HDI-Qualität und Akzeptanzanforderungen

Die sehr kleine Größe von Mikrovias macht es schwierig, Kriterien für deren Akzeptanz zu definieren. Die meisten Qualitäts- und Akzeptanzanforderungen für HDI sind immer noch von OEM definiert. Das IPC hat IPC-6016 als Teil des IPC-6012, die allgemeinen QUALIFIKATIONS- UND LEISTUNGSSPEZIFIKATIONEN (6010 SERIE). Diese Spezifikationen decken nur die Aufbau-HDI-Schichten ab und nicht den Kern, der durch eigene IPC-Spezifikationen abgedeckt ist.

IPC-6016 Qualifikations- und Leistungsspezifikation für High-Density-Interconnect (HDI)-Strukturen

IPC-6016: Dieses Dokument enthält die allgemeinen Spezifikationen für hochdichte Substrate, die nicht bereits durch andere IPC-Dokumente abgedeckt sind, wie IPC-6011, die allgemeinen PWB-Qualifikations- und Leistungsspezifikationen. Die Akzeptanzkriterien der HDI-Schichten sind in Slash-Sheet-Kategorien organisiert:

A. Chipträger

B. Handheld

C. Hochleistung

High-Speed PCB Design

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D. Raue Umgebungen

E. Tragbar

Die Akzeptanzanforderungen sind in diese 12 spezifischen Spezifikationen unterteilt:

• Abschnitt 3.1: Allgemeines
• Abschnitt 3.2: Materialien
• Abschnitt 3.3: Visuelle Prüfung
• Abschnitt 3.4: Maßanforderungen
• Abschnitt 3.5: Leiterdefinition
• Abschnitt 3.6: Strukturelle Integrität
• Abschnitt 3.7: Weitere Tests
• Abschnitt 3.8: Lötstopplack
• Abschnitt 3.9: Elektrische Eigenschaften
• Abschnitt 3.10: Umweltanforderungen
• Abschnitt 3.11: Spezielle Anforderungen
• Abschnitt 3.12: Reparatur

Qualitätskontrolle

Microvias sind nahezu unmöglich visuell zu inspizieren und extrem schwierig im Querschnitt zu betrachten. Dies erfordert einen indirekteren Ansatz zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Herstellung. Korrekt hergestellte Microvias, wie in Abbildung 1 a-d zu sehen, können von defekten Microvias, wie in Abbildung 2a-d dargestellt, unterschieden werden. Es ist am einfachsten, diese Vias im Querschnitt zu betrachten, wenn sie in einem „Testcoupon“ verwendet werden, wie das IPC-PCQRR-Programm. Diese Coupons sind die gleichen wie die, die in IPC-9151 verwendet werden und korrelieren mit einer statistisch gemessenen Widerstandskette der Vias und beschleunigten thermischen Zyklustests (HATS). [1] Die Kriterien für die Qualität der Microvia-Produktion sind nicht mehr als 50 defekte Microvias pro Million Microvias und eine Kovarianz der Standardabweichungen der Daisy-Chain-Kelvin-Widerstandscoupons von 5%.

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ABBILDUNG 1. Beispiel für gut hergestellte blinde und vergrabene Vias; a. 8-Lagen blinde-vergrabene Vias; b. 6-Lagen blinde-vergrabene Vias; c. Übersprungene blinde Via von L-1 zu L-2 & L-3; d. Korrekt mit Lötstopplack gefüllte blinde Via.  

ABBILDUNG 2. Falsch geformte blinde Vias, die abgelehnt werden sollten.

Qualität des Laserbohrens

Die Qualität des Laserbohrens von Mikrovias veranschaulicht die Art der Ausfallmodi bei Mikrovias. Abbildung 3 zeigt die sieben Hauptqualitätskriterien für Laser-Mikrovias, zusammen mit den Qualitätskriterienspezifikationen, Messmethoden, Stichprobengröße und Kontrollgrenze.

ABBILDUNG 3. Die sieben Hauptqualitätskriterien für lasergebohrte Mikrovias

Layer Stackup Design

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Lieferantenqualifikation

Die Auswahl eines HDI-Herstellers kann sehr herausfordernd sein. Eine Möglichkeit, die HDI-Fähigkeiten von PCB-Herstellern zu entdecken, ist das neue IPC-9151 Capabilities Benchmarking Panel. Dieses standardisierte Mehrlagenpanel ist in Abbildung 4 zu sehen. Es wird in 2-, 4-, 6-, 10-, 12-, 18-, 24- und 36-Lagen-Strukturen mit hohen und niedrigen Dichtedesignregeln, 5 Dicken (für PCB und Backplanes) und in einer großen Panelgröße von 18” x 24” mit verschiedenen Leiterbahnen und Abständen sowie Via-Strukturen von blind und vergraben angeboten. Das IPC-Komitee plant weitere neue Benchmarking-Panels für Substrate.

Die blinden Vias sind optional, liefern jedoch bedeutende Daten über die HDI-Fähigkeiten des Herstellers. Details, Artwork und ein Beispielbericht sind auf der IPC 9151 Website verfügbar.

ABBILDUNG 4. Ein typisches PCQR2-Panel aus dem IPC-Programm

Andere Optionen umfassen die Herstellung von Produktionsplatinen und deren Testung. Obwohl diese Methode bequem ist, führt sie meist zu statistisch nicht signifikanten Ergebnissen, das heißt; es werden zu wenige Proben bewertet, um eine statistisch signifikante Interpretation zu ermöglichen. Die gemessene Leistung könnte das Ergebnis der Handauswahl der Proben sein und nicht statistisch genau eine Reihe von Fähigkeiten abdecken.

Testfahrzeuge werden oft für die Qualifikation verwendet und dies kann sehr genau sein. Dies ist auch der Weg, wie Zuverlässigkeit festgestellt werden kann. Spätere Abschnitte werden Testfahrzeuge und Zuverlässigkeitstestergebnisse diskutieren

Qualifikationscoupons

Die besten Werkzeuge, die ich dafür kenne, sind die vielen verfügbaren parametrischen Analyse- und Charakterisierungscoupons. Diese sind Teil des Qualitätsbewertungsprozesses. Diese Prozesse umfassen Zuverlässigkeitsbewertungen, Endproduktbewertungen, Bewertungen von Produkten im Arbeitsprozess und Bewertungen von Prozessparametern. Hier sind fünf Coupon-Systeme, vier davon in Abbildung 5 zu sehen:

• IPC-2221 Anhang A, D-Coupon
• Conductor Analysis Technology (CAT^™)
• Printed Circuit Quality and Relative Reliability (PCQR2) (Abbildung 4)
• Highly Accelerated Thermal Shock (HATS^™)
• Interconnect Stress Test (IST^™)

ABBILDUNG 5. Vier der fünf Qualifikationstest-Coupon-Systeme; a. IPC D-Coupon; b. CATs Coupons für Panels; c. CATs verschiedene HATS-Test-Coupons; d. Interconnect Stress Test (IST) Coupon.

Beschleunigte Zuverlässigkeitstest-Coupons

Drei Coupon-Methoden werden typischerweise in Zuverlässigkeitstestfahrzeugen verwendet:

• Beschleunigtes Thermisches Zyklieren (ATC)
• Hochgradig Beschleunigter Thermischer Schock (HATS)
• Interconnect Stress Test (IST)

Thermisches Zykliertesten

Beschleunigte Zuverlässigkeitstests mit Test-Coupons sind etwa so alt wie PCBs. Das Prinzip besteht darin, eine große Anzahl von Löchern auf kleinem Raum zu konzentrieren und sie in einer Kette zu verbinden, daher der Name „Daisy-Chain“. Das in Abbildung 6 dargestellte Testboard ist typisch für ein HDI Daisy-Chain-Testfahrzeug. Dieses Board enthält eine Reihe verschiedener Teststrukturen für verschiedene Testkriterien. Der größte Teil des Raums wird von den HDI Blind-Via Daisy-Chains (BLOCK A, B, C, E und F) und der TH Daisy Chain (BLOCK D) eingenommen. Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der Testblöcke und ihrer Kriterien für die Qualifikation. Abbildung 7 ist typisch für die Qualifikation von technologieintensiven Produkten höherer Stückzahl wie Notebook-Computern und Netzwerkkarten.

ABBILDUNG 6. Typisches HDI-Qualifikations-/Zuverlässigkeitstestfahrzeug.

Viele Coupon-Systeme werden für Zuverlässigkeitstests verwendet. Diese werden in Testfahrzeuge integriert, die dann hergestellt und verschiedenen Konditionierungen und Belastungen unterzogen und anschließend auf ihre Leistung hin bewertet werden. Die IPC hat eine neue Generation von Testcoupons bereitgestellt, die „D-Coupons“ aus Anhang A im IPC-2221-Standard. Die Testkriterien für den 4-Draht-Kelvin-Widerstandstest sind in IPC-TM-650, Methode 2.6.27A, angegeben. Der Thermoschock erfolgt gemäß IPC-TM-650, Methode 2.6.7.2.

Diese Tests werden durchgeführt, nachdem die Coupons mindestens 6 Mal durch einen SMT-Konvektionsreflow-Lötbackofen bei einem von zwei verschiedenen Reflow-Profilen (230OC oder 260OC) ohne jegliche gemessene hohe Widerstände oder offene Verbindungen geleitet wurden.

TABELLE 1. Testkriterien für HDI-Testfahrzeug.

ABBILDUNG 7. Typisches Industrie-Testfahrzeug für Computer- und Telekommunikationsprodukte mit höherer Zuverlässigkeit.