Zuverlässigkeit von Microvias in Designs mit Ultra-High Density Strukturen

Judy Warner: Anfang dieses Jahres hatten wir die Gelegenheit, uns auf der IPC Apex in Kalifornien zu treffen. Bei unserer Konversation haben Sie über das allgegenwärtige Problem der Zuverlässigkeit von Microvias gesprochen. Könnten Sie das Problem unseren Lesern beschreiben? 

Jim Brown: Judy, die steigende Nachfrage nach Technologie hat sich auch auf die Leiterplattendichte ausgewirkt. Das Ergebnis sind Ultra-HDI-Leiterplatten, gestapelte Microvias und Leitungen unter 75 Mikron. Microvias werden seit mehr als einem Jahrzehnt verwendet, sind jedoch in der Regel einstufig. Mit der zunehmenden Notwendigkeit, den Routing-Bereich zu verbessern, wurden den Werkzeugen der Designer gestapelte Microvias hinzugefügt. Die aktuellen gestapelten Mikrovias sind bei erhöhten Temperaturen (Reflow) anfälliger für eine Erweiterung der „Z“-Achse und das Ergebnis ist eine fehlgeschlagene Verbindung am Ziel-Pad. Entweder zwischen dem Pad und E-Less, E-Less zu Belichtung (Flash) oder elektrolytischem Kupfer. An diesen drei Schnittstellen treten die Fehler auf. Das Beunruhigende daran ist, dass die Trennung bei hohen Temperaturen erfolgt. Wenn die Struktur jedoch abkühlt, scheint sich der Fehler durch eine mechanische Neuverbindung selbst zu „heilen“. Das Ergebnis ist ein potenzieller latenter Defekt, der zu einem Feldausfall führen könnte.

Warner: Seit wann hat sich dieses Problem auf die Branche ausgewirkt und warum trat es scheinbar aus dem Nichts auf? 

Brown: Gute Frage. Dieses Problem wurde ungefähr 2008 öffentlich bekannt. Allerdings setzte niemand gestapelte Mikrovias in großem Umfang ein, und die, welche es taten, wandten strenge Überprüfungsverfahren an. Es kam anscheinend „aus dem Nichts“, weil Technologien mittlerweile weit verbreitet Ultra-HDI einsetzen, die für die meisten Designs der nächsten Generation erforderlich sind. 

Warner: Wie weit verbreitet ist das Problem und was müssen Entwickler über dieses Problem wissen, um Leiterplattenfehler zu vermeiden? 

Brown: Eine weitere gute Frage! Das Ausmaß der Verbreitung ist illusorisch. Wie können Sie die Fehlerrate erkennen, wenn die meisten Fehler latente Fehler sind? Entwickler müssen ihre Lieferanten sorgfältig prüfen um sicherzustellen, dass sie die Fehlerursache vollständig verstehen und über Prozesse und Verfahren verfügen, um diese zu mindern. Dann kommt es vor allem auf das Testen an. Bei GreenSource Fabrication verlassen wir uns auf CAT-OM-Tests, um die Zuverlässigkeit von Microvia zu prüfen. Wir testen routinemäßig die Ultra-HDI-Technologie und sammeln Daten für die kontinuierliche Verbesserung (6σ). Einige Hersteller verwenden IST, aber wir glauben, dass OM-Tests besser geeignet sind, die thermische Auswirkung auf die Struktur während des Reflow zu simulieren. OM-Tests überwachen auch den Widerstand während des gesamten Wärmezyklus. Eine weitere Methode ist, den Widerstand vor und nach dem Vorgang zu prüfen. Wenn sich der Fehler nach Rückkehr zur Umgebungstemperatur von selbst „verbessert“, werden Sie ihn nie erkennen. Jerry Magera von Motorola Solutions verfügt über Daten, die zeigen, dass der Fehler in der Regel etwa bei 210 °C bis 220 °C auftritt und sich um etwa 180 °C „verbessert“. Mit anderen Worten, wenn Sie nicht den gesamten Temperaturzyklus überwachen, werden Sie ihn nie finden.

Warner: Wie geht IPC mit diesem Problem um und was wurde in den letzten paar Jahren entdeckt, um die Branche einer Lösung näher zu bringen? 

Brown: IPC verfügt über eine Arbeitsgruppe (IPC V-TSL-MVIA Weak Interface Microvia Failures Technology Solutions Subcommittee), die zielstrebig daran arbeitet, die Methoden des Versagens (MoF; Methods of Failure) zu verstehen.

IPC veranstaltet auch einen High-Reliability Forum & MicroVia Summit, der seit über drei Jahren besteht und genau dieses Problem untersucht.  Hier ist der Link  zur diesjährigen Veranstaltung. Während die vorherigen Gipfeltreffen mehrtägige Präsenzveranstaltungen waren, ist der Gipfel in diesem Jahr aufgrund der aktuellen Gesundheitskrise ein virtuelles Treffen. 

Warner: GreenSource ist ein einzigartiger Leiterplattenhersteller, der fast vollständig automatisiert ist. Sie haben erwähnt, dass GreenSource als Antwort auf die Probleme mit der Zuverlässigkeit von Microvia entstanden ist. Würden Sie dies bitte erklären? 

Brown: GreenSource Fabrication wurde vor fast sechs Jahren als Captive-Shop der Whelen Engineering Company gegründet. Vor drei Jahren wurde beschlossen, den Fertigungsbetrieb als eigenständige Einheit auszulagern und Drittvertriebe anzubieten. Nachdem diese Entscheidung getroffen wurde, haben wir uns die Frage gestellt: „Was braucht Nordamerika?“ Diese Forschung führte uns zu dem Schluss, dass Nordamerika dringend einen Lieferanten für Ultra-HDI benötigt. Einen Zulieferer mit modernster Ausstattung, um das Niveau an Technologie und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, das Nordamerika seit Ende der 90er-Jahre fehlt. Von dort aus haben wir achtzehn Monate damit verbracht, mehr als 1,2 Millionen Meilen um die Welt zu fliegen, um erstklassige Lieferanten für Ausrüstung und Chemie auszuwählen. Da wir den Betrieb auf dem Whelen-Campus in New Hampshire einrichten wollten, erhielten wir vom Staat New Hampshire eine Einschränkung in Bezug auf die Abfallbehandlung. Infolgedessen entwickelten wir ein Recycling-/Aufarbeitungssystem, das uns zum einzigen echten „Green“-PCB-Fertigungsbetrieb auf der Welt macht.

Warner: Was würden Sie Entwicklern empfehlen, die mehr über dieses Problem und die neuesten Verfahren wissen möchten? 

Brown: Sprechen Sie mit Ihren Lieferanten, sprechen Sie mit anderen OEMs über ihre Erfahrungen und besuchen Sie die IPC Microvia Reliability Webseite. 

Warner: Vielen Dank, Jim, dass Sie Ihre Erkenntnisse und Ihre Aktivitäten bei GreenSource mit uns geteilt haben. Wir wünschen Ihnen und dem GreenSource-Team weiterhin viel Erfolg. 

Brown: Es war mir ein Vergnügen, Judy. Ich hoffe, dass diese Informationen der Community der Entwickler helfen werden. 

Hinweis: Erfahren Sie mehr über GreenSource The e-Smart Factory Comes to PCB Fabrication in diesem Artikel des Fachexperten Happy Holden.