Galvanoplastia de cobre UHDI: lo que los diseñadores deben entender sobre el proceso

El proceso de chapado de cobre que produce las vías es muy bien conocido por los fabricantes, y el proceso tradicional de grabado sustractivo para tecnología estándar y High Density Interconnect (HDI) cuenta con décadas de experiencia detrás de las reglas de diseño para la relación de aspecto y las mejores prácticas de diseño, y esas reglas son bien comprendidas por la comunidad de diseño de PCB.

En apariencia, el proceso de chapado de cobre para la tecnología Ultra HDI no debería ser tan complicado, ¿verdad? Pero la tecnología Ultra HDI no cuenta con décadas de experiencia detrás del proceso, y los márgenes y tolerancias adquieren un significado completamente nuevo cuando los tamaños de las características bajan de 75 micras, especialmente cuando se acercan al rango de 25 micras.

El chapado de cobre en UHDI no es un proceso secundario que los fabricantes gestionen automáticamente. Es un conjunto de variables que interactúan directamente con las decisiones de diseño, y cuando esas variables no se tienen correctamente en cuenta, tanto los fabricantes como el diseñador de PCB pueden encontrarse con varios problemas durante la creación de prototipos y el desarrollo.

Puntos clave

• El chapado en UHDI es un problema de geometría, no solo de fabricación. A medida que los diámetros de las vías bajan de 75 micras, la distribución de corriente se vuelve desigual y aumenta la variación del espesor del cobre, y la geometría que impulsa ese riesgo proviene del diseño.
• La relación de aspecto es el número crítico que los diseñadores controlan. Para las microvías perforadas por láser en construcciones UHDI, mantenerse en 1:1 o por debajo (profundidad respecto al diámetro) es una limitación estricta de la física del chapado, no una preferencia del fabricante. No hay margen para forzarla.
• Las microvías apiladas requieren un relleno de cobre completo y plano antes de poder construir la siguiente capa. Cualquier abombamiento, rebaje o relleno descentrado se convierte en un punto de fallo incorporado para la vía apilada encima.
• La prueba eléctrica por sí sola no detectará el riesgo de chapado en UHDI. Una vía puede pasar la prueba de continuidad y aun así presentar un perfil de chapado que falle bajo ciclos térmicos en campo. El análisis de sección transversal en el primer artículo es la única forma de saber qué está ocurriendo realmente dentro de la estructura.

Por qué el chapado se vuelve más difícil a medida que las características se hacen más pequeñas

En la fabricación estándar de PCB, el chapado es un proceso maduro. Las tolerancias se entienden, la química está ajustada y los fabricantes tienen años de datos de los que apoyarse. Al pasar a geometrías UHDI, gran parte de esa confianza desaparece.

El problema central es el acceso. El chapado electrolítico de cobre deposita iones de cobre sobre superficies conductoras en presencia de un campo eléctrico. En geometrías más grandes, la corriente se distribuye de forma razonablemente uniforme. A medida que los diámetros de las vías bajan de 75 micras, esa distribución se vuelve más difícil de controlar. La densidad de corriente se concentra en los bordes y las esquinas. El campo dentro de una vía pequeña no es el mismo que el campo en la superficie. El cobre se acumula más rápido en unas zonas que en otras, y la variación de espesor se vuelve significativa en los tamaños de característica que exige UHDI.

Esto no es un problema del fabricante que una mejor química pueda resolver por sí sola. Es un problema de geometría, y la geometría proviene del diseño.

Relación de aspecto: el número que impulsa el riesgo de chapado

La relación de aspecto (la relación entre la profundidad de una vía y su diámetro) es uno de los números más importantes en el chapado UHDI, y es uno que los diseñadores controlan directamente.

La mayoría de los fabricantes trabajan con un máximo de 1:1 para microvías perforadas por láser en construcciones UHDI. Una vía de 75 micras perforada a través de un dieléctrico de no más de 75 micras de espesor, o una vía de 50 micras a través de un dieléctrico de 50 micras. Si se supera ese valor, el intercambio de la solución de chapado dentro de la vía se restringe. La química fresca no puede entrar. Los subproductos no pueden salir. El resultado es un chapado incompleto, cobre delgado en el barril de la vía o vacíos.

Los vacíos en una vía pasante estándar son una preocupación de fiabilidad. En una microvía apilada son un problema más inmediato. Los ciclos térmicos durante el reflow someten esos vacíos a esfuerzo, y un vacío dentro de una vía apilada rellena de cobre crea un punto de fallo que puede no aparecer en la prueba eléctrica, pero sí aparecerá en campo.

El espesor del dieléctrico y el diámetro de la vía son ambas decisiones de diseño. Mantener la relación de aspecto en 1:1 o por debajo no es una preferencia del fabricante. Es una limitación de la física del chapado que el diseño debe contemplar, y con UHDI no existe margen para ir más allá de esas reglas de diseño.  Y sé que todos nos hemos acostumbrado a forzar esas relaciones de aspecto en HDI con grabado sustractivo.

Las microvías apiladas y el requisito de relleno de cobre

La mayoría de los diseños UHDI dependen de microvías apiladas, aunque a menudo se recomiendan las microvías escalonadas, para lograr la densidad de interconexión que requiere el apilado. El apilamiento es lo que proporciona el mayor ahorro de espacio, pero también es donde se concentra la complejidad del chapado.

Una microvía apilada necesita rellenarse de cobre antes de que la siguiente vía pueda perforarse y chaparse encima. El relleno debe ser completo, plano y dimensionalmente consistente. El siguiente taladro láser apunta al centro de esa vía rellena, y si el relleno está abombado, descentrado o incompleto, la vía superior comienza con un problema ya incorporado.

La química del relleno de cobre es más lenta y está más controlada que el chapado electrolítico estándar, y es sensible a las mismas variables geométricas. Las vías profundas y estrechas se rellenan con menos fiabilidad que las poco profundas y más anchas. Algunas cosas afectan directamente a la calidad del relleno: un diámetro de vía igual o superior al mínimo recomendado por el fabricante, un espesor dieléctrico consistente en todo el panel y no apilar más capas de las que el proceso del fabricante ha calificado. Pregunte específicamente por este último punto; no siempre es un dato que aparezca en la retroalimentación DFM estándar.

Lo que aparece en los primeros artículos

Los problemas de chapado en UHDI no siempre aparecen en la prueba eléctrica. Una vía puede pasar la continuidad y aun así tener un perfil de chapado que genere un riesgo de fiabilidad. El análisis de sección transversal es la herramienta que realmente muestra lo que está ocurriendo dentro de la estructura de la vía. Trate las secciones transversales del primer artículo como una recopilación real de datos, no como una formalidad, especialmente con diseños Ultra HDI.

Busque varias cosas: consistencia del espesor de cobre en los barriles de las vías en múltiples muestras, no solo en una ubicación del panel; el perfil de relleno en las vías apiladas; una superficie ligeramente abombada o rebajada le dice algo sobre lo que la química y la geometría se están haciendo mutuamente; y observe la variación del espesor del cobre entre las zonas densas y dispersas del panel.

Si cualquiera de estos aspectos muestra una variación que preocupe al fabricante, esa es la conversación que debe tenerse durante el desarrollo y mucho antes de la producción. Los ajustes en el primer artículo son bastante directos y esperables, pero los fallos de fiabilidad que se escapan después de que el producto se envía no lo son.

Antes de liberar el diseño

Algunas cosas a considerar:

• ¿Ha calculado la relación de aspecto de cada microvía y confirmado que está dentro del rango calificado de su fabricante?
• ¿Es consistente el espesor dieléctrico en cada capa build-up con el diámetro de la vía que se perfora a través de ella?
• ¿Ha hablado sobre los requisitos de relleno de cobre para las vías apiladas, incluido cuántas capas apiladas tiene calificadas el proceso del fabricante?
• ¿Se ha abordado la distribución de cobre en el panel, ya sea mediante balanceo de cobre en el diseño o mediante una conversación directa sobre lo que necesita el fabricante?
• El proceso de chapado trabaja con la geometría que proporciona el diseño, y lograr que esa geometría sea correcta es una variable controlable antes de liberar a fabricación.

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Preguntas frecuentes

¿Por qué el chapado de cobre UHDI afecta al coste?

El chapado UHDI puede aumentar el coste porque las características más pequeñas suelen requerir un control más estricto del apilado, una mayor supervisión del proceso, secciones transversales adicionales y una revisión de ingeniería más estrecha entre el equipo de diseño y el fabricante de PCB. Las microvías apiladas rellenas de cobre también pueden incrementar el tiempo de fabricación porque cada nivel rellenado debe completarse antes de formar el siguiente nivel.

¿Qué métodos de inspección ayudan a encontrar problemas de chapado UHDI?

El análisis de sección transversal es el método principal de inspección para ver el espesor del cobre, los vacíos y la forma del relleno dentro de las microvías. Dependiendo del nivel de riesgo del producto, los equipos también pueden solicitar pruebas de cupones, evaluación de esfuerzo térmico o muestreo adicional en distintas ubicaciones del panel para comparar áreas de cobre densas y dispersas.

¿Qué comprobaciones DFM deberían realizar los diseñadores antes de la fabricación?

Los diseñadores deberían revisar la relación de aspecto de las microvías, el espesor dieléctrico, el número de vías apiladas, la distribución de cobre y los tamaños mínimos de característica calificados por el fabricante. Realizar estas comprobaciones antes de generar los archivos de salida ayuda a evitar bloqueos DFM evitables y mantiene la conversación de fabricación centrada en la capacidad del proceso en lugar de en correcciones tardías del layout.