Fiabilidad de las microvías en los diseños de interconexión de densidad ultra alta

Judy Warner: A principios de este año, mientras estábamos en el evento IPC Apex Expo de San Diego, nos reunimos con Jim Brown, de GreenSource Fabrication. ¿Podrías describir este problema a nuestros lectores?

Jim Brown: Judy, a medida que la demanda de tecnología ha aumentado, se ha ido extendiendo paulatinamente la densidad de los PCB. El resultado son las microvías apiladas de Ultra-HDI y las líneas de menos de 75 micras. Las microvías se han estado utilizando durante más de una década, aunque típicamente han sido de un solo nivel. Con la creciente necesidad de mejorar el espacio de enrutamiento, las microvías apiladas se han añadido a la caja de herramientas de los diseñadores. Estas microvías apiladas son más propensas a la expansión del eje "Z" bajo temperaturas elevadas (reflujo), y el resultado es una falla en la interconexión en la plataforma de destino. Ya sea entre el pad y el E-Less, el E-Less al flash, o el cobre electrolítico. Estas tres interfases son donde ocurre la falla o las fallas. Lo más desconcertante de todo es que la separación se produce a altas temperaturas. Aún así, cuando la estructura se enfría, el fallo tiende a "curarse" por sí mismo al reconectarse mecánicamente. El resultado es un potencial defecto latente que podría convertirse en un fallo de campo.

Warner: ¿Cuánto tiempo hace que este tema afecta a la industria y por qué da la sensación de haber surgido de la nada?

Brown: Buena pregunta. Este problema ganó visibilidad pública alrededor de 2008, más o menos. Sin embargo, en aquel momento se podría decir que nadie estaba utilizando ampliamente las microvías apiladas, y los que lo hacían tenían procedimientos de selección muy estrictos. De ahí que parezca que "surgió de la nada", ya que las tecnologías están adoptando ampliamente el ultra-HDI, que se requiere para la mayoría de los diseños de la próxima generación.

Warner: ¿Qué tan extendido está este problema, y qué necesitan saber los ingenieros de diseño sobre este tema para ayudarles a evitar los fallos de las PCB?

Brown: ¡Otra buena pregunta! La generalización es ilusoria. ¿Cómo sabes la tasa de error cuando la mayoría de los defectos se encuentran latentes? 
Los diseñadores deben asegurarse bien de que sus proveedores comprenden plenamente el mecanismo o mecanismos del fallo y de que disponen de procesos y procedimientos para mitigarlo. A partir de aquí, pasamos a la fase de pruebas. En GreenSource Fabrication, nos basamos en las pruebas CAT-OM para determinar la fiabilidad de las microvías. Probamos sistemáticamente la tecnología de ultra-HDI y recopilamos datos para obtener información sobre las mejoras continuas (6σ). Algunos fabricantes usan IST, pero creemos que las pruebas de OM simulan mejor lo que la estructura experimenta térmicamente durante el reflujo, y controla la resistencia durante todo el ciclo térmico. Otro método consiste en realizar controles de resistencia "antes y después". Si el fallo se corrige por sí mismo una vez que vuelve a su entorno, jamás lo detectarás. Jerry Magera, de Motorola Solutions, tiene datos que muestran que la falla ocurre típicamente alrededor de 210°-220°C y luego se "cura" alrededor de 180°C, por lo que si no se monitorea durante todo el ciclo de temperatura, nunca se verá la brecha.

Warner: ¿De qué manera aborda IPC este tema, y qué se ha descubierto en los últimos años para ayudar a que la industria se encamine hacia una solución?

Brown: IPC tiene un Grupo de Trabajo (IPC V-TSL-MVIA Weak Interface Microvia Failures Technology Solutions Subcommittee) dedicado a comprender los Métodos de Fallo ( MoF, por sus siglas en inglés - Methods of Failure).

IPC también acoge un Foro de Alta Fiabilidad y la Cumbre sobre la MicroVía, que tiene más de tres años de existencia, en los que ha examinado esta precisa cuestión. Aquí tienes un enlace al evento de este año. Mientras que las cumbres anteriores han sido eventos presenciales de varios días, este año la cumbre se ha convertido en una reunión virtual, debido a la actual crisis de salud.  

Warner: GreenSource es un fabricante de PCB realmente único, ya que está casi totalmente automatizado. Has mencionado que GreenSource surgió tras la necesidad de enfrentar el problema de la fiabilidad de las microvías. ¿Podrías explicárnoslo, por favor?

Brown: GreenSource Fabrication comenzó como un proveedor interno de la Compañía de Ingeniería Whelen hace casi seis años. Hace tres, se tomó la decisión de separar la operación de fabricación y de convertirla en una entidad aparte, que ofrecería ventas a terceros. Tras tomarse esa decisión, nos hicimos la pregunta: "¿Qué necesita América del Norte?" lo que nos llevó a la conclusión de que Norteamérica necesitaba urgentemente un proveedor de ultra-HDI, con equipos de última generación que ofreciera el nivel de tecnología y fiabilidad del que Norteamérica había carecido desde finales de los 90. Pasamos dieciocho meses volando más de 1,2 millones de millas alrededor del mundo, para seleccionar proveedores de equipo y química de primer nivel. 
Dado que nuestra intención era instalarnos en el campus de Whelen, en New Hampshire, este estado nos restringió el tratamiento de residuos. Fue por esta razón que terminamos diseñando un sistema de reciclaje/recuperación que nos ha convertido en el único taller de fabricación de PCB "verde" del planeta.

Warner: ¿Qué recomendarías a los ingenieros de diseño que deseen aprender más sobre este tema, y conocer los últimos avances?

Brown: Que hablen con sus proveedores y con otros OEMs sobre sus experiencias y que visiten la página web de IPC sobre la fiabilidad de las microvías. 

Warner: Gracias, Jim, por compartir tu conocimiento y lo que has estado haciendo en GreenSource. Te deseamos a ti y al equipo de GreenSource un exitoso futuro.

Brown: Ha sido todo un placer, Judy. Espero que esta información sea útil para la comunidad de ingenieros de diseño.

Note: Descubre más sobre GreenSource The e-Smart Factory Comes to PCB Fabrication en este artículo del experto en la materia Happy Holden.