Verhoog de integratiedichtheid van PCB met Blind Microvia

Verhoog de integratiedichtheid van PCB's door blinde microvia en door gaten te vullen met behulp van elektrolytische koperafzetting.

De progressieve miniaturisatie van elektronische schakelingen vereist in toenemende mate het gebruik van HDI-printplaten met met koper gevulde blinde microvia's. Een nieuw ontwikkelde koperelektrolyt, die momenteel wordt getest onder productiegerelateerde omstandigheden, maakt defectvrij vullen van blinde microvia's met een kleine koperlaagdikte op het printplaatoppervlak mogelijk. A copper electrolyte currently in development should also enable the reliable filling of through holes in the future – the current development work is already showing promising results.

Vullen van blinde microvia en doorlopende gaten

Verhogen van de verpakkingsdichtheid van PCB's door het vullen van blinde microvias en doorlopende gaten door elektrodepositie van koper.

De toenemende miniaturisatie van elektronische schakelingen maakt gebruik van HDI-printplaat (HDI printplaten) met met koper gevulde blinde microvias, steeds wenselijker. Een nieuw ontwikkelde koperelektrolyt, momenteel getest in gesimuleerde productieomstandigheden, zal het defectvrij vullen van blinde microvias mogelijk maken en tegelijkertijd een verminderde koperafzetting op het bordoppervlak mogelijk maken. Dit brengt een efficiënter materiaalgebruik met zich mee en dus een verlaging van de kosten van PCB-fabricage. Een andere koperelektrolyt die nu in ontwikkeling is, belooft een betrouwbare vulling van doorgaande gaten mogelijk te maken.

1 Invoering

In micro-elektronica, er is nog steeds een trend naar miniaturisatie, dat is, naar kleinere en krachtigere systemen die ook goedkoper zouden moeten zijn dan eerdere systemen. De bekendste voorbeelden hiervan zijn smartphones en tablet-pc's, the performance of which – in spite of the same or even smaller device size – has increased significantly in recent years.

HDI printplaten (HDI: High-density interconnect) een belangrijke bijdrage leveren aan miniaturisatie. Voor de elektrische aansluiting van afzonderlijke PCB-lagen, ruimtebesparende blinde gaten (blinde microvia's) worden gebruikt in plaats van doorlopende gaten. De integratiedichtheid kan verder worden verhoogd door de blinde microvia's te vullen met elektrolytisch afgezet koper (blinde microvia vulling). In de tussentijd, het gebruik van HDI-printplaten beperkt zich niet langer tot mobiele elektronica, maar wordt ook steeds vaker gebruikt in andere toepassingen, bijvoorbeeld in de automobielsector.

Een nieuw ontwikkelde elektrolyt, die in de Blinde Microvia Filling slechts een zeer kleine laagdikte van koper afzet in vergelijking met de vorige generatie elektrolyten, stelt de bron in staat, energie- en kostenefficiënte productie van HDI-printplaten.

Omdat de integratiedichtheid van HDI-printplaten nog verder kan worden verhoogd door zeer dunne kernmaterialen te gebruiken, de ontwikkeling van elektrolyten voor het vullen van doorgaande gaten (Engels: Door gaten vullen) wordt momenteel versterkt. De resultaten van de ontwikkelingswerkzaamheden op dit gebied worden gepresenteerd.

2 Miniaturisatie op het gebied van micro-elektronica

De bekendste vertegenwoordigers van de voortschrijdende miniaturisatie in de micro-elektronica zijn zeer krachtige mobiele apparaten zoals smartphones en tablets. De hoge en constant groeiende verkoopcijfers weerspiegelen de grote aantrekkingskracht van deze apparaten. In 2013, meer dan 1 miljard smartphones werden voor het eerst verkocht, verkoop van ongeveer 1.2 miljard worden verwacht in 2014 en rond 1.8 miljard in 2017 [2]. Op het gebied van tablet-pc's, verkoop van 271 miljoen apparaten worden voorspeld 2014, wat overeenkomt met een stijging van bijna 40% vergeleken met het voorgaande jaar [3].

Deze zijn geïnstalleerd in processoren met zeer kleine behuizingsafmetingen en een zeer groot aantal steeds meer netachtige verbindingen. De onderkant van de processor heeft 976 verbindingen op een gebied van net onder 2 cm², dit komt overeen met ongeveer vijf aansluitingen per vierkante millimeter. De toonhoogte van de verbindingen is slechts 400 µm.

3 Miniaturisatie op het gebied van printplaten

Voor een ruimtebesparende en betrouwbare elektrische aansluiting van processoren met extreem hoge aansluitdichtheden zijn printplaten met een overeenkomstig hoge integratiedichtheid vereist. De klassieke meerlaagse printplaat is hiervoor niet geschikt, echter, omdat het doorlopende gaten gebruikt voor de elektrische verbinding van individuele printplaatlagen. Deze hebben relatief grote diameters en, omdat ze pas worden geboord nadat de afzonderlijke lagen zijn ingedrukt, ze strekken zich uit over de gehele dikte van de printplaat. Het gevolg hiervan is dat zelfs wanneer direct aangrenzende lagen worden verbonden, de ruimte boven en onder de daadwerkelijke verbinding gaat verloren en kan daarom niet voor andere constructies worden gebruikt, bijvoorbeeld geleiderbanen. De resulterende lage integratiedichtheid van meerlagige printplaten is niet voldoende voor de hierboven beschreven vereisten.

Een paar jaar geleden, een nieuwe, sterk geïntegreerde generatie printplaten, de zogenaamde HDI-printplaat, werd daarom ontwikkeld, die aanvankelijk voornamelijk werd gebruikt voor de productie van mobiele telefoons. Bij het vervaardigen van HDI-printplaten, de afzonderlijke printplaatlagen worden achtereenvolgens opgebouwd (SBU, Opeenvolgende opbouw). De elektrische aansluiting van aangrenzende montageposities wordt gerealiseerd met lasergeboorde blinde microvia's. Figuur 2 toont schematisch de structuur van een 2-4-2 HDI-printplaat, d.w.z. de printplaat bestaat uit een vierlagige meerlagige kern en twee lagen aan elke kant.

4 Blinde microvia

Vergeleken met doorlopende gaten, blinde microvia's hebben kleinere diameters in het bereik van 50 .m tot 150 µm en strekken zich alleen in de z-richting uit over de dikte van een montagepositie (typisch 50 .m tot 150 µm). Ze nemen slechts zoveel ruimte in beslag als daadwerkelijk nodig is voor de daadwerkelijke verbinding. HDI-printplaten hebben dus een veel hogere integratiedichtheid dan meerlagige printplaten en zijn daarom geschikt voor de signaalontbundeling van zeer functionele elektronische componenten in de kleinste ruimte..

4.1 Blinde microvia vullen

Een verdere toename van de integratiedichtheid maakt gestapelde blinde microvia's mogelijk (gestapelde blinde microvia's). Als elektrolytisch neergeslagen koper wordt gebruikt voor het vullen in plaats van geleidende pasta, dit leidt tot de volgende verdere voordelen:

Verhoogde betrouwbaarheid (de blinde microvia's bevatten alleen koper, er is geen extra interface)
beter warmtebeheer (warmteverlies kan worden afgevoerd via de sterk warmtegeleidende, met koper gevulde blinde microvia's)
Verdere toename van de integratiedichtheid (geen extra pads (pads) zijn vereist op het oppervlak van de printplaat om contact te maken met componenten)
De belangrijkste processtappen bij de vervaardiging van HDI-printplaten met met koper gevulde blinde microvia's worden schematisch weergegeven in figuur 4. Als er nog een laag moet worden opgebouwd, het procesverloop moet opnieuw worden doorlopen te beginnen met de processtap 2.

Door met koper gevulde blinde microvia's op elkaar te stapelen, kunnen zelfs niet-aangrenzende montageposities elektrisch geleidend worden verbonden met minimale benodigde ruimte (Afb. 5). Het gebruik van pad-in-via- of via-in-pad-ontwerpen leidt tot een verdere toename van de integratiedichtheid, omdat componentverbindingen direct op de met koper gevulde blinde microvia's kunnen worden gesoldeerd, zodat er geen extra aansluitvlakken nodig zijn (Afb. 6).

4.2 Eerdere elektrolyten voor blinde microvia-vulling

Typisch, elektrolyten voor blinde microvia-vulling bevatten een relatief hoge concentratie koperionen in het bereik van 40 g / l tot 60 g / l in combinatie met een lage zwavelzuurconcentratie in het bereik van 10 ml / l tot 50 ml / l evenals chloride-ionen. De organische elektrolytadditieven die nodig zijn om de coatingeigenschappen te beheersen, verschillen van gespecialiseerd bedrijf tot gespecialiseerd bedrijf, maar meestal zitten de volgende drie componenten in de elektrolytadditieven:

Basisadditief (remmer)
Graanraffinaderij (Activator)
Leveler (remmer)
Daarnaast, de methoden van de verschillende providers kunnen ook verschillen in de volgende kenmerken:

Systeemtechnologie (standaard verticaal systeem, verticaal continu systeem, horizontaal doorlopend systeem)
Anode type (koperen anode, onoplosbare anode)
Huidige vorm (Gelijkstroom, pulsstroom, omgekeerde pulsstroom)
toepasselijke stroomdichtheid

De methoden die eerder door Schlötter werden aangeboden voor blinde microvia-vulling werken uitsluitend met gelijkstroom in standaard verticale systemen of verticale continue systemen.

In de beginjaren van blinde microvia-vulling, naast de standaardvereisten voor elektrolytisch afgezette kopercoatings voor printplaten waren er in wezen de volgende aanvullende eisen (bijv. ductiliteit, betrouwbaarheid):

defectvrije vulling van de blinde microvia's zonder elektrolytinsluitsels
Minimaal vulniveau of maximaal toegestane verdieping (deuk.

Tijdens het vulproces, 93 µm koper (B) werd gedeponeerd in de blinde microvia, terwijl de laagdikte op het oppervlak slechts 22 µm (C), resulterend in de volgende kerncijfers:

Inspringing (A-B): 30.4 µm

Mate van vulling (B / EEN): 75%

Metaaldistributie (B / C): 426%

Het is voornamelijk te wijten aan het werkingsmechanisme van de leveller, waardoor het koper niet op het oppervlak wordt afgezet maar in de blinde microvia's, d.w.z. op het gebied van lage stroomdichtheid en lage elektrolytuitwisseling.

Om een ​​goed vulresultaat te bereiken, de elektrolytadditieven moeten zeer goed op elkaar zijn afgestemd. Figuur 8a toont een blinde microvia vóór het vulproces en verschillende resultaten, which can only occur through variation of the electrolyte additives – with otherwise the same separation parameters (Afb. 8b - e).

4.3 Nieuwe elektrolyt voor blinde microvia-vulling

De integratiedichtheid van de printplaten kan nog verder worden verhoogd door de spoorbreedte en afstand te verkleinen. Voor het etsen van zulke fijne geleiders, echter, de dikte van de koperlaag op het oppervlak moet laag zijn, omdat anders ernstige ondersnijding en problemen met de geleiderdoorsnede kunnen optreden.

Zoals te zien in figuur 4, the copper layer thickness can be reduced after filling with – possibly repeated – copper thinning, maar hiervoor zijn aanvullende processtappen en systemen nodig. Daarnaast, koperverdunning van koper dat eerder was afgezet, wordt gedeeltelijk verwijderd, wat een negatieve invloed heeft op de hulpbronnen, energie- en kostenefficiëntie bij de fabricage van printplaten. To completely avoid – or at least to reduce – the copper thinning, naast de reeds genoemde eisen, de eis om tijdens het vulproces een zo klein mogelijke koperlaagdikte af te zetten is de laatste jaren toegevoegd.

50-70 mg / l chloride

3–10 ml / l extra slotocoup SF 31

0.2-1,0 ml / l extra slotocoup SF 32

0.2-2,0 ml / l extra slotocoup SF 33

De elektrolyt wordt bedreven bij stroomdichtheden van maximaal 2 EEN / dm² in het temperatuurbereik tussen 18 ° C en 22 ° C.

Vergeleken met de vorige generatie elektrolyten, de dikte van de koperlaag die op het oppervlak werd afgezet, zou extreem kunnen worden verminderd. Dit blijkt uit de metaaldistributie, die in de getoonde laboratoriumtest een extreem hoge waarde heeft van over 2000% (Afb. 9b).

SF-sleuf 30 wordt momenteel getest in samenwerking met de Taiwanese Schlötter-partner AGES in het in 2012 onder productiegerelateerde omstandigheden in een 7200 liter verticaal continu systeem (Afb. 10).

Verdieping: 7.0 µm

Mate van vulling: 91%

Metaaldistributie: 740%

Figuur 11b toont nog een met koper gevulde Blinde Microvia, die van dezelfde printplaat komt als de Blind Microvia in Figuur 11a. het is opmerkelijk dat, ondanks de niet-optimale BMV-geometrie, het vulresultaat is erg goed.

Slotocup SF 30 maakt ook defectvrij vullen mogelijk van dicht bij elkaar gelegen blinde microvia's met een lage laagdikte van de koperen oppervlakken. 12: SF-sleuf 30 testresultaten bij het vullen van dicht bij elkaar geplaatste blinde microvia's

Zeer platte blinde microvia's, die resulteren wanneer extreem dunne diëlektrica worden gebruikt, kan ook zonder gebreken worden gevuld met de nieuwe elektrolyt, maar dit resulteert in wat hogere koperlaagdiktes.

5 Doorgaand gat vullen

Een verdere verhoging van de integratiedichtheid van HDI-printplaten kan worden bereikt door de relatief dikke meerlaagse kernen die tot nu toe zijn gebruikt te vervangen door aanzienlijk dunnere kernen met diktes tussen 100 µm en 200 µm.

Zeer dunne kernen kunnen ook doorlopende gaten hebben in plaats van blinde microvia's. Eerder, deze doorgaande gaten werden eerst gevuld met pasta na de eerste koperbeplating en vervolgens opnieuw verkoperd om de pads te produceren. Daarnaast, het gebruik van pasta kan tot betrouwbaarheidsproblemen leiden.

5.1 Nieuwe elektrolyten voor het vullen van gaten

Aanvankelijk, er zijn pogingen gedaan om de koperelektrolyten te gebruiken die al waren uitgeprobeerd en getest in blinde microvia-vulling in het gebied van doorlopende vulling. Echter, er werd aangetoond dat deze elektrolyten niet geschikt zijn voor deze toepassing, zodat verder ontwikkelingswerk noodzakelijk was. Enkele laboratoriumresultaten van het huidige ontwikkelingswerk zijn weergegeven in figuur 16.

Door de samenstelling van de elektrolyt te wijzigen, het vullen van doorlopende gaten kon aanzienlijk worden verbeterd (ca.. 85 µm boorgatdiameter / ca.. 110 µm boorgatdiepte). Alle vier de afzettingen getoond in figuur 16 werden elk uitgevoerd met gelijkstroom met dezelfde afzettingstijd en stroomdichtheid. Daarnaast, slechts één elektrolyt werd afgezet tijdens de gehele afzettingsperiode, d.w.z. er was geen verandering van de elektrolyt in de loop van de afzetting.

Met toenemende aspectverhouding, d.w.z. afnemende boorgatdiameter en / of toenemende boorgatdiepte, het massatransport en daarmee de daaropvolgende levering van koperionen wordt bemoeilijkt. Als gevolg, defectvrij vullen van de doorlopende gaten zonder elektrolytinsluitsels wordt steeds moeilijker. Figuur 17 toont twee vulresultaten van niet-voorversterkte doorlopende gaten (ca.. 50 µm boorgatdiameter / ca.. 160 µm boorgatdiepte).

De elektrolyt die in het defect zit (Afb. 17een) zet uit bij verhitting van de HDI-printplaat en kan dus al leiden tot een scheur in deze verbinding tijdens het solderen van componenten of wanneer de temperatuur vervolgens wordt verhoogd, wat kan leiden tot een systeemstoring. De focus van het huidige ontwikkelingswerk is, daarom, het betrouwbaar defectvrij vullen van doorlopende gaten met verschillende aspectverhoudingen.

6 Tot slot

Vanwege hun hoge integratiedichtheid, HDI-printplaten maken een betrouwbare ontbundeling mogelijk van de hoge verbindingsdichtheden van deze microprocessoren in de kleinste ruimte.

Door blinde microvias te vullen met elektrolytisch afgezet koper, de integratiedichtheid van HDI-printplaten kan verder worden verhoogd. De nieuw ontwikkelde elektrolyt Slotocoup SF 30, die momenteel in Taiwan wordt getest onder productiegerelateerde omstandigheden, maakt defectvrij vullen mogelijk met een lage koperlaagdikte. Dit leidt tot een verdere toename van de integratiedichtheid en tot meer middelen, energie- en kostenefficiënte productie van HDI-printplaten. De eerste installatie bij een klant staat gepland voor het tweede kwartaal van 2014.

De integratiedichtheid kan nog verder vergroot worden door middel van zogenaamde coreless structuren, die bestaan ​​uit zeer dunne kernmaterialen. Resultaten van huidig ​​ontwikkelingswerk laten zien dat gelijkstroomafzetting van koper het in principe mogelijk maakt om de doorlopende gaten in deze kernen op te vullen. Omdat het vulresultaat en dus de kwaliteit van de verbinding afhankelijk is van de aspectverhouding van de doorlopende gaten, het realiseren van een betrouwbare defectvrije vulling met verschillende aspectverhoudingen staat momenteel op de voorgrond van het ontwikkelingswerk.