Direktes Metallisierungsverfahren für die Herstellung von PCB-Vias

Zachariah Peterson
|  Erstellt: Juni 13, 2024  |  Aktualisiert am: November 4, 2024
Direktmetallisierungsverfahren für die Herstellung von PCB-Vias

Wenn Durchkontaktierungen und durchmetallisierte Bohrungen in einer Leiterplatte hergestellt werden, benötigen sie einen Metallabscheidungs- und Plattierungsprozess, um die erforderliche Kupferschicht an der Bohrungswand aufzubauen. Das Aufbauen der Metallschicht an einer Durchkontaktierungswand wird mit einem als Galvanisierung bekannten Verfahren durchgeführt, aber bevor dieser Prozess ausgeführt wird, ist ein primärer Metallisierungsprozess erforderlich, um eine Keimschicht für die weitere Abscheidung zu bilden. Es gibt primäre Metallisierungsprozesse, die den nachfolgenden galvanisch abgeschiedenen Kupferprozess unterstützen können: chemische Kupferabscheidung und Direktmetallisierung.

Die chemische Kupferabscheidung ist der standardmäßige, langjährige primäre Metallisierungsprozess, der in der gesamten Branche verwendet wird. Bei Designs mit geringer Dichte wird die chemische Kupferabscheidung umfassend genutzt und stellt, solange sie ordnungsgemäß kontrolliert wird, keine signifikanten Zuverlässigkeitsprobleme dar. Bei Leiterplatten mit hoher Dichte können Zuverlässigkeitsprobleme mit der chemischen Kupferbeschichtung aufgrund der kleinen Feature-Größen in Mikrovias deutlicher werden.

Da immer mehr Geräte weiter miniaturisiert werden, erwarten wir eine Zunahme der Kapazität für Direktmetallisierung, was den Bedarf an zuverlässiger Fertigung und Plattierungskapazität für UHDI-Designs adressieren wird. Dies geht einher mit dem erwarteten Wachstum der Nachfrage nach IC-Substraten und folgt dem aktuellen Trend der Rückverlagerung der Elektronikfertigungskapazität.

Übersicht über die primäre Metallisierung

Primäre Metallisierungsprozesse in der PCB-Herstellung werden nach dem Bohren und Entgraten durchgeführt, und der Prozess dient dazu, eine Saatschicht in einem gebohrten Loch zu bilden, das eine Beschichtung benötigt. Die Saatschicht bildet sich entlang der Lochwand, wie unten dargestellt, und diese Saatschicht bildet die Basis für die nachfolgende Galvanisierung.

Primäre Metallisierung und Durchkontaktierungsbildung mit Galvanisierung.

Nach der Abscheidung der Kupferschicht mit Galvanisierung bis zur endgültigen Lochwanddicke (1 mil in den meisten Designs), werden die äußere Schichtbeschichtung und die Lötstopplackierung aufgetragen, die dann die endgültige Beschichtungsschicht auf alle Durchkontaktierungen, die nicht abgedeckt werden, auftragen können. Sobald die Wände der Durchkontaktierungen beschichtet sind, könnte eine Mikrostrukturanalyse durchgeführt werden, um die abgeschiedene Kupferdicke in der Lochwand zu bewerten und die Beschichtungsuniformität entlang der Lochachse sicherzustellen.

Bei großen Durchmessern, einschließlich solcher mit großen Aspektverhältnissen, ist die resultierende Beschichtung im Allgemeinen von sehr hoher Qualität und als sehr zuverlässig bekannt. Wenn wir zu kleineren Größen übergehen, beginnt katalytisches Kupfer einige Zuverlässigkeitsprobleme zu zeigen, die den Einsatz strengerer Prozesskontrollen motivieren oder einen kompletten Wechsel zum Direktmetallisierungsprozess erfordern.

Katalytisches Kupfer

Chemisch Nickel ist der traditionelle primäre Metallisierungsprozess, der vor der Galvanisierung verwendet wird. Der Prozess scheidet eine dünne Kupferschicht aus einer Lösung mit einem Palladiumkatalysator direkt auf dem dielektrischen Material der Leiterplatte ab. Sobald die dünne Kupferschicht abgeschieden ist, wird das galvanisierte Kupfer darauf abgeschieden, bis die endgültige Kupferplattendicke erreicht ist. Der Prozess beinhaltet eine Reduktionsreaktion von Kupferionen unter Verwendung von Formaldehyd in Gegenwart eines Palladiumkatalysators.

2HCHO + 2OH → 3H2 (g) + 2CO2 + 2e-

Cu2+ + 2e- → Cu (Metall).

Die Abscheidung eines Kupferfilms auf einen anderen Kupferfilm bringt das Potenzial für mehrere Zuverlässigkeitsherausforderungen mit sich, insbesondere bei dem galvanisierten Kupfer an der Lochwand. Während der Galvanisierung kann das abgeschiedene Kupfer im Vergleich zum chemisch abgeschiedenen Kupfer unterschiedliche Füllfaktoren, Kornstrukturen und Gleichmäßigkeit aufweisen. Dies führt zu einer geringeren mechanischen Festigkeit im Vergleich zu einem vollständigen Kupferfilm mit einheitlicher Kornstruktur. Die Schnittstelle zwischen den beiden Kupferfilmen kann im folgenden SEM-Bildbeispiel gesehen werden.

Quelle: Cobley, Andrew J., Bahaa Abbas und Azad Hussain. "Verbesserte elektrolose Kupferbeschichtung bei niedrigen Katalysatorkonzentrationen und reduzierten Plattierungstemperaturen ermöglicht durch Niederfrequenz-Ultraschall." International Journal of Electrochemical Science 9, Nr. 12 (2014): 7795-7804.

Da der Prozess eine Reaktion mit einer Säure beinhaltet, wird Wasserstoffgas als eines der Reaktionsprodukte gebildet. Da es sich um einen dynamischen Flüssigkeitsbadprozess handelt, muss das Wasserstoffgas aus dem Plattierungsbereich entweichen, um sicherzustellen, dass die elektrolose Kupferschicht gleichmäßig ist. Dies ist bei größeren Lochdurchmessern weniger ein Problem, aber die Plattierung in kleineren Lochdurchmessern kann eingeschlossenes Wasserstoffgas erfahren, welches die elektrolose Kupferschicht beeinträchtigen kann.

Direktmetallisierung

Der Prozess eliminiert drei der Hauptquellen für Zuverlässigkeitsprobleme bei der Via-Lochwandplattierung. Diese sind:

  • Eliminierung von Wasserstoff als Reaktionsprodukt
  • Eliminierung der Schnittstelle zwischen elektrolosem und elektroplattiertem Kupferfilm
  • Stabilisierung des Plattierungsbades, die eine Auszeit ohne Nachfüllung ermöglicht

Durch die Eliminierung des Wasserstoffgasprodukts und der Kupfer-Kupfer-Filmschnittstelle neigen durch direkte Metallisierung gebildete Filme zu höherer Gleichmäßigkeit und höherer mechanischer Festigkeit. Darüber hinaus kann dieser Prozess, da er auch ein chemisches Bad beinhaltet, mit größeren durchkontaktierten Löchern verwendet werden; er ist nicht ausschließlich auf die Mikrovienbildung beschränkt.

Derzeit befindet sich ein Großteil der Kapazitäten für direkte Metallisierung bei großen multinationalen Herstellern, was bedeutet, dass diese Technologie hauptsächlich in Asien oder bei fortschrittlichen Prototyping-Unternehmen zu finden ist. Da erwartet wird, dass mehr Kapazitäten verfügbar werden, wird dies die Bandbreite der Standorte erweitern, an denen Unternehmen produzieren können.

Müssen Ihre PCB-Designregeln geändert werden?

Die Antwort hier ist ein klares „Nein“, die PCB-Designregeln für das Vialayout ändern sich nicht, wenn direkte Metallisierung für die Vialbildung verwendet werden soll. Dies gilt im HDI-PCB-Design, wo Mikrovias verwendet werden, und bei traditionellen Durchkontaktierungsdesigns, wo die Lochdurchmesser größer sind. Wenn jedoch die direkte Metallisierung als gewünschter Herstellungsprozess in Betracht gezogen wird, sollten Sie Ihre Fertigungsstätte kontaktieren, um nach deren Verarbeitungskapazitäten zu fragen. Sie können auch die Verwendung der direkten Metallisierung als bevorzugten Prozess in Ihren PCB-Fertigungsnotizen angeben.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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