Conozca los Procesos de Fabricación de Microvías y los Sustratos HDI

Fabricación Inicial de HDI

Los circuitos impresos de Interconexión de Alta Densidad realmente comenzaron en 1980, cuando los investigadores empezaron a investigar maneras de reducir el tamaño de los vias. El primer innovador no es conocido, pero algunos de los pioneros más tempranos incluyen a Larry Burgess de MicroPak Laboratories (desarrollador de LaserVia), el Dr. Charles Bauer en Tektronix (quien produjo vias fotodieléctricos), [1] y el Dr. Walter Schmidt en Contraves (quien desarrolló vias grabados por plasma).

La primera construcción en serie o tableros impresos secuenciales aparecieron en 1984, comenzando con los tableros de computadora FINSTRATE perforados por láser de Hewlett-Packard, seguidos en 1991 en Japón con Circuitos Laminar Superficiales (SLC) [2] por IBM-YASU y en Suiza con DYCOstrate [3] por Dyconex. La Figura 1 muestra uno de esos primeros tableros FINSTRATE de Hewlett Packard, en la portada del Journal de Hewlett-Packard (1983).

HP Finstrate Laser-Via

HP no tenía la intención de desarrollar microvías perforadas con láser. Fueron el resultado de la ingeniería inversa de su nuevo chip de microcomputadora de 32 bits. Lo llamaron el chip “FOCUS”, un microprocesador de 32 bits desarrollado en NMOS-III, que tiene la característica de ser muy ávido de corriente. Una de las primeras sorpresas con este nuevo microprocesador fue que no podía manejar la inductancia de un vía pasante estándar de 0.3 mm de diámetro en una placa de 1.6 mm de espesor. Solo podía manejar 20-30 nHenrys de inductancia, o una vía ciega de 0,125mm. La segunda sorpresa fue que no tenía la energía para manejar las pérdidas normales de FR-4 (Dj=0.020), por lo que se utilizó politetrafluoroetileno (PTFE) puro. El requisito de enfriamiento del IC necesitaba una placa con núcleo de metal con microvías ciegas muy pequeñas y un dieléctrico de muy bajas pérdidas. La placa resultante creada era de núcleo de cobre, con tecnología de construcción acumulativa que tenía circuitos integrados (ICs) unidos directamente con alambre.

FIGURA 1. La primera PCB con microvía en producción general. La FINSTRATE de Hewlett Packard se puso en producción en 1984. Era una tecnología de construcción sobre núcleo de cobre, con PTFE puro como dieléctrico que tenía circuitos integrados (ICs) unidos directamente por cable.

Foto-vía de IBM SLC

Desde la introducción de la tecnología SLC de IBM en 1991, se han desarrollado e implementado muchas variaciones de métodos para la producción en masa de placas de cableado HDI, siendo la tecnología de perforación láser la elegida en términos de volumen producido. Otros métodos todavía son utilizados por un número de fabricantes de PWB, pero en una escala mucho menor.

Sin embargo, se pondrá mayor énfasis en el proceso de perforación láser (vía láser a partir de ahora) ya que es el proceso más popular hoy en día y parece que su popularidad crecerá en el futuro. Se debe entender que la formación de agujeros de vía es solo un elemento de la fabricación de placas de cableado HDI. La fabricación de placas de cableado HDI con agujeros microvía involucra muchos procesos no convencionales en la fabricación de placas.

Conceptos Básicos de Fabricación HDI

La Figura 2 muestra la descomposición del proceso de fabricación de Tecnologías de Construcción Secuencial (SBU) o Interconexiones de Alta Densidad. Los tres elementos básicos son:

• Formato Dieléctrico,
• Formación de Vía,
• Métodos de Metalización

FIGURA 2. La tecnología de construcción secuencial (HDI) tiene tres características principales: Formato Dieléctrico, Formación de Vías y Métodos de Metalización (Cortesía de DuPont).

El proceso de fabricación para cada tecnología de microvía comienza con un núcleo base, que puede ser una placa de doble cara simple que lleva planos de alimentación y tierra o una placa multicapa que lleva algún patrón de señal además de los planos de alimentación y tierra. El núcleo generalmente tiene agujeros pasantes metalizados (PTHs). Estos PTHs se convierten en BVHs. A menudo, a este núcleo se le llama núcleo activo.

Diélectricos y Aislantes

Una visión general de los dieléctricos y materiales conductivos aplicados utilizados en la fabricación de microvías se cubre en la norma IPC-4104A. Algunos de estos dieléctricos pueden usarse tanto en el empaquetado de chips como en aplicaciones HDI de PWB. Se hacen referencias cruzadas a las especificaciones de material relevantes de la especificación IPC/JPCA-4104 para materiales HDI y de microvías

La selección de materiales necesita responder a estas preguntas:

• ¿El uso del dieléctrico será compatible con la química actual utilizada por el material del sustrato base?
• ¿El dieléctrico tendrá una adherencia aceptable del cobre plateado? (Muchos fabricantes de equipos originales [OEMs] desean >6 lb./in. [1.08 kgm/cm] por 1 oz. [35.6 µm] de cobre.)
• ¿El dieléctrico proporcionará un espaciado dieléctrico adecuado y fiable entre las capas metálicas?
• ¿Cumplirá con las necesidades térmicas?
• ¿El dieléctrico proporcionará un Tg “alto” deseable para el bonding de alambres y el retrabajo?
• ¿Sobrevivirá al choque térmico con múltiples capas SBU (es decir, flotaciones de soldadura, ciclos térmicos acelerados, múltiples reflujos)?
• ¿Tendrá microvías plateables y fiables (es decir, ¿tendrá la latitud para asegurar un buen plateado hasta el fondo de la vía)?

Hay nueve materiales dieléctricos generales diferentes utilizados en sustratos HDI. Hojas de especificaciones de IPC como IPC-4101B e IPC-4104A cubren muchos de estos, pero muchos aún no están especificados por los estándares de IPC. Los materiales son:

• Dielectricos líquidos fotosensibles
• Dielectricos en película seca fotosensibles
• Película flexible de poliimida
• Películas secas curadas térmicamente
• Dielectrico líquido curado térmicamente
• Lámina de cobre recubierta de resina (RCC), de doble capa y reforzada
• Núcleos y Prepregs FR-4 convencionales
• Nuevos Prepregs ‘spread-glass’ perforables por láser (LD)
• Termoplásticos

Formación de Vías de Interconexión

Esta sección discute procesos que emplean diversas técnicas de formación de agujeros de vía mediante perforación. La perforación de vías pasantes es posible por debajo de 0.20 mm (0.008 in.), pero el costo y la practicidad desalientan esto. Por debajo de 0.20 mm (0.008 in.), la perforación láser y otros procesos de formación de vías son más rentables. Existen muchos métodos diferentes para formar las IVHs utilizadas en los procesos HDI. La perforación láser es la más destacada. Estos diferentes métodos de formación de vías tienen algunos límites en el tamaño mínimo de las vías que forman, así como diferencias significativas en la tasa de formación de vías.

FIGURA 3. La perforación mecánica de las vías pequeñas mediante profundidad controlada, Figura 3a, o laminación secuencial, Figura 3b, es cómo HDI comenzó en la producción en volumen.

Perforación Mecánica

La técnica más antigua para la formación de vías ciegas y enterradas es el taladrado mecánico y la laminación secuencial, como se ve en la Figura 3a y 3b. Se ha avanzado tanto en la fabricación de brocas pequeñas como en el taladrado mecánico de alta velocidad para permitir que esta técnica se utilice en algunas circunstancias.

 

FIGURA 4. La creación de la vía ciega en un panel PWB normalmente se realiza con tecnología láser, pero también se han utilizado ‘procesos de vía masiva’ como el grabado químico, el plasma o los fotodieléctricos.

Tecnología de Vía Láser

El procesamiento de vías por láser es, con diferencia, el proceso de formación de microvías más popular. Sin embargo, no es el proceso de formación de vías más rápido. El grabado químico de pequeñas vías es el más rápido, con una tasa estimada de 8,000 a 12,000 vías por segundo. Esto también es cierto para la formación de vías por plasma y la formación de fotovías (Figura 4). Todos estos son procesos de formación de vías en masa. La perforación por láser es una de las técnicas de generación de microvías más antiguas. [1] Las longitudes de onda para la energía láser están en la región infrarroja y ultravioleta. La perforación láser requiere programar el tamaño de la fluencia del haz y la energía. Los haces de alta fluencia pueden cortar metal y vidrio, mientras que los haces de baja fluencia eliminan limpiamente los orgánicos pero dejan los metales sin daños. Se utiliza un tamaño de punto de haz tan pequeño como aproximadamente 20 micrones (<1 mil) para haces de alta fluencia y alrededor de 100 micrones (4 mil) a 350 micrones (14 mil) para haces de baja fluencia. [2] [3]

La mayoría de los procesos láser utilizan láseres de CO2 o UV, ya que son los láseres más disponibles y económicos. Al usar un láser de CO2 para producir vías en laminados de epoxi, se debe remover el cobre por encima del área a ser ablacionada (Ver Figura 5). El láser de CO2 se utiliza principalmente para laminados no soportados por vidrio. Esto incluye laminados no soportados como el poliimida flexible y el cobre recubierto de resina (RCC^®) y laminados reforzados con materiales alternativos como fibras de aramida. Los láseres de CO2 TEA modificados (Transversely Excited Atmospheric) están específicamente creados para atravesar fibras de vidrio usando una longitud de onda de 9,000 nm y una potencia pico más alta.

Sin embargo, hay muchas variaciones. Para el propósito de perforar agujeros de microvía, hay cinco sistemas láser: UV/Eximer, láser UV/Yag, láser de CO2, Yag/CO2 y combinaciones de CO2/TCO2. También hay muchos materiales dieléctricos: RCC, solo resina (película seca o resina líquida) y prepreg reforzado. Por lo tanto, el número de formas de hacer agujeros de microvía por sistemas láser está determinado por la permutación de cinco sistemas láser y estos materiales dieléctricos, como se ve en la Figura 5.

FIGURA 5. Los tres principales procesos de ablación láser de vías ciegas; c. abriendo la ventana en la lámina de cobre con láser UV o tratamientos especiales con láseres de CO2; d. Grabando una ventana en la lámina de cobre y luego aplicando láser a los dieléctricos; e. Aplicando láser Eximer en los materiales de la vía y luego metalizando el dieléctrico con pulverización catódica o cobre sin electrólisis mSAP.

Los láseres de mayor potencia (es decir, Ultravioleta-UV) pueden eliminar vidrio y cobre y, por lo tanto, se pueden usar con laminados convencionales, pero suelen ser más lentos al atravesar cobre y fibras de vidrio. Hay varios factores a considerar en el procesamiento de vías por láser: precisión de posición de los agujeros realizados por láser (agujeros de microvía), diámetros irregulares de los agujeros, y cambio dimensional del panel después de curar el dieléctrico, cambio dimensional del panel debido a variaciones de temperatura y humedad, precisión de alineación de la máquina de fotoexposición, naturaleza inestable del arte negativo, y así sucesivamente. Estos deben ser cuidadosamente monitoreados y son importantes para todos los procesos de agujeros de microvía.

Método de Metalización

El último proceso es la metalización de las vías. Hay cuatro métodos diferentes de metalizar los IVHs utilizados en procesos HDI. Los métodos son: 

• Cobre por Electroless y Electrochapado Convencional
• Polímeros Conductivos Convencionales como el Grafito u Otros
• Cobre por Electroless Total y Semi-Aditivo
• Pastas o Tintas Conductivas (Figs. 6f y 6g)

El láser es el método más utilizado para la producción de microvías que deben ser rellenadas con una pasta conductiva. Los láseres son capaces de ablacionar material dieléctrico y detenerse al interceptar la circuitería de cobre, por lo que son idealmente adecuados para la creación de vías ciegas controladas en profundidad. La Figura 6 muestra estos dos principales procesos de microvías.

FIGURA 6. Dos de los procesos asiáticos más populares para la metalización de agujeros de micro-vía con polímeros conductivos son; f. El proceso BBiT serigrafía una pasta conductiva de plata sobre lámina de cobre y la lamina dentro del núcleo de dos caras; g. Diversas pastas conductivas son serigrafiadas en agujeros perforados por láser en el dieléctrico en estado b y luego laminadas con lámina de cobre dentro del núcleo.

Mira y descubre cómo Altium Designer^® apoya el diseño HDI:

  

Regístrate y prueba Altium  hoy mismo.