Zwiększ gęstość integracji PCB za pomocą ślepej Microvia

Zwiększ gęstość integracji PCB, wypełniając ślepe mikrowiki i otwory przelotowe za pomocą elektrolitycznego osadzania miedzi copper.

Postępująca miniaturyzacja obwodów elektronicznych w coraz większym stopniu wymaga stosowania płytek drukowanych HDI ze ślepymi mikroprzepustami wypełnionymi miedzią. Nowo opracowany elektrolit miedziany, który jest obecnie testowany w warunkach produkcyjnych, umożliwia bezawaryjne wypełnienie ślepych mikrorurek o małej grubości warstwy miedzi na powierzchni płytki drukowanej. 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.

Wypełnianie zaślepek Microvia i otworów przelotowych

Zwiększanie gęstości upakowania płytek PCB poprzez wypełnianie zaślepionych mikro-przelotek i otworów przelotowych przez elektroosadzanie miedzi.

Rosnąca miniaturyzacja obwodów elektronicznych sprawia, że Płytka HDI (Obwody drukowane HDI) z mikroprzelotkami wypełnionymi miedzią, coraz bardziej pożądane. Nowo opracowany elektrolit miedziany, obecnie testowany w symulowanych warunkach produkcyjnych, umożliwi bezbłędne wypełnianie ślepych mikro-przelotek, a jednocześnie pozwoli na zmniejszoną grubość osadu miedzi na powierzchni płyty. Wiąże się to z bardziej efektywnym wykorzystaniem materiałów, a co za tym idzie obniżeniem kosztów produkcji PCB. Kolejny elektrolit miedziowy, który jest obecnie opracowywany, obiecuje umożliwić niezawodne wypełnianie otworów przelotowych.

1 Wstęp

W mikroelektronice, nadal istnieje tendencja do miniaturyzacji, to jest, w kierunku mniejszych i potężniejszych systemów, które również mają być tańsze niż poprzednie systemy. Najbardziej znanymi tego przykładami są smartfony i tablety, the performance of which – in spite of the same or even smaller device size – has increased significantly in recent years.

Obwody drukowane HDI (HDI: Połączenie o dużej gęstości) wnieść znaczący wkład w miniaturyzację. Do elektrycznego połączenia poszczególnych warstw PCB, zajmujące mało miejsca otwory nieprzelotowe (ślepe mikrovias) są używane zamiast otworów przelotowych. Gęstość integracji można dodatkowo zwiększyć, wypełniając ślepe mikroprzelotki elektrolitycznie osadzoną miedzią (ślepe wypełnienie mikrowią). W międzyczasie, stosowanie płytek drukowanych HDI nie ogranicza się już do elektroniki mobilnej, ale jest również coraz częściej wykorzystywane w innych zastosowaniach, na przykład w branży motoryzacyjnej.

Nowo opracowany elektrolit, który w Blind Microvia Filling osadza tylko bardzo małą grubość warstwy miedzi w porównaniu z poprzednią generacją elektrolitów, umożliwia zasób, energetyczna i efektywna kosztowo produkcja płytek drukowanych HDI.

Ponieważ gęstość integracji płytek drukowanych HDI można jeszcze bardziej zwiększyć, stosując bardzo cienkie materiały rdzeniowe, opracowanie elektrolitów do wypełniania otworów przelotowych (język angielski: Wypełnianie otworów przelotowych) jest obecnie wzmacniany. Przedstawiono wyniki prac rozwojowych w tym obszarze.

2 Miniaturyzacja w dziedzinie mikroelektroniki

Najbardziej znanymi przedstawicielami postępującej miniaturyzacji w mikroelektronice są bardzo wydajne urządzenia mobilne, takie jak smartfony i tablety. Wysokie i stale rosnące wyniki sprzedaży świadczą o dużej atrakcyjności tych urządzeń. W 2013, więcej niż 1 po raz pierwszy sprzedano miliard smartfonów, sprzedaż około 1.2 miliardy są spodziewane w 2014 i na około 1.8 miliardy w 2017 [2]. W obszarze komputerów typu tablet, sprzedaż 271 przewiduje się milion urządzeń 2014, co odpowiada wzrostowi o prawie 40% w porównaniu do poprzedniego roku [3].

Są one instalowane w procesorach o bardzo małych rozmiarach obudowy i bardzo dużej liczbie połączeń w coraz większym stopniu przypominających siatkę. Spód procesora ma 976 połączenia na powierzchni nieco poniżej 2 cm², odpowiada to około pięciu połączeniom na milimetr kwadratowy. Skok połączeń jest tylko 400 µm.

3 Miniaturyzacja w obszarze płytek drukowanych

Płytki obwodów drukowanych o odpowiednio wysokiej gęstości integracji są wymagane do oszczędzającego miejsce i niezawodnego połączenia elektrycznego procesorów o wyjątkowo dużej gęstości połączeń. Klasyczna wielowarstwowa płytka drukowana nie nadaje się do tego, jednak, ponieważ wykorzystuje otwory przelotowe do elektrycznego połączenia poszczególnych warstw płytki drukowanej. Mają one stosunkowo duże średnice i, ponieważ wierci się je dopiero po dociśnięciu poszczególnych warstw, rozciągają się na całej grubości płytki drukowanej. Konsekwencją tego jest to, że nawet gdy są połączone bezpośrednio sąsiadujące warstwy, przestrzeń nad i pod rzeczywistym połączeniem jest tracona i dlatego nie może być wykorzystana do innych konstrukcji, na przykład tory konduktorskie. Wynikająca z tego niska gęstość integracji wielowarstwowych płytek drukowanych nie jest wystarczająca do spełnienia wymagań opisanych powyżej.

Kilka lat temu, nowy, wysoce zintegrowana generacja płytek drukowanych, tak zwana płytka drukowana HDI, został zatem opracowany, który początkowo był używany głównie do produkcji telefonów komórkowych. Podczas produkcji płytek drukowanych HDI, poszczególne warstwy płytki drukowanej są budowane sukcesywnie (SBU, Budowanie sekwencyjne). Połączenie elektryczne sąsiednich pozycji montażowych jest realizowane za pomocą wywierconych laserowo mikroprzelotek żaluzji. Postać 2 pokazuje schematycznie strukturę a 2-4-2 Płytka drukowana HDI, to znaczy. płytka drukowana składa się z czterowarstwowego wielowarstwowego rdzenia i dwóch warstw z każdej strony.

4 Ślepa mikrowia

W porównaniu do otworów przelotowych, ślepe mikroprzelotki mają mniejsze średnice w zakresie od 50 tom do 150 µm i rozciągają się tylko w kierunku Z na grubości pozycji montażowej (zazwyczaj 50 tom do 150 µm). Zajmują tylko tyle miejsca, ile faktycznie jest potrzebne do rzeczywistego połączenia. Płytki drukowane HDI mają zatem znacznie większą gęstość integracji niż wielowarstwowe płytki drukowane i dlatego nadają się do rozdzielania sygnału wysoce funkcjonalnych komponentów elektronicznych na najmniejszej przestrzeni.

4.1 Wypełnianie żaluzji microvia

Dalszy wzrost gęstości integracji umożliwia układanie w stosy żaluzji mikroprzelotek (ułożone żaluzje mikrovias). Jeśli zamiast pasty przewodzącej do wypełnienia używana jest miedź osadzona elektrolitycznie, prowadzi to do następujących dalszych korzyści:

Zwiększona niezawodność (ślepe mikrovias zawierają tylko miedź, nie ma dodatkowego interfejsu)
lepsze zarządzanie ciepłem (straty ciepła mogą być rozpraszane przez wysoce przewodzące ciepło, żaluzje wypełnione miedzią)
Dalszy wzrost gęstości integracji (brak dodatkowych podkładek (naramienniki) są wymagane na powierzchni płytki drukowanej do stykania się z elementami;)
Główne etapy procesu produkcji płytek drukowanych HDI z wypełnionymi miedzią ślepymi mikroprzelotkami pokazano schematycznie na rysunku 4. Jeśli ma być budowana dalsza warstwa, sekwencja procesu musi zostać powtórzona, zaczynając od kroku procesu 2.

Układanie żaluzji wypełnionych miedzią jeden na drugim oznacza, że ​​nawet niesąsiadujące pozycje montażowe można łączyć w sposób przewodzący prąd elektryczny przy minimalnych wymaganiach przestrzennych (Figa. 5). Zastosowanie konstrukcji pad-in-via lub via-in-pad prowadzi do dalszego zwiększenia gęstości integracji, ponieważ połączenia komponentów można przylutować bezpośrednio do wypełnionej miedzią żaluzji mikroprzelotek, dzięki czemu nie są potrzebne żadne dodatkowe powierzchnie łączące (Figa. 6).

4.2 Dotychczasowe elektrolity do wypełniania ślepej mikrowiki

Zazwyczaj, elektrolity do ślepego wypełniania mikrowiki zawierają stosunkowo wysokie stężenie jonów miedzi w zakresie od 40 g / ja do 60 g / l w połączeniu z niskim stężeniem kwasu siarkowego w zakresie od 10 ml / ja do 50 ml / l oraz jony chlorkowe. Dodatki do elektrolitu organicznego wymagane do kontroli właściwości powłoki różnią się w zależności od firmy specjalistycznej, ale głównie następujące trzy składniki są zawarte w dodatkach do elektrolitu:

Podstawowy dodatek (inhibitor)
Rozdrabniacz Zboża (Aktywator)
Niwelator (inhibitor)
Dodatkowo, metody różnych dostawców mogą również różnić się następującymi cechami:

Technologia systemowa (standardowy układ pionowy, pionowy układ ciągły, poziomy system ciągły)
Typ anody (anoda miedziana, nierozpuszczalna anoda)
Obecna forma (prąd stały, prąd pulsacyjny, prąd impulsu wstecznego)
odpowiednia gęstość prądu

Oferowane wcześniej przez firmę Schlötter metody wypełniania mikroukładów na ślepo działają wyłącznie z prądem stałym w standardowych systemach pionowych lub pionowych systemach ciągłych.

We wczesnych latach ślepego wypełniania mikrowią, oprócz standardowych wymagań dotyczących elektrolitycznie osadzonych powłok miedzianych na obwodach drukowanych istniały zasadniczo następujące dodatkowe wymagania: (na przykład. plastyczność, niezawodność):

bezusterkowe wypełnienie zaślepionych mikrorurek bez wtrąceń elektrolitu
Minimalny poziom napełnienia lub maksymalne dozwolone pogłębienie (wygięcie.

Podczas procesu napełniania, 93 µm miedzi (b) został zdeponowany w ślepej mikrowice, podczas gdy grubość warstwy na powierzchni wynosi tylko 22 µm (do), co skutkuje następującymi kluczowymi liczbami:

Wcięcie (A-B): 30.4 µm

Stopień napełnienia (b / ZA): 75%

Dystrybucja metali (b / do): 426%

Wynika to przede wszystkim ze sposobu działania prostownicy, za pomocą których miedź nie osadza się na powierzchni, ale raczej w ślepych mikroprzelotach, to znaczy. w obszarach niskiej gęstości prądu i niskiej wymiany elektrolitu.

Aby osiągnąć dobry efekt wypełnienia, dodatki elektrolitu muszą być bardzo dobrze skoordynowane. Rysunek 8a pokazuje ślepą mikrowikę przed procesem napełniania, a także różne wyniki, which can only occur through variation of the electrolyte additives – with otherwise the same separation parameters (Figa. 8być).

4.3 Nowy elektrolit do napełniania ślepej mikrowiki

Gęstość integracji płytek drukowanych można jeszcze bardziej zwiększyć, zmniejszając szerokość ścieżki i odstępy. Do wytrawiania tak cienkich przewodników, jednak, grubość warstwy miedzi na powierzchni musi być niewielka, ponieważ w przeciwnym razie mogą wystąpić poważne podcięcia i problemy z przekrojem przewodu.

Jak pokazano na rysunku 4, the copper layer thickness can be reduced after filling with – possibly repeated – copper thinning, ale do tego potrzebne są dodatkowe etapy procesu i systemy. Dodatkowo, rozrzedzenie miedzi uprzednio osadzonej jest częściowo usuwane, co ma negatywny wpływ na zasoby, efektywność energetyczna i kosztowa w produkcji obwodów drukowanych. To completely avoid – or at least to reduce – the copper thinning, oprócz wymagań już wspomnianych, w ostatnich latach dodano wymóg nakładania jak najmniejszej grubości warstwy miedzi podczas procesu napełniania.

50-70 mg / l chlorek

3–10 ml / l dodatkowy slotocoup SF 31

0.2–1,0 ml / l dodatkowy slotocoup SF 32

0.2–2,0 ml / l dodatkowy slotocoup SF 33

Elektrolit pracuje przy gęstości prądu maksymalnie ities 2 ZA / dm² w zakresie temperatur od 18 ° C i 22 ° C.

W porównaniu do poprzedniej generacji elektrolitów, grubość warstwy miedzi osadzonej na powierzchni może być bardzo zmniejszona. Wskazuje na to rozkład metalu, który w wykazanym teście laboratoryjnym ma wyjątkowo wysoką wartość ponad 2000% (Figa. 9b).

Gniazdo SF 30 jest obecnie testowany we współpracy z tajwańskim partnerem firmy Schlötter AGES w Centrum Rozwoju PCB w Taipei otwartym w 2012 w warunkach produkcyjnych w a 7200 litrowy pionowy system ciągły (Figa. 10).

Pogłębianie: 7.0 µm

Stopień napełnienia: 91%

Dystrybucja metali: 740%

Rysunek 11b przedstawia inny wypełniony miedzią Blind Microvia, który pochodzi z tej samej płytki drukowanej, co Blind Microvia na rysunku 11a. Warto zauważyć, że, pomimo nieoptymalnej geometrii BMV, wynik napełniania jest bardzo dobry.

Slotocup SF 30 umożliwia również bezbłędne wypełnianie blisko rozmieszczonych ślepych mikrorurek o małej grubości warstwy miedzianych powierzchni. 12: Gniazdo SF 30 wyniki testu przy wypełnianiu gęsto rozmieszczonych ślepych mikrorurek

Bardzo płaskie mikrovias żaluzjowe, co skutkuje, gdy stosowane są wyjątkowo cienkie dielektryki, można również napełnić bez defektów nowym elektrolitem, ale skutkuje to nieco większą grubością warstwy miedzi.

5 Wypełnianie otworów przelotowych

Dalszy wzrost gęstości integracji płytek obwodów drukowanych HDI można osiągnąć poprzez zastąpienie stosowanych do tej pory stosunkowo grubych rdzeni wielowarstwowych znacznie cieńszymi rdzeniami o grubości pomiędzy 100 µm i 200 µm.

Bardzo cienkie rdzenie mogą mieć również otwory przelotowe zamiast ślepych mikroprzelotek. Poprzednio, te otwory przelotowe zostały najpierw wypełnione pastą po pierwszym miedziowaniu, a następnie ponownie miedziowane, aby wyprodukować podkładki. Dodatkowo, użycie pasty może prowadzić do problemów z niezawodnością.

5.1 Nowe elektrolity do wypełniania otworów przelotowych

Początkowo, podjęto próby wykorzystania elektrolitów miedzi, które zostały już wypróbowane i przetestowane w ślepym wypełnianiu mikrowików w obszarze wypełnienia przewlekanego. jednak, wykazano, że te elektrolity nie nadają się do tego zastosowania, dlatego konieczne były dalsze prace rozwojowe. Niektóre wyniki laboratoryjne z bieżących prac rozwojowych przedstawiono na rysunku 16.

Modyfikując skład elektrolitów, udało się znacznie poprawić wypełnianie otworów przelotowych (około. 85 µm średnica otworu wiertniczego / około. 110 µm głębokość odwiertu). Wszystkie cztery osady pokazane na rysunku 16 zostały przeprowadzone przy użyciu prądu stałego o tym samym czasie osadzania i gęstości prądu. Dodatkowo, tylko jeden elektrolit został osadzony przez cały okres osadzania, to znaczy. podczas osadzania nie nastąpiła zmiana elektrolitu.

Z rosnącym współczynnikiem proporcji, to znaczy. zmniejszająca się średnica odwiertu i / lub zwiększenie głębokości odwiertu, transport masy, a co za tym idzie późniejsze dostarczanie jonów miedzi jest utrudnione. W rezultacie, bezawaryjne wypełnianie otworów przelotowych bez wtrąceń elektrolitu staje się coraz trudniejsze. Postać 17 pokazuje dwa wyniki wypełniania niepreamplifikowanych otworów przelotowych (około. 50 µm średnica otworu wiertniczego / około. 160 µm głębokość odwiertu).

Elektrolit zamknięty w wadzie (Figa. 17za) rozszerza się, gdy płytka drukowana HDI jest podgrzewana i dlatego może już prowadzić do pęknięcia w tym połączeniu podczas lutowania elementów lub gdy temperatura jest następnie podwyższana, co może prowadzić do awarii systemu. Głównym celem bieżących prac rozwojowych jest:, w związku z tym, niezawodne, bezawaryjne wypełnianie otworów przelotowych o różnych proporcjach.

6 Niewniosek

Ze względu na ich wysoką gęstość integracji, Płytki drukowane HDI umożliwiają niezawodne rozdzielenie dużej gęstości połączeń tych mikroprocesorów na najmniejszej przestrzeni.

Poprzez wypełnienie ślepych mikroprzelotek elektrolitycznie osadzoną miedzią, gęstość integracji płytek obwodów drukowanych HDI można dodatkowo zwiększyć. Nowo opracowany elektrolit Slotocoup SF 30, który jest obecnie testowany na Tajwanie w warunkach produkcyjnych, umożliwia bezusterkowe wypełnienie o małej grubości warstwy miedzi. Prowadzi to do dalszego wzrostu gęstości integracji i większego zasobu, energetyczna i efektywna kosztowo produkcja płytek drukowanych HDI. Pierwsza instalacja u klienta planowana jest na II kwartał 2014.

Gęstość integracji można jeszcze bardziej zwiększyć za pomocą tak zwanych struktur bezrdzeniowych, które składają się z bardzo cienkich materiałów rdzeniowych. Wyniki dotychczasowych prac rozwojowych pokazują, że osadzanie miedzi prądem stałym umożliwia w zasadzie wypełnienie otworów przelotowych w tych rdzeniach. Ponieważ wynik wypełnienia, a tym samym jakość połączenia, zależy od proporcji otworów przelotowych, realizacja niezawodnego, bezawaryjnego wypełnienia o różnych proporcjach jest obecnie na pierwszym planie prac rozwojowych.