e ao contato direto do chip com o substrato.
  • Suporta uma variedade de configurações de matrizes, tornando-o ideal para SoCs complexos e processadores de alta velocidade.
• Tipos comuns:
  • FC-BGA (Flip-chip BGA): Utilizado em CPUs, GPU, Processadores de IA, e aplicativos de data center. A ligação flip-chip permite interconexões mais curtas, reduzindo a resistência e melhorando o desempenho.
  • WB-BGA (Ligação de fio BGA): Normalmente usado em aplicações sensíveis ao custo, como eletrônicos de consumo e dispositivos de computação de médio porte. A ligação de fios oferece confiabilidade a um custo de fabricação mais baixo.
  • CSP-BGA (Pacote de escala de chip BGA): Uma versão miniaturizada do BGA, comumente encontrado em dispositivos móveis e wearables onde o espaço é uma restrição.

Substratos IC (Substratos de Circuitos Integrados)

Os substratos IC atuam como uma ponte entre a matriz semicondutora e a placa de circuito impresso (PCB), permitindo interconexões de alta densidade e fornecendo suporte elétrico e mecânico crítico. Esses substratos são cruciais em aplicações avançadas de semicondutores onde a miniaturização e a otimização do desempenho são necessárias.

• Usado em: CPUs, GPU, Aceleradores de IA, chips de memória, componentes de rede avançados.
• Principais recursos:
  • Facilita a transmissão de sinal em alta velocidade, reduzindo a interferência eletromagnética (EMI).
  • Suporta interconexões multicamadas para projetos complexos de semicondutores.
  • Essencial para técnicas avançadas de empacotamento de semicondutores, como system-in-package (SiP) e integração heterogênea.
• Tipos comuns:
  • FC-CSP (Pacote de escala de chip Flip Chip): Um design de pacote compacto que permite computação de alto desempenho com eficiência térmica aprimorada e transmissão de sinal em alta velocidade.
  • FCCSP (FLIP CHIP CSP): Usado em aplicações móveis e de rede onde a eficiência de espaço e energia são cruciais.
  • SiP (Sistema em pacote): Integra múltiplas matrizes de semicondutores, componentes passivos, e interconecta dentro de um único pacote, reduzindo o fator de forma e melhorando a eficiência geral do sistema.

Classificação por tipo de material

A escolha do material do substrato afeta significativamente o desempenho, confiabilidade, e custo de dispositivos semicondutores. Diferentes materiais são usados ​​com base em eletricidade, térmico, e requisitos mecânicos.

Substrato de resina BT (Bismaleimida Triazina)

• Propriedades:
  • Econômico com boa resistência mecânica e estabilidade dimensional.
  • Adequado para aplicações que exigem desempenho elétrico e térmico moderado.
• Aplicações:
  • Usado principalmente em chips de memória, microcontroladores, e eletrônicos de consumo de baixo consumo.
  • Comum em pacotes BGA e CSP ligados por fio.

Substrato ABF (Filme de construção da Ajinomoto)

• Propriedades:
  • Projetado para embalagens IC de alta qualidade, suportando roteamento de linha ultrafina.
  • Fornece excelente isolamento elétrico e baixa perda dielétrica, crucial para transmissão de dados em alta velocidade.
• Aplicações:
  • Usado em CPUs, GPU, Chips de IA, dispositivos de rede, e computação de alto desempenho.
  • Preferido para embalagens FC-BGA e FC-CSP, onde a integridade do sinal de alta frequência é essencial.

Substrato Cerâmico

• Propriedades:
  • Condutividade térmica superior e alto isolamento elétrico.
  • Alta resistência mecânica e resistência ao estresse ambiental.
• Aplicações:
  • Encontrado em aplicações de semicondutores de alta potência, como amplificadores de potência de RF, Módulos LED, e eletrônica automotiva.
  • Usado onde temperaturas extremas e manuseio de energia são necessários.

Substrato de vidro

• Propriedades:
  • Material emergente para substratos de IC de próxima geração, oferecendo expansão térmica ultrabaixa (Cte).
  • Alta estabilidade dimensional e baixa perda de sinal, tornando-o ideal para aplicações de alta frequência.
• Aplicações:
  • Cada vez mais utilizado em embalagem de chips, interconexões ópticas, e aplicações 5G/mmWave.
  • Fornece uma alternativa aos substratos orgânicos para aplicações de processamento de sinais de alta velocidade.

Classificação por Aplicação

Eletrônica de consumo

Eletrônicos de consumo exigem compacto, eficiente em termos de energia, e soluções de embalagem econômicas. À medida que os dispositivos se tornam mais finos e com mais recursos, Os substratos BGA e IC desempenham um papel crucial na obtenção da miniaturização sem comprometer o desempenho.

• Usado em:
  • Smartphones, comprimidos, relógios inteligentes, e outros wearables.
  • Processadores e controladores incorporados em eletrodomésticos.
• Embalagem comum:
  • CSP-BGA: Para compacto, processadores móveis de alto desempenho.
  • FCCSP: Usado em formato pequeno, designs de chips de baixo consumo.

Computação de alto desempenho (HPC)

Os sistemas HPC exigem alta largura de banda, termicamente eficiente, e substratos confiáveis ​​para lidar com as cargas computacionais extremas encontradas em data centers, Processamento de IA, e computação em nuvem.

• Usado em:
  • Aceleradores de IA, GPUs de última geração, e processadores de servidor multi-core.
  • FPGA (Matrizes de portas programáveis ​​em campo) e ASICs personalizados para cargas de trabalho especializadas.
• Embalagem comum:
  • FC-BGA: Fornece excelente gerenciamento térmico e integridade de sinal.
  • SiP: Permite integração de memória, lógica, e componentes de potência em um único pacote.

Eletrônica automotiva

Com a ascensão dos veículos elétricos (EVS) e direção autônoma, a demanda por produtos robustos e substratos IC de alta confiabilidade está aumentando. As aplicações automotivas exigem substratos que possam suportar temperaturas extremas, umidade, e vibração, mantendo o desempenho elétrico.

• Usado em:
  • ADAS (Sistemas avançados de assistência ao motorista), radar, LiDAR, e sistemas de infoentretenimento.
  • CIs de gerenciamento de energia e unidades de controle do motor (COBRIR).
• Embalagem comum:
  • Substratos Cerâmicos: Preferido para eletrônica de potência devido à dissipação de calor superior.
  • WB-BGA: Usado para componentes automotivos sensíveis ao custo.

Rede e Comunicação

A infra-estrutura de comunicação moderna requer substratos que suporte de alta velocidade, transmissão de sinal de baixa perda, garantindo a integridade dos dados e minimizando a latência em operações de alta frequência.

• Usado em:
  • 5G Estações básicas, transceptores ópticos, interruptores de rede, e módulos front-end de RF.
  • Comunicação via satélite e rede de fibra óptica de alta velocidade.
• Embalagem comum:
  • Substratos de vidro: Ideal para aplicações de alta frequência como mmWave e transceptores ópticos.
  • Substratos ABF: Preferido para chips de rede de alta velocidade e processadores de sinal.

Substratos BGA/IC personalizados: Processo de Design e Fabricação

O desenvolvimento de Substratos BGA/IC personalizados requer uma abordagem meticulosa que equilibre interconexões de alta densidade, gerenciamento térmico, integridade de energia, e eficiência de transmissão de sinal. Esta seção descreve o fase de projeto, processo de fabricação, e medidas de controle de qualidade necessário para criar substratos de alto desempenho adaptados para aplicações avançadas de semicondutores.

Fase de design

Análise de requisitos personalizados

O projeto de Substratos BGA/IC personalizados começa com uma análise detalhada dos requisitos específicos da aplicação, incluindo:

• Roteamento de alta densidade (HDI): Para apoiar miniaturização e aumento da contagem de E/S, o substrato deve acomodar roteamento de linha fina, garantindo conectividade ideal entre o chip e o PCB.
• Gerenciamento térmico: À medida que as densidades de potência aumentam, Dissipação de calor eficiente torna-se crítico. Os materiais e o projeto estrutural devem otimizar a condutividade térmica e reduzir os pontos críticos.
• Integridade de energia (Pi): Flutuações de tensão podem degradar o desempenho do chip, exigindo cuidado projeto de avião de força e estratégias de dissociação para manter o fornecimento de energia estável.
• Integridade do Sinal (E): Demanda de chips de alta velocidade impedância controlada, interferência reduzida, e interferência eletromagnética minimizada (EMI) para garantir uma transmissão de dados confiável.

Design de arquitetura de pacotes

Substratos IC avançados integram empilhamento multicamadas e por meio de tecnologias para conseguir compacto, interconexões de alto desempenho:

• Empilhamento multicamadas: Substratos BGA/IC de última geração normalmente consistem em 10+ camadas, acomodando roteamento de circuito complexo e distribuição de energia.
• Enterrado & Vias Cegas: Essas vias reduzem o comprimento da interconexão, melhorando desempenho elétrico e integridade do sinal enquanto economiza espaço.
• Microvia (µVia) Tecnologia: Essencial para Substratos HDI, microvias perfuradas a laser (≤100μm de diâmetro) melhorar o desempenho do sinal de alta frequência e reduzir o tamanho do pacote.

Suporte de Software EDA

O projeto de Substratos BGA/IC personalizados depende fortemente de Automação de Projeto Eletrônico (EDA) ferramentas, que permitem aos engenheiros simular, otimizar, e validar layouts de substrato antes da fabricação:

• Designer Avançado: Usado para PCB em estágio inicial e layout de substrato, apresentando ferramentas de projeto de alta velocidade e análise de integridade de sinal.
• Cadence Allegro: Uma ferramenta poderosa para projetos complexos de substrato BGA/IC, fornecendo roteamento baseado em restrições, controle de impedância, e rede de distribuição de energia (PDN) otimização.
• Expedição Mentora: Ofertas modelagem 3D avançada, análise térmica, e empilhamento multicamadas capacidades, essencial para design de substrato IC de alto desempenho.

Visão geral do processo de fabricação

Fabricação de substrato IC multicamadas

Para apoiar interconexões de alta densidade, substratos IC modernos empregam técnicas de laminação sequencial alcançar 10+ camadas condutoras, permitindo:

• Fator de forma reduzido, acomodando projetos de semicondutores miniaturizados.
• Densidade de roteamento aprimorada, permitindo alta conectividade de E/S.
• Integridade aprimorada de energia/sinal, garantindo desempenho de alta velocidade com perda mínima.

Processamento de folha de cobre & Fabricação de linha fina

Substratos BGA/IC personalizados exigem padrões de circuito ultrafinos, exigindo processamento preciso de folhas de cobre:

• Largura/espaçamento de linha tão baixo quanto 5μm/5μm, Apoio alta frequência, transmissão de sinal de baixa perda.
• Processo semi-aditivo (SEIVA) e SAP modificado (mSAP) para obter linhas ultrafinas com alta uniformidade.

Perfuração a laser vs.. Perfuração Mecânica

Formação de microvia é fundamental para interconexão de alta densidade (HDI) substratos, com diferentes técnicas usadas com base no tipo e na complexidade do design:

• Perfuração a Laser:
  • Habilita fabricação precisa de microvia (até 20μm).
  • Usado para vias cegas e enterradas, otimizando a transmissão do sinal.
• Perfuração Mecânica:
  • Econômico para vias maiores (>100μm) usado na fabricação de PCB padrão.
  • Normalmente usado em aplicações de baixa densidade onde micro-vias são desnecessárias.

Revestimento & Deposição de cobre eletrolítico

Para garantir confiabilidade condutividade elétrica e via integridade, Substratos IC sofrem processos de metalização:

• Deposição de cobre eletrolítico: Forma uma camada uniforme de sementes dentro das microvias, melhorando a conectividade.
• Galvanoplastia: Aumenta a espessura do cobre, melhorando capacidade de transporte de corrente e durabilidade.
• Controle de rugosidade superficial: Crítico para minimizando a perda de inserção e melhorando o desempenho de alta frequência.

Tecnologias de tratamento de superfície

Os acabamentos de superfície protegem os vestígios de cobre da oxidação e melhoram confiabilidade de soldagem:

• Enépico (Ouro de imersão em paládio sem eletrodo de níquel):
  • Ideal para ligação de fios e substratos BGA de passo fino.
  • Ofertas superiores soldabilidade e resistência à corrosão.
• OSP (Conservante Orgânico de Soldabilidade):
  • Solução econômica para solda sem chumbo.
  • Usado em aplicações onde ligação de fio não é necessária.
• Deposição Química de Ouro:
  • Melhora transmissão de sinal de alta frequência reduzindo a rugosidade da superfície.
  • Comumente usado em RF e aplicações digitais de alta velocidade.

Controle e testes de qualidade

Para garantir o confiabilidade e desempenho de Substratos BGA/IC personalizados, procedimentos de teste rigorosos são implementados em todo o processo de fabricação.

COMEU (Equipamento de teste automático) Teste

• Condutas validação elétrica, garantindo a integridade do sinal e a correção funcional.
• Detecta curtos-circuitos, circuitos abertos, e incompatibilidades de impedância.
• Utilizado em fabricação de substrato IC em alto volume para atender aos rigorosos padrões da indústria.

Raio X & Aoi (Inspeção óptica automatizada) Inspeção

Dada a complexidade substratos IC multicamadas, técnicas avançadas de inspeção são necessárias:

• Inspeção de Raios X:
  • Identifica defeitos ocultos como vazios, vias desalinhadas, e problemas de juntas de solda.
  • Essencial para substratos BGA de densidade fina e designs HDI.
• Inspeção AOI:
  • Usa câmeras de alta resolução e algoritmos baseados em IA para detectar defeitos de circuito, componentes faltantes, e desalinhamentos.
  • Garante padrões de linhas finas e precisão micro-via.

Estresse térmico & Testes de envelhecimento em alta temperatura

Para verificar a longo prazo confiabilidade sob condições adversas, substratos sofrem:

Teste de sensibilidade à umidade (Classificação MSL): Determina o substrato resistência à umidade e processos de soldagem por refluxo.

Testes de ciclagem térmica (TCT): Avalia comportamento de expansão/contração do substrato sob temperaturas extremas.

Armazenamento em alta temperatura (HTS) Testes: Avalia degradação do material e estabilidade da junta de solda.

Teste de sensibilidade à umidade (Classificação MSL): Determina o substrato resistência à umidade e processos de soldagem por refluxo.

Seleção de materiais e otimização de desempenho em substratos BGA/IC personalizados

Selecionando os materiais apropriados e otimizando a energia elétrica, térmico, e propriedades mecânicas de Substratos BGA/IC personalizados são essenciais para garantir alto desempenho, confiabilidade, e capacidade de fabricação. Esta seção explora o tipos de materiais de substrato, otimização de camada condutora, considerações de integridade de sinal, e técnicas de gerenciamento térmico usado em embalagens avançadas de semicondutores.

Seleção de material de substrato

A escolha do material do substrato impacta significativamente a desempenho elétrico, Estabilidade térmica, e durabilidade mecânica de substratos BGA/IC. Abaixo estão os quatro materiais principais usados ​​em Substratos BGA/IC personalizados, juntamente com sua adequação, vantagens, e limitações.

Substrato de resina BT (Bismaleimida Triazina)

Adequação: Usado em embalagem IC de médio a baixo custo, incluindo módulos de memória, eletrônica de consumo, e unidades de controle automotivo.

Vantagens:

• Econômico: Menor custo de fabricação em comparação com ABF e substratos cerâmicos.
• Boa resistência mecânica: Fornece integridade estrutural decente.
• Desempenho elétrico moderado: Suporta velocidades de sinal de médio alcance.

Limitações:

• Maior perda dielétrica: Não é ideal para aplicações de alta frequência.
• Menor resistência ao calor: Capacidade limitada de suportar temperaturas extremas em comparação com cerâmica ou vidro.

Substrato ABF (Filme de construção da Ajinomoto)

Adequação: Preferido para embalagem IC de alta qualidade, incluindo CPUs, GPU, Aceleradores de IA, e chips de rede.

Vantagens:

• Excelente desempenho de alta frequência: Constante dielétrica inferior (Dk) e perda dielétrica (Df), essencial para 5G, IA, e HPC (Computação de alto desempenho) aplicações.
• Suporta roteamento ultrafino: Essencial para largura/espaçamento de linha abaixo de 10 μm, habilitando avançado embalagem flip-chip.
• Alta resistência térmica: Mais confiável para Aplicações de alta potência.

Limitações:

• Custo mais alto: Mais caro que os substratos de resina BT.
• Processo de fabricação complexo: Requer capacidades de fabricação de ponta.

Substrato Cerâmico

Adequação: Usado em Aplicações de alta potência, como amplificadores de potência, Componentes de RF, e eletrônica automotiva.

Vantagens:

• Condutividade térmica superior: Essencial para dispositivos semicondutores de alta potência.
• Alto isolamento elétrico: Reduz a perda de sinal e melhora o isolamento.
• Tolerância a altas temperaturas: Pode suportar condições ambientais extremas.

Limitações:

• Caro: Significativamente mais caro do que substratos orgânicos como BT ou ABF.
• Frágil: Propenso a tensões mecânicas e fissuras sob condições extremas.

Substrato de vidro

Adequação: Material emergente para embalagens de última geração, incluindo integração de chips, aplicações de RF de alta velocidade, e interconexões ópticas.

Vantagens:

• Expansão térmica ultrabaixa (Cte): Combina com silício, reduzindo o estresse mecânico.
• Desempenho de alta frequência: Ideal para 5Aplicações G/mmWave devido à perda mínima de sinal.
• Estabilidade dimensional excepcional: Habilita padronização ultrafina (<5largura/espaçamento de linha μm).

Limitações:

• Processamento desafiador: Requer técnicas avançadas de fabricação.
• Disponibilidade cara e limitada: Atualmente, substratos de vidro não são amplamente adotados devido aos altos custos de produção.

Otimização de Camada Condutiva

O camadas condutoras de cobre em Substratos BGA/IC personalizados desempenhar um papel crucial transmissão de sinal, distribuição de energia, e dissipação de calor. A espessura da camada de cobre impacta diretamente desempenho elétrico e confiabilidade.

Controle de espessura de cobre

• 1/3 onças (12μm):
  • Usado em substratos de linhas ultrafinas, particularmente para Aplicações de alta frequência (RF, 5G, Chips de IA).
  • Minimiza o efeito de pele e reduz a perda de inserção.
• 1/2 onças (18μm):
  • Saldos integridade do sinal e capacidade de transporte de corrente.
  • Comum em aplicações digitais de alta velocidade (Por exemplo, processadores de data center).
• 1 onças (35μm):
  • Padrão para camadas de entrega de energia, Apoio cargas de corrente mais altas.
  • Usado em computação de alto desempenho (HPC) e substratos de rede.
• 2 onças (70μm):
  • Usado principalmente em aplicações com uso intensivo de energia como CIs automotivos e de energia.
  • Fornece distribuição de energia de baixa resistência.

Impacto na integridade do sinal & Entrega de energia

• Camadas de cobre mais finas melhorar desempenho de alta velocidade reduzindo a perda de sinal.
• Camadas de cobre mais espessas melhorar capacidade de manipulação de energia mas pode aumentar o EMI (Interferência eletromagnética).
• Empilhamento de camadas otimizado saldos integridade do sinal, integridade de energia, e desempenho térmico.

Integridade do Sinal (E) Otimização

Manutenção integridade do sinal é crucial em Substratos BGA/IC personalizados, particularmente para aplicações digitais de alta frequência e alta velocidade.

Técnicas-chave para minimizar o crosstalk & Perda de sinal

1. Correspondência de impedância:
   • Garantindo impedância controlada (Por exemplo, 50Ω de terminação única, 90Ω diferencial) para sinalização de alta velocidade (PCIe, DDR, SerDes).
   • Usos otimização de empilhamento e seleção de material dielétrico para manter a consistência do sinal.
2. Design de microvia:
   • Reduz efeitos stub e perdas de reflexão.
   • Essencial para aplicações de RF de alta frequência e designs avançados de flip-chip.
3. Camadas de blindagem EMI:
   • Incorporando aviões terrestres entre camadas de sinal para minimizar a interferência.
   • Essencial para 5G/mmOnda, HPC, e chips aceleradores de IA.
4. Roteamento Diferencial de Pares:
   • Crítico para interfaces de alta velocidade (Por exemplo, PCIe, USB4, HDMI 2.1).
   • Reduz acoplamento de ruído e melhora a qualidade do sinal.

Gerenciamento térmico

Com o aumento densidades de potência do chip, eficaz Dissipação térmica é vital para prevenir degradação e falha de desempenho em Substratos BGA/IC personalizados.

Principais técnicas de otimização térmica

1. Caminhos térmicos cheios de metal
   • Usos vias térmicas preenchidas com metais condutores (Por exemplo, cobre, prata) para transferir eficientemente o calor para longe do chip.
   • Essencial para processadores de alta potência, GPU, e chips de rede.
2. Revestimentos de grafeno
   • Melhora condutividade térmica sem adicionar peso significativo.
   • Usado em substratos BGA flexíveis e ultrafinos.
3. Nitreto de Alumínio (ALN) Camadas Térmicas
   • Fornece alta condutividade térmica (~200W/mK), significativamente melhor que o padrão Substratos BT ou ABF.
   • Usado em Amplificadores de potência RF, Módulos LED, e eletrônica automotiva.

Efeito no desempenho

• Temperaturas operacionais mais baixas aumentar vida útil e confiabilidade do chip.
• Dissipação de calor eficiente impede estrangulamento térmico em aplicações de alto desempenho.
• Térmica personalizada via posicionamento reduz aquecimento localizado em circuitos densamente compactados.

Tendências de mercado e cenário competitivo de substratos BGA/IC personalizados

O mercado de substrato BGA/IC personalizado está passando por um rápido crescimento, impulsionado pela crescente complexidade das embalagens de semicondutores e pela crescente demanda por computação de alto desempenho, Aceleração de IA, 5Infraestrutura G, e eletrônica automotiva. Como os chips exigem maior densidade de interconexão, Gerenciamento térmico aprimorado, e melhor desempenho elétrico, a demanda por soluções avançadas de substrato continua a crescer. Esta seção explora as principais tendências do mercado, dinâmica competitiva, impactos tecnológicos, e desafios da cadeia de suprimentos que moldam o futuro dos substratos BGA/IC personalizados.

Visão geral do mercado global

Tamanho do mercado e projeções de crescimento

O mercado global de substratos IC deverá atingir XX bilhões de dólares nos próximos cinco anos, com uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de X%. Este crescimento é alimentado por vários fatores:

• Adoção de tecnologias avançadas de embalagem de semicondutores, incluindo CIs 2,5D/3D, arquiteturas de chips, e embalagens espalhadas em nível de wafer (Fowlp).
• Crescente demanda por computação de alto desempenho, Chips de IA, e componentes de rede que exigem substratos de alta densidade.
• Expansão da infraestrutura 5G e eletrônica automotiva, necessitando de substratos de alta confiabilidade e alta frequência.
• Avanços na fabricação de circuitos finos e empilhamento multicamadas, permitindo designs de chips mais compactos e eficientes.

Principais fornecedores e cenário competitivo

O mercado de substrato BGA/IC personalizado é dominado por alguns fabricantes líderes especializados em interconexão de alta densidade (HDI) substratos, Substratos ABF, e soluções de embalagem flip-chip. Os principais atores incluem:

• Unimícron: O maior fornecedor de substrato IC, com fortes capacidades em empacotamento FC-BGA e FC-CSP, servindo IA, HPC, e mercados de eletrônicos de consumo.
• Ibidem: Líder em substratos ABF e embalagens avançadas, com foco em aplicativos de computação e data center de ponta.
• Eletromecânica Samsung: Forte presença em substratos ABF e substratos IC de alta contagem de camadas para dispositivos móveis, 5G, e aplicações de IA.
• NO&S: Experiência em substratos HDI para processadores de IA, eletrônica automotiva, e dispositivos de rede avançados.
• Kinsus: Especializada em substratos BGA wire-bond e IC flip-chip para produtos eletrônicos de consumo.
• TOPPAN: Concentra-se em substratos de embalagens de IC de alta precisão, suportando embalagens de semicondutores para aplicações HPC.
• Em você PCB: Fornecedor líder de substratos de memória IC para aplicações DRAM e NAND, apoiando indústrias de IA e data centers.

Cada empresa está investindo pesadamente em avanços tecnológicos de substrato, inovações materiais, e expansão da capacidade de produção para atender à crescente demanda do mercado.

Impacto das embalagens avançadas no mercado de substrato IC

A ascensão das embalagens IC 2,5D e 3D

À medida que a Lei de Moore desacelera, 2.5As tecnologias de empacotamento D e 3D IC estão emergindo como soluções essenciais para melhorar o desempenho do chip e a densidade de integração.

• 2.5A embalagem D IC integra múltiplas matrizes em um único intermediário, exigindo substratos IC de densidade ultra-alta com roteamento fino e excelente desempenho térmico.
• 3As pilhas de embalagens D IC morrem verticalmente, aumentando a complexidade do substrato com maiores demandas de energia e gerenciamento térmico.

A mudança em direção à integração de múltiplas matrizes está impulsionando a demanda por substratos BGA/IC personalizados que possam suportar:

• Alta densidade de E/S para comunicação multichip
• Transmissão de sinal de alta velocidade com baixa perda dielétrica
• Fornecimento de energia e gerenciamento térmico aprimorados para lógica empilhada e integração de memória

Crescimento da arquitetura de chips e seu impacto em substratos BGA

A adoção de designs baseados em chips está mudando fundamentalmente os requisitos do substrato IC.

• Em vez de usar um sistema monolítico em chip (Soc), arquiteturas de chips empregam vários componentes modulares, aumentando a necessidade de interconexões complexas em substratos de alta densidade.
• Os substratos FC-BGA estão evoluindo para acomodar integração heterogênea, permitindo conexões de alta largura de banda entre núcleos de processamento, memória, e controladores de E/S.
• O surgimento de padrões de interconexão, como Universal Chiplet Interconnect Express (UCI) está colocando maior ênfase no roteamento avançado, controle de impedância, e integridade de energia em substratos BGA.

Vidro versus. Substratos BT/ABF Tradicionais: Tendências Futuras de Materiais

A introdução de substratos de vidro como uma alternativa potencial ao BT e ABF está remodelando o futuro da tecnologia de substratos IC.

• Substratos de vidro oferecem expansão térmica ultrabaixa (Cte), melhor estabilidade dimensional, e integridade de sinal superior, tornando-os ideais para aplicações de alta frequência e alta velocidade.
• Os desafios atuais incluem altos custos de produção, disponibilidade limitada, e complexidades de processamento em comparação com substratos orgânicos tradicionais.
• Embora os substratos BT e ABF continuem sendo o padrão da indústria, o vidro está ganhando força em processadores de IA, 5Dispositivos G/mmWave, e interconexões ópticas.

Perspectiva de substituição de materiais

• Resina BT: Econômico com boas propriedades mecânicas, mas limitado para aplicações de alta frequência.
• ABF: Preferido para HPC, IA, e aplicações de rede devido às propriedades elétricas superiores e recursos de roteamento de linha fina.
• Vidro: Emergindo como um material de substrato de próxima geração para IA, 5G, e aplicações de RF, oferecendo melhor desempenho de alta frequência, mas exigindo novas técnicas de fabricação.

Desafios da cadeia de suprimentos e respostas estratégicas

Escassez de substrato IC e restrições na cadeia de suprimentos

A cadeia de fornecimento de substratos IC tem enfrentado interrupções significativas nos últimos anos devido a:

• Um aumento na demanda global de semicondutores, excedendo a capacidade de fabricação de substrato disponível.
• Produção limitada de substrato ABF, enquanto a indústria luta para ampliar as instalações de fabricação.
• Escassez de matéria-prima, particularmente em folhas de cobre, laminados à base de resina, e materiais de vidro de alta pureza.

Para enfrentar esses desafios, os fabricantes estão tomando diversas ações estratégicas:

• Expansão das instalações de produção, com empresas como a Unimicron, Ibidem, e AT&S investindo em novas plantas de fabricação de substratos.
• Aumentando R&D investimento em materiais alternativos, como substratos de vidro de alto desempenho para embalagens de próxima geração.
• Fortalecer as cadeias de abastecimento regionais para reduzir os riscos geopolíticos e a dependência de fornecedores de fonte única.

Aumento dos custos de fabricação e estratégias de otimização de custos

À medida que os substratos IC se tornam mais complexos, os custos de produção estão aumentando devido:

• Custos mais elevados de matéria-prima, incluindo escassez de ABF e flutuações no preço do cobre.
• Técnicas avançadas de processamento necessárias para larguras de linha mais finas, contagens de camadas mais altas, e aumentado via densidade.
• Requisitos de controle de qualidade mais rigorosos para substratos de IC de alta confiabilidade.

Para mitigar essas pressões de custos, os fabricantes estão implementando:

• Automação de processos e detecção de defeitos baseada em IA para melhorar as taxas de rendimento e reduzir o desperdício de produção.
• Adoção de novas arquiteturas de substrato, combinando materiais orgânicos e inorgânicos para reduzir custos gerais, mantendo alto desempenho.
• Expansão da produção localizada para reduzir a dependência de fornecedores estrangeiros e interrupções logísticas.