Заливка/Инкапсуляция: Освоение проблем упаковки и высокоскоростных соединений чипов ИИ и печатных плат несущих плат

technology7 ноября 2025 г. 16 мин чтения

Заливка/ИнкапсуляцияНизкопустотная BGA-пайка оплавлениемNPI EVT/DVT/PVTПрослеживаемость/MESПроверка первого образца (FAI)Пайка THT/сквозных отверстий

На фоне волны искусственного интеллекта (ИИ) и высокопроизводительных вычислений (HPC) вычислительная мощность чипов растет с поразительной скоростью. Однако за этим ростом скрываются все более серьезные проблемы упаковки и межсоединений. Когда сотни миллиардов транзисторов интегрируются на крошечные кремниевые пластины, обеспечение их долгосрочной стабильной работы в суровых условиях становится критическим фактором, определяющим успех или неудачу всей системы. Технология заливки/герметизации, как последняя линия защиты в упаковке чипов, никогда не была столь важной. Это не просто простая физическая защита, но и ключевой инженерный шаг, влияющий на тепловое управление, целостность сигнала и механическую надежность.

Для сложных модулей ускорителей ИИ, которые часто используют CoWoS или аналогичные технологии упаковки 2.5D/3D для интеграции нескольких чиплетов и стеков HBM на одной печатной плате на подложке ИС, эта высокоинтегрированная система требует экстремальной защиты упаковки. Успешное решение по заливке/герметизации должно найти тонкий баланс между материаловедением, управлением процессами и проверкой надежности, чтобы обеспечить максимальную производительность чипов ИИ на протяжении всего их жизненного цикла. Понимание того, как HILPCB может помочь оптимизировать дизайн ваших межсоединений/подложки ИИ, имеет решающее значение для решения этих проблем.

Какую роль играет заливка/герметизация в упаковке чипов ИИ?

В области упаковки чипов ИИ заливка/герметизация давно превзошла традиционное представление о простом покрытии компонентов. Для сложных модулей SiP (System-in-Package), интегрирующих HBM, SoC и другие функциональные чиплеты, она играет множество критически важных ролей, служа краеугольным камнем для обеспечения функциональности и надежности системы.

Прежде всего, ее основная функция — обеспечение исключительной механической защиты. Карты-ускорители ИИ могут быть развернуты в различных средах, таких как центры обработки данных, автономные транспортные средства или периферийные устройства, неизбежно сталкиваясь с ударами, вибрациями и механическими нагрузками. Точная упаковка, особенно хрупкие кремниевые интерпозеры и микровыступы, очень чувствительна к этим внешним воздействиям. Высококачественные материалы для заливки/герметизации (например, эпоксидный компаунд для формования, EMC) могут образовывать прочную монолитную структуру, равномерно распределяя внешние нагрузки и эффективно защищая деликатные межсоединения, предотвращая сбои соединений или растрескивание чипов из-за механического воздействия. Во-вторых, он действует как барьер для изоляции от окружающей среды. Влага, пыль и коррозионно-активные химикаты в воздухе являются «естественными врагами» электронных компонентов. Материалы для инкапсуляции создают плотный защитный слой, предотвращая проникновение этих вредных веществ в корпус и достижение чувствительных цепей и паяных соединений, тем самым избегая таких проблем, как короткие замыкания, коррозия и электромиграция. Это значительно повышает долгосрочную надежность и срок службы продукта.

Кроме того, заливка/инкапсуляция играет незаменимую роль в терморегулировании. Чипы ИИ имеют чрезвычайно высокую плотность мощности, и огромное выделяемое тепло должно эффективно рассеиваться. Хотя сами инкапсуляционные материалы не являются отличными теплопроводниками, они заполняют зазоры между чипами, подложками и радиаторами, образуя часть полного теплового пути. Выбор инкапсуляционных материалов с высокой теплопроводностью может значительно улучшить эффективность теплопередачи от чипа к теплораспределителю (крышке), снижая температуру перехода и предотвращая снижение производительности или необратимые повреждения из-за перегрева. Наконец, это критически важно для стабилизации электрических характеристик. Диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь инкапсулирующих материалов влияют на характеристики передачи высокоскоростных сигналов. Хорошо спроектированное решение для заливки/инкапсуляции может обеспечить стабильную, предсказуемую диэлектрическую среду, минимизируя негативное влияние на целостность сигнала, одновременно предлагая дополнительную электрическую изоляцию для всего корпуса.

Как выбрать правильный инкапсулирующий материал для решения проблем теплового менеджмента?

Выбор подходящих упаковочных материалов для высокомощных чипов ИИ — это сложное решение, включающее термодинамику, материаловедение и анализ механических напряжений. Выбор материалов напрямую определяет тепловые характеристики, надежность и стоимость производства корпуса, особенно на этапе NPI EVT/DVT/PVT (New Product Introduction Engineering/Design/Production Validation Testing) разработки продукта, где валидация материалов является критически важным шагом.

При выборе упаковочных материалов основным соображением является теплопроводность (ТП). Чипы ИИ могут иметь TDP (Thermal Design Power) до нескольких сотен ватт, что требует быстрого отвода тепла от поверхности чипа. Упаковочные материалы с высокой ТП, такие как EMC (Epoxy Molding Compound), наполненные керамическими добавками (например, оксидом алюминия или нитридом алюминия), обеспечивают пути с более низким тепловым сопротивлением, эффективно снижая рабочую температуру чипа. Во-вторых, Коэффициент теплового расширения (КТР) является ключевым фактором долгосрочной надежности. Модули ИИ состоят из нескольких материалов (кремниевый кристалл, органическая подложка, медные межсоединения, упаковочные материалы), каждый с различными КТР. Во время термоциклирования (включение/выключение питания или изменения нагрузки) несоответствие КТР может генерировать значительные термомеханические напряжения, сконцентрированные на хрупких интерфейсах межсоединений, таких как паяные соединения BGA или микровыступы, потенциально приводя к усталостному растрескиванию пайки или расслоению. В идеале, упаковочный материал должен иметь КТР, близкий к КТР подложки (например, носителя ABF), чтобы минимизировать такие напряжения.

Температура стеклования (Tg) — еще один критический параметр. Tg — это температура, при которой материал переходит из жесткого стеклообразного состояния в мягкое резиноподобное состояние. Когда рабочая температура превышает Tg, КТР материала резко возрастает, а его модуль значительно падает, изменяя модель напряжений и потенциально вызывая непредсказуемые проблемы с надежностью. Поэтому необходимо выбирать материалы с Tg, значительно превышающей максимальную температуру перехода кристалла. Кроме того, прочность адгезии, влагопоглощение и текучесть материала одинаково важны. Сильная адгезия обеспечивает прочное соединение между упаковочным материалом и поверхностями чипа или подложки, предотвращая расслоение. Низкое влагопоглощение помогает избежать «эффекта попкорна». В процессе упаковки материал должен обладать отличной текучестью, чтобы полностью заполнять сложные зазоры чипа, предотвращая образование пустот, которые могут стать точками концентрации напряжений или горячими точками теплового сопротивления. На протяжении всего процесса NPI EVT/DVT/PVT эти свойства подвергаются строгим испытаниям и проверкам для обеспечения надежности конечного продукта.

Ключевые соображения при выборе материала для инкапсуляции

Несоответствие КТР: Основная проблема, напрямую связанная со сроком службы при термоциклировании. Цель состоит в том, чтобы максимально точно согласовать КТР упаковочного материала с КТР подложки ИС для снижения нагрузки на BGA и микровыступы.
Высокая теплопроводность: Критически важна для чипов ИИ с высоким TDP. Выбор высоконаполненных материалов с высокой теплопроводностью является прямым подходом к улучшению рассеивания тепла и снижению температуры перехода.

Прочность сцепления: Должна обеспечивать прочное сцепление с различными поверхностями, такими как пассивирующие слои чипов, паяльные маски подложек и крышки теплораспределителей, для предотвращения отказов из-за расслоения.

Низкая гигроскопичность: Влага является скрытым убийцей надежности, потенциально вызывая расслоение или растрескивание (эффект попкорна) во время пайки оплавлением. Необходимо выбирать материалы с низким уровнем влагопоглощения.

Как процесс инкапсуляции влияет на целостность высокоскоростного сигнала?

Хотя основной целью заливки/инкапсуляции является механическая защита и теплоотвод, ее процесс и свойства материалов также оказывают не пренебрежимое влияние на целостность высокоскоростного сигнала (SI). С постоянным увеличением скоростей интерфейсов, таких как HBM3/3e и PCIe 6.0, даже незначительные воздействия могут привести к искажению сигнала, вызывая системные ошибки. Во-первых, диэлектрические свойства (диэлектрическая проницаемость Dk и коэффициент рассеяния Df) материала инкапсуляции изменяют электрическую среду линий передачи. Когда жидкость или формовочная смесь покрывает микрополосковую или полосковую линию на поверхности подложки ИС, она заменяет исходную воздушную среду, тем самым изменяя характеристический импеданс линии передачи. Если это изменение неравномерно или не полностью смоделировано на этапе проектирования, это может привести к рассогласованию импеданса, отражению сигнала и ухудшению качества сигнала. Поэтому при проектировании высокоскоростных HDI печатных плат или подложек ИС значения Dk/Df окончательного инкапсулирующего материала должны быть включены в модель симуляции.

Во-вторых, деформация подложки, вызванная процессом инкапсуляции, является еще одним критическим фактором, влияющим на целостность сигнала (SI). Во время высокотемпературного отверждения возникают внутренние напряжения из-за несоответствия КТР между инкапсулирующим материалом и подложкой, что приводит к деформации всего модуля. Сильная деформация напрямую влияет на копланарность шариков припоя BGA, что крайне важно для достижения высококачественной беспустотной пайки оплавлением BGA. Если высота паяных соединений BGA варьируется, это может не только вызвать обрывы или короткие замыкания, но и привести к небольшим изменениям в длинах путей высокоскоростных дифференциальных пар, что вызывает временной джиттер и перекос. Кроме того, пустоты, образующиеся во время инкапсуляции, могут стать потенциальными источниками проблем с целостностью сигнала (SI). Если пустоты расположены вблизи высокоскоростных линий передачи, они создают локализованные диэлектрические неоднородности, вызывая резкие изменения импеданса и дополнительные отражения сигнала. Поэтому внедрение передовых процессов, таких как вакуумная инкапсуляция, и оптимизация конструкции формы и параметров впрыска для минимизации пустот имеют решающее значение для обеспечения целостности сигнала.

Какова внутренняя связь между заливкой/инкапсуляцией и надежностью BGA?

Существует тесная и сложная механическая связь между заливкой/инкапсуляцией и долгосрочной надежностью паяных соединений BGA (Ball Grid Array), что является ключевым фактором, определяющим срок службы модулей ИИ. Являясь основным интерфейсом, соединяющим корпус с печатной платой материнской платы, надежность BGA глубоко зависит от процесса инкапсуляции. Основной проблемой остается несоответствие КТР. В типичном модуле ИИ кремниевый кристалл имеет КТР приблизительно 2,6 ppm/°C, в то время как несущая его ABF-подложка имеет КТР около 12-16 ppm/°C, а КТР инкапсулирующего материала обычно колеблется от 10-30 ppm/°C. Когда модуль подвергается изменениям температуры, непоследовательное расширение и сжатие этих материалов создает сдвиговое напряжение на паяных соединениях BGA. После отверждения заливочного/инкапсулирующего материала он "фиксирует" кристалл и подложку вместе, образуя композитную структуру. Общий КТР и жесткость этой структуры определяют величину напряжения, приложенного к паяным соединениям BGA.

Плохо спроектированное решение для инкапсуляции может усугубить это напряжение. Например, если КТР инкапсулирующего материала значительно выше, чем у подложки, то при охлаждении инкапсулирующий материал будет сжиматься более агрессивно, чем подложка, оказывая сжимающие силы на подложку и вызывая изгиб всего модуля вверх (коробление типа "улыбка"). Это создает огромное растягивающее напряжение на паяных соединениях BGA в углах модуля, делая их очень восприимчивыми к преждевременному отказу во время испытаний на термоциклирование. Для смягчения этой проблемы широко применяется технология Underfill. Underfill — это специализированная форма заливки/герметизации, которая точно дозируется между чипом и подложкой, инкапсулируя микровыступы. После отверждения она прочно соединяет чип и подложку, эффективно распределяя термическое напряжение от хрупких микровыступов по всей площади чипа, тем самым значительно повышая надежность Flip-Chip упаковки.

Успех всего процесса зависит от качества пайки на начальном этапе. Достижение BGA-переплавки с низким содержанием пустот является фундаментальным, так как пустоты в паяных соединениях могут стать точками концентрации напряжений и местами зарождения трещин. При упаковочном напряжении эти дефекты могут быстро усугубляться. Поэтому на этапе наращивания производства критически важна тщательная Первичная Инспекция Изделия (FAI). С помощью рентгеновского и поперечного анализа она гарантирует соответствие качества BGA-пайки стандартам, обеспечивая надежную основу для последующей заливки/герметизации.

Сравнение ключевых характеристик упаковочных материалов

Тип материала	Теплопроводность (Вт/мК)	КТР (α1, ppm/°C)	Основные Применения
Стандартный ЭМС	0.6 - 1.0	12 - 20	Общая упаковка ИС
ЭМС с высокой теплопроводностью	3.0 - 8.0	8 - 15	Модули ИИ/ВПК, силовые устройства
Жидкий заливочный компаунд	0.5 - 2.5	25 - 50	Датчики, малообъемные модули
Андерфилл	0.4 - 1.2	20 - 35	Повышение надежности Flip-Chip BGA/μBump

Почему контроль качества и прослеживаемость критически важны в производственном процессе?

Для дорогостоящих, высокосложных продуктов, таких как модули ИИ, даже незначительные отклонения в процессе заливки/герметизации могут привести к катастрофическим последствиям. Поэтому создание строгой системы контроля качества и комплексной системы прослеживаемости имеет решающее значение.

Контроль качества начинается с точной настройки и мониторинга параметров процесса. Это включает:

Параметры дозирования/формования: Для жидкой заливки путь дозирования, скорость и объем клея должны точно контролироваться; для трансферного формования давление впрыска, скорость и время выдержки напрямую влияют на результаты заполнения и конечное напряжение.
Профили предварительного нагрева и отверждения: Температура предварительного нагрева подложек и форм, а также скорость нагрева, пиковая температура и время выдержки во время отверждения должны строго соответствовать кривым, рекомендованным поставщиками материалов. Любое отклонение может привести к неполному отверждению или чрезмерному внутреннему напряжению.
Контроль уровня вакуума: Выполнение герметизации в вакуумной среде эффективно удаляет пузырьки в материале и захваченный воздух во время процесса, что является ключом к предотвращению пустот. Чтобы гарантировать постоянство этих параметров во время массового производства, центральную роль играет Прослеживаемость/MES (Manufacturing Execution System). Надежная система Прослеживаемости/MES может:

Отслеживать информацию о материалах: Записывать номер партии, дату производства и информацию о поставщике инкапсуляционных материалов, используемых для каждого продукта. Если обнаружены проблемы с конкретной партией, все затронутые продукты могут быть быстро идентифицированы.
Регистрировать параметры процесса: Собирать и хранить ключевые параметры (например, температуру, давление, время) во время инкапсуляции в реальном времени и сравнивать их с заданными технологическими окнами для достижения SPC (Statistical Process Control).
Связывать данные испытаний: Привязывать данные испытаний после инкапсуляции (например, результаты рентгеновского контроля, CSAM) к данным процесса каждой единицы для формирования полной истории продукта. Эта сквозная возможность прослеживаемости очень ценна как на этапах разработки продукта (NPI EVT/DVT/PVT), так и на этапах массового производства. При возникновении сбоев инженеры могут быстро получить все соответствующие данные для анализа первопричин, устраняя необходимость в подходе "искать иголку в стоге сена". Это не только сокращает цикл решения проблем, но и обеспечивает прочную основу данных для непрерывной оптимизации процессов.

Какова роль контроля первого образца (FAI) в процессе инкапсуляции?

Инспекция первого образца (FAI), или проверка первого изделия, является критически важной точкой контроля качества, связывающей разработку продукта и массовое производство. В процессе заливки/герметизации целью FAI является всесторонняя проверка того, могут ли вновь установленные или модифицированные производственные процессы стабильно производить продукцию, соответствующую всем проектным спецификациям и требованиям надежности. Это комплексная оценка всех элементов: "человек, машина, материал, метод и окружающая среда."

Область применения FAI значительно превосходит рутинные проверки производственной линии и обычно включает ряд разрушающих и неразрушающих анализов:

Неразрушающий контроль:
- Рентгеновский контроль: Используется для проверки наличия пустот внутри герметизации, обрывов или смещений проволочных соединений, морфологии паяных соединений BGA и показателей пустот. Это основной инструмент для оценки низкопустотного оплавления BGA и эффективности заполнения герметизации.
- Сканирующая акустическая микроскопия (CSAM): Использует ультразвуковые волны для обнаружения расслоений между различными интерфейсами материалов, таких как связь между герметизирующими материалами и поверхностями чипов или поверхностями подложек.
- Измерения внешнего вида и размеров: Проверяет поверхностные дефекты, допуски размеров и соответствие деформации.
Разрушающий контроль:
Анализ поперечного сечения: Образцы разрезаются, шлифуются и полируются для микроскопического исследования внутренних структур, что обеспечивает прямую визуализацию заполнения инкапсулирующего материала, связывания интерфейсов и микроструктур паяных соединений BGA.
Тест на окрашивание и отрыв: Оценивает надежность паяных соединений BGA путем погружения модуля в красный краситель, а затем отрыва чипа для наблюдения за проникновением красителя на поверхностях излома, что указывает на микротрещины.

Благодаря тщательной Первичной инспекции образца (FAI), потенциальные дефекты процесса могут быть выявлены и исправлены до начала массового производства, что позволяет избежать крупномасштабных проблем с качеством и переделок. Успешная FAI является ключевым этапом в процессе NPI EVT/DVT/PVT, сигнализируя о том, что процесс инкапсуляции продукта готов к стабильному производству.

Комплексный процесс сборки модулей ИИ HILPCB

Производство подложек ИС

SMT-монтаж

Беспустотная пайка BGA оплавлением

AOI/Рентгеновский контроль

Заливка/герметизация

Функциональное тестирование и контроль

Прослеживаемость/интеграция с MES

Имеет ли традиционная технология THT по-прежнему применение в современной сборке подложек ИИ?

Хотя технология поверхностного монтажа (SMT) является основным направлением в современной сборке подложек ИИ, традиционная технология сквозного монтажа (THT) остается незаменимой в некоторых специфических сценариях применения. Пайка THT/сквозного монтажа часто используется для установки компонентов, которые должны выдерживать значительные механические нагрузки или пропускать высокие токи, благодаря своей исключительной механической прочности.

На ускорительных картах ИИ к распространенным компонентам THT относятся:

Мощные разъемы: Такие как разъемы слотов PCIe или клеммы ввода питания, которые выдерживают значительную механическую силу при вставке и извлечении. Пайка THT/сквозного монтажа обеспечивает более прочное соединение, чем SMT, гарантируя долгосрочную надежность.
Крупные индукторы и конденсаторы: В силовых модулях некоторые громоздкие компоненты для хранения энергии более надежно устанавливаются с использованием THT из-за их веса.
Механические опоры и усилители: Для контроля деформации в больших печатных платах иногда устанавливаются металлические усилители, обычно закрепляемые с помощью процессов пайки THT/сквозного монтажа. Сочетание технологии THT с точными процессами заливки/герметизации требует тщательного планирования. Как правило, заливка/герметизация выполняется после пайки всех компонентов SMT и THT. При проектировании областей заливки важно указать, какие области THT должны быть покрыты, а какие должны оставаться открытыми (например, интерфейсы разъемов). Это может потребовать разработки специализированных форм или применения процессов селективного покрытия для обеспечения точного нанесения герметика на целевые области без загрязнения контактов разъемов или других функциональных интерфейсов. Как производитель, предлагающий комплексные услуги по монтажу в отверстия, Highleap PCB Factory (HILPCB) обладает обширным опытом в решении проблем таких гибридных процессов, обеспечивая бесшовную интеграцию обеих технологий.

Как сотрудничать с производителями печатных плат/подложек для оптимизации конструкции заливки/герметизации?

Достижение успешного решения по заливке/герметизации далеко не изолированная задача на этапе герметизации; оно требует глубокого сотрудничества с производителями с самого начала проектирования подложки ИС. Ранняя коммуникация DFM (Design for Manufacturability) может предотвратить многочисленные потенциальные проблемы процесса и риски надежности в дальнейшем.

При сотрудничестве с профессиональными производителями, такими как HILPCB, сосредоточьтесь на следующих ключевых аспектах:

Обработка поверхности подложки: Тип и шероховатость паяльной маски на поверхности подложки напрямую влияют на адгезию компаунда. Обсудите с производителем выбор решения для паяльной маски, которое обеспечивает наилучшую совместимость и сильнейшую адгезию с целевым компаундом.
Определение запретных зон: Четко обозначьте на проектных чертежах области, где нанесение компаунда запрещено, например, тестовые точки, края разъемов и оптические компоненты. Это помогает производителям разрабатывать точные приспособления или программировать пути дозирования.
Проектирование вентиляционных и проточных каналов: Для сложных упаковочных структур сотрудничайте с производителями, чтобы искусно спроектировать вентиляционные каналы или элементы на подложке, облегчая плавное вытеснение воздуха во время заполнения материалом и уменьшая образование пустот.
Проектирование панелизации: Схемы панелизации должны учитывать не только эффективность SMT, но и соответствовать требованиям процессов заливки/герметизации. Например, расстояние между краями платы, а также положение и количество реперных знаков могут влиять на рабочую точность и стабильность оборудования для герметизации. Привлекая опытных производителей на ранних этапах проектирования, их технологический опыт может быть использован для оптимизации конструкции, гарантируя, что конечный продукт достигнет не только выдающейся производительности, но также высокой доходности и надежности. HILPCB предлагает комплексное обслуживание от производства печатных плат на подложке для ИС до окончательной сборки под ключ. Эта вертикально интегрированная возможность упрощает связь между проектированием и производством, предоставляя наиболее оптимизированное комплексное решение для проектов ИИ наших клиентов.

Получить мгновенное предложение

Заключение

Заливка/герметизация является критически важным звеном в производственной цепочке чипов ИИ и печатных плат на подложке. Подобно специально подобранной «броне» для прецизионных систем, она играет решающую роль в защите, управлении температурным режимом и долгосрочной надежности. От выбора передовых материалов с подходящим КТР и высокой теплопроводностью до проверки технологических окон посредством строгой Первичной проверки изделия (FAI) и использования систем Прослеживаемости/MES для полного контроля качества процесса — каждый шаг проверяет инженерные возможности и стандарты управления качеством производителя. Преодоление трудностей заливки/герметизации требует комплексного подхода к ее сложному влиянию на механические, тепловые и электрические характеристики, при этом совместно оптимизируя каждый шаг от проектирования подложки до окончательной сборки. Это включает обеспечение высококачественной беспустотной оплавки BGA и бесшовную интеграцию таких процессов, как THT/пайка в сквозные отверстия. Выбор партнера, такого как HILPCB, с глубокой технической экспертизой и возможностями комплексного обслуживания, является стратегическим решением для того, чтобы ваши продукты ИИ выделялись на конкурентном рынке. Свяжитесь с HILPCB сегодня, чтобы начать ваш проект по созданию подложек и межсоединений для ИИ — давайте вместе строить стабильные, надежные и высокопроизводительные вычислительные ядра для будущего.