Lernen Sie die Herstellungsprozesse von Mikrovias und HDI-Substraten kennen

Erste HDI-Herstellung

Hochdichte Interconnect-Druckplatinen begannen tatsächlich im Jahr 1980, als Forscher begannen, Wege zu untersuchen, um die Größe von Vias zu reduzieren. Der erste Innovator ist nicht bekannt, aber einige der frühesten Pioniere umfassen Larry Burgess von MicroPak Laboratories (Entwickler von LaserVia), Dr. Charles Bauer bei Tektronix (der photodielektrische Vias herstellte), [1] und Dr. Walter Schmidt bei Contraves (der plasma-geätzte Vias entwickelte).

Die erste Produktionsaufbau- oder sequenzielle gedruckte Platinen erschienen 1984, beginnend mit den von Hewlett-Packard laser-gebohrten FINSTRATE-Computerplatinen, gefolgt 1991 in Japan mit Surface Laminar Circuits (SLC) [2] von IBM-YASU und in der Schweiz mit DYCOstrate [3] von Dyconex. Abbildung 1 zeigt eine dieser ersten Hewlett Packard FINSTRATE-Platinen, auf dem Cover des Hewlett-Packard Journals (1983).

HP Finstrate Laser-Via

HP beabsichtigte nicht, laser-gebohrte Mikrovias zu entwickeln. Sie waren das Ergebnis des Reverse-Engineerings ihres neuen 32-Bit-Mikrocomputerchips. Sie nannten ihn den „FOCUS“-Chip, einen 32-Bit-Mikroprozessor, entwickelt in NMOS-III, der das Merkmal aufweist, sehr stromhungrig zu sein. Eine der frühen Überraschungen mit diesem neuen Mikroprozessor war, dass er nicht in der Lage war, die Induktivität einer standardmäßigen 0,3 mm Durchmesser durchkontaktierten Via in einer 1,6 mm dicken Platine zu treiben. Er konnte nur 20-30 nHenry Induktivität treiben, oder eine blinde Via von 0,125mm. Die zweite Überraschung war, dass er nicht die Energie hatte, die normalen Verluste von FR-4 (Dj=0.020) zu treiben, daher wurde reines Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Die Kühlungsanforderung des ICs erforderte eine Platine mit Metallkern, sehr kleinen blinden Vias und einem sehr verlustarmen Dielektrikum. Die daraus resultierende Platine war eine Kupferkern-, Aufbautechnologie, die direkt drahtgebundene integrierte Schaltkreise (ICs) hatte.

ABBILDUNG 1. Die erste Mikrovias-Leiterplatte in allgemeiner Produktion. Hewlett Packards FINSTRATE wurde 1984 in Produktion genommen. Es handelte sich um eine Kupferkern-Aufbautechnologie mit reinem PTFE als Dielektrikum, das direkt mit Draht gebondete integrierte Schaltkreise (ICs) hatte.

IBM SLC Photo-via

Seit der Einführung der SLC-Technologie von IBM im Jahr 1991 wurden viele Varianten von Methoden zur Massenproduktion von HDI-Verdrahtungsplatinen entwickelt und implementiert. Gemessen an der produzierten Menge ist die Laserbohrtechnologie die führende Methode. Andere Methoden werden immer noch von einer Reihe von PWB-Herstellern verwendet, aber in viel kleinerem Maßstab.

Dennoch wird ein größerer Schwerpunkt auf den Laserbohrprozess (im Folgenden Laser-Via) gelegt, da es der heute beliebteste Prozess ist und es scheint, dass seine Beliebtheit in Zukunft wachsen wird. Es muss verstanden werden, dass die Bildung von Via-Löchern nur ein Element der Herstellung von HDI-Verdrahtungsplatinen ist. Die Herstellung von HDI-Verdrahtungsplatinen mit Mikrovia-Löchern umfasst viele Prozesse, die nicht zur konventionellen Platinenherstellung gehören.

HDI-Herstellungsgrundlagen

Abbildung 2 zeigt die Aufschlüsselung des Herstellungsprozesses von Sequential Build-Up Technologies (SBU) oder High Density Interconnects. Die drei grundlegenden Elemente sind:

• Dielektrikum-Format,
• Via-Formation,
• Metallisierungsmethoden

ABBILDUNG 2. Die sequenzielle Aufbautechnologie (HDI) weist drei Hauptmerkmale auf: Dielektrisches Format, Via-Formation und Metallisierungsmethoden (Mit freundlicher Genehmigung von DuPont).

Der Herstellungsprozess für jede Mikrovia-Technologie beginnt mit einem Basiskern, der eine einfache zweiseitige Platine sein kann, die Strom- und Masseebenen trägt, oder eine Mehrlagenplatine, die zusätzlich zu Strom- und Masseebenen einige Signalmuster trägt. Der Kern hat üblicherweise durchkontaktierte Bohrungen (PTHs). Diese PTHs werden zu BVHs. Ein solcher Kern wird oft als aktiver Kern bezeichnet.

Dielektrika und Isolatoren

Eine Übersicht über die dielektrischen und angewandten leitfähigen Materialien, die in der Mikrovia-Herstellung verwendet werden, sind im IPC-4104A-Standard abgedeckt. Einige dieser Dielektrika können sowohl in der Chipverpackung als auch in PWB-HDI-Anwendungen verwendet werden. Querverweise werden zu den relevanten Materialspezifikationen der IPC/JPCA-4104-Spezifikation für HDI- und Mikrovia-Materialien gemacht

Die Materialauswahl muss diese Fragen beantworten:

• Wird das Dielektrikum eine Chemie verwenden, die mit der derzeit vom Kernsubstratmaterial verwendeten Chemie kompatibel ist?
• Wird das Dielektrikum eine akzeptable Haftung der Kupferbeschichtung aufweisen? (Viele Hersteller von Originalausrüstungen [OEMs] wünschen sich >6 lb./in. [1,08 kgm/cm] pro 1 oz. [35,6 µm] Kupfer.)
• Wird das Dielektrikum einen angemessenen und zuverlässigen dielektrischen Abstand zwischen den Metallschichten bieten?
• Wird es den thermischen Anforderungen gerecht?
• Wird das Dielektrikum einen wünschenswerten „hohen“ Tg für Drahtbonden und Nacharbeit bieten?
• Wird es einem thermischen Schock mit mehreren SBU-Schichten standhalten (d. h. Lötschwimmen, beschleunigte thermische Zyklen, mehrfaches Reflow)?
• Wird es plattierbare, zuverlässige Mikrovias haben (das heißt, wird es Spielraum bieten, um eine gute Beschichtung am Boden des Vias zu gewährleisten)?

Es gibt neun verschiedene allgemeine dielektrische Materialien, die in HDI-Substraten verwendet werden. IPC-Slash-Blätter wie IPC-4101B und IPC-4104A decken viele davon ab, aber viele sind noch nicht durch IPC-Standards spezifiziert. Die Materialien sind:

• Lichtempfindliche flüssige Dielektrika
• Lichtempfindliche Trockenfilm-Dielektrika
• Polyimid-Flexfolie
• Thermisch gehärtete Trockenfilme
• Thermisch gehärtetes flüssiges Dielektrikum
• Harzbeschichtetes Kupferfolie (RCC), zweilagig und verstärkt
• Konventionelle FR-4-Kerne und Prepregs
• Neue „Spread-Glass“ laserbohrbare (LD) Prepregs
• Thermoplaste

Verbindungs-Via-Formation

Dieser Abschnitt behandelt Prozesse, die verschiedene Techniken zur Bildung von Durchkontaktierungsbohrungen verwenden. Das Bohren von Durchkontaktierungen ist unter 0,20 mm (0,008 Zoll) möglich, aber Kosten und Praktikabilität sprechen dagegen. Unter 0,20 mm (0,008 Zoll) sind Laser- und andere Via-Bildungsprozesse kosteneffektiver. Es gibt viele verschiedene Methoden zur Bildung der IVHs, die in HDI-Prozessen verwendet werden. Das Laserbohren ist am prominentesten. Diese verschiedenen Methoden der Via-Bildung haben einige Grenzen bezüglich der minimalen Größe der Vias, die sie bilden können, sowie signifikante Unterschiede in der Geschwindigkeit der Via-Bildung.

ABBILDUNG 3. Das mechanische Bohren der kleinen Vias entweder durch kontrollierte Tiefe, Abbildung 3a, oder sequentielle Laminierung, Abbildung 3b, ist, wie HDI in der Serienproduktion begann.

Mechanisches Bohren

Die älteste Technik zur Erstellung von Blind- und Buried-Vias ist das mechanische Bohren und die sequenzielle Laminierung, wie in Abbildung 3a und 3b dargestellt. Fortschritte wurden sowohl in der Herstellung kleiner Bohrer als auch im Hochgeschwindigkeitsmechanikbohren gemacht, um diese Technik unter bestimmten Umständen anzuwenden.

 

ABBILDUNG 4. Das Erstellen des Blind-Vias in einem PWB-Panel erfolgt normalerweise mit Lasertechnologie, aber auch ‘Massen-Via-Verfahren’ wie chemisches Ätzen, Plasma oder Photodielektrika wurden verwendet.

Laser-Via-Technologie

Die Laser-Via-Verarbeitung ist bei weitem der beliebteste Prozess zur Bildung von Mikrovias. Es ist jedoch nicht der schnellste Via-Bildungsprozess. Das chemische Ätzen von kleinen Vias ist das schnellste, mit einer geschätzten Rate von 8.000 bis 12.000 Vias pro Sekunde. Dies gilt auch für die Plasma-Via-Bildung und die Photovia-Bildung (Abbildung 4). Dies sind alles Massen-Via-Bildungsprozesse. Das Laserbohren ist eine der ältesten Techniken zur Erzeugung von Mikrovias. [1] Die Wellenlängen für Laserenergie liegen im Infrarot- und Ultraviolett-Bereich. Das Laserbohren erfordert die Programmierung der Strahlfluenzgröße und -energie. Strahlen mit hoher Fluenz können Metall und Glas schneiden, während Strahlen mit niedriger Fluenz organische Materialien sauber entfernen, aber Metalle unbeschädigt lassen. Eine Strahlpunktgröße von bis zu etwa 20 Mikron (<1 mil) wird für Strahlen mit hoher Fluenz verwendet und etwa 100 Mikron (4 mil) bis 350 Mikron (14 mil) für Strahlen mit niedriger Fluenz. [2] [3]

Die meisten Laserprozesse nutzen entweder CO2- oder UV-Laser, da diese am leichtesten verfügbar und wirtschaftlich sind. Bei der Verwendung eines CO2-Lasers zur Herstellung von Vias in Epoxid-Laminaten muss das Kupfer über dem zu ablatierenden Bereich entfernt werden (siehe Abbildung 5). Der CO2-Laser wird hauptsächlich für Laminate verwendet, die nicht durch Glas unterstützt werden. Dazu gehören nicht unterstützte Laminate wie flexibles Polyimid und mit Harz beschichtetes Kupfer (RCC^®)-Folie sowie mit alternativen Materialien verstärkte Laminate, wie Aramidfasern. Die modifizierten TEA CO2 (Transversely Excited Atmospheric) Laser sind speziell dafür entwickelt, durch Glasfasern mit einer Wellenlänge von 9.000 nm und höherer Spitzenleistung zu lasern.

Jedoch gibt es viele Variationen. Zum Bohren von Mikrovialöchern gibt es fünf Lasersysteme: UV/Eximer, UV/Yag-Laser, CO2-Laser, Yag/CO2 und CO2/TCO2-Kombinationen. Es gibt auch viele dielektrische Materialien: RCC, nur Harz (Trockenfilm oder flüssiges Harz) und verstärktes Prepreg. Daher wird die Anzahl der Möglichkeiten, Mikrovialöcher mit Lasersystemen zu erstellen, durch die Permutation von fünf Lasersystemen und diesen dielektrischen Materialien bestimmt, wie in Abbildung 5 zu sehen ist.

ABBILDUNG 5. Die drei Hauptprozesse der Laser-Blind-Via-Ablation; c. Öffnen des Fensters in Kupferfolie mit UV oder speziellen Behandlungen mit CO2-Lasern; d. Ätzen eines Fensters in der Kupferfolie und dann Lasern der Dielektrika; e. Eximer-Lasern des Vias in Materialien und anschließendes Metallisieren des Dielektrikums mit Sputtern oder stromlosem Kupfer mSAP.

Hochleistungslaser (z. B. Ultraviolett-UV) können Glas und Kupfer entfernen und können daher mit konventionellen Laminaten verwendet werden, sind aber typischerweise langsamer beim Durchdringen von Kupfer und Glasfasern. Es gibt mehrere Faktoren, die bei der Laser-Via-Bearbeitung zu berücksichtigen sind: Positionsgenauigkeit der gelaserten Löcher (Mikrovialöcher), ungleichmäßige Durchmesser der Löcher und Maßänderung des Panels nach dem Aushärten des Dielektrikums, Maßänderung des Panels aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, Ausrichtungsgenauigkeit der Foto-Belichtungsmaschine, instabile Natur der Negativvorlagen und so weiter. Diese sollten sorgfältig überwacht werden und sind wichtig für alle Mikrovialoch-Prozesse.

Metallisierungsmethode

Der letzte Prozess ist die Metallisierung der Vias. Es gibt vier verschiedene Methoden der Metallisierung der IVHs, die in HDI-Prozessen verwendet werden. Die Methoden sind: 

• Konventionelles stromloses und galvanisches Kupfer
• Konventionelles leitfähiges Graphit oder andere Polymere
• Vollständig und halb-additives stromloses Kupfer
• Leitfähige Pasten oder Tinten (Abb. 6f und 6g)

Der Laser ist die am meisten verwendete Methode zur Herstellung von Mikrovias, die mit einer leitfähigen Paste gefüllt werden sollen. Laser sind in der Lage, dielektrisches Material abzutragen und zu stoppen, wenn sie auf die Kupferschaltungen treffen, daher sind sie ideal geeignet für die Erstellung von tiefenkontrollierten Blindvias. Abbildung 6 zeigt diese beiden wichtigen Mikrovia-Prozesse.

ABBILDUNG 6. Zwei der beliebtesten asiatischen Verfahren zur Metallisierung von Mikro-Via-Löchern mit leitfähigen Polymeren; f. Der BBiT-Prozess siebt eine leitfähige Silberpaste auf Kupferfolie und laminiert sie in den zweiseitigen Kern; g. Verschiedene leitfähige Pasten werden in laser-gebohrte Löcher im B-Stadium-Dielektrikum gesiebt und dann mit Kupferfolie in den Kern laminiert.

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