Processus de métallisation directe pour la fabrication de vias de PCB

Lorsque des vias et des trous métallisés sont fabriqués dans un PCB, ils nécessitent un dépôt de métal et un processus de placage pour construire la quantité requise de cuivre sur la paroi du trou. L'accumulation du film métallique sur une paroi de via est réalisée avec un processus connu sous le nom d'électroplacage, mais avant que ce processus soit effectué, un processus de métallisation primaire est nécessaire pour former une couche de base pour le dépôt ultérieur. Il existe des processus de métallisation primaire qui peuvent être utilisés pour soutenir le processus de cuivre électrolytique subséquent : le cuivre chimique et la métallisation directe.

Le cuivre chimique est le processus de métallisation primaire standard et de longue date qui est utilisé dans toute l'industrie. Dans les conceptions de faible densité, le cuivre chimique est un processus largement utilisé et ne présente pas de problèmes de fiabilité significatifs tant qu'il est correctement contrôlé. Dans les PCB de haute densité, les problèmes de fiabilité avec le placage de cuivre chimique peuvent devenir plus apparents en raison de la petite taille des caractéristiques dans les microvias.

À mesure que davantage d'appareils continuent de se miniaturiser, nous nous attendons à ce que la capacité pour la métallisation directe augmente, et cela répondra au besoin de capacité de fabrication et de placage fiable pour les conceptions UHDI. Cela coïncide avec la croissance attendue de la demande en substrats de CI et suit la tendance actuelle de rapatriement de la capacité de fabrication électronique.

Aperçu de la Métallisation Primaire

Les processus de métallisation primaire dans la fabrication des PCB sont effectués après le perçage et le désencrassement, et le processus est utilisé pour former une couche de base à l'intérieur d'un trou percé qui nécessite un placage. La couche de base se forme le long de la paroi du trou, comme illustré ci-dessous, et cette couche de base constitue la base pour le placage électrolytique subséquent.

Métallisation primaire et formation de via avec placage électrolytique.

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Après le dépôt de la couche de cuivre par placage électrolytique jusqu'à l'épaisseur finale de la paroi du trou (1 mil dans la plupart des conceptions), le placage de la couche extérieure et le masque de soudure sont appliqués, ce qui peut ensuite appliquer la couche de placage finale à tout via qui sera non protégé. Une fois les parois du via plaquées, une analyse microstructurale peut être effectuée pour évaluer l'épaisseur de cuivre déposée dans la paroi du trou et assurer l'uniformité du placage le long de l'axe du trou.

Aux grands diamètres, y compris avec de grands rapports d'aspect, le placage résultant est généralement de très haute qualité et est reconnu pour être très fiable. À mesure que nous passons à des tailles plus petites, le cuivre chimique commence à présenter certains défis de fiabilité qui motivent l'utilisation de contrôles de processus plus stricts, ou un passage complet au processus de métallisation directe.

Cuivre chimique

Le cuivre chimique est le processus de métallisation primaire traditionnel utilisé avant l'électrolyse. Le processus dépose une fine couche de cuivre à partir d'une solution avec un catalyseur au palladium directement sur le matériau diélectrique du PCB. Une fois la fine couche de cuivre déposée, le cuivre électrolytique est déposé par-dessus jusqu'à atteindre l'épaisseur finale de la couche de cuivre. Le processus implique une réaction de réduction des ions cuivre utilisant le formaldéhyde en présence d'un catalyseur au palladium.

2HCHO + 2OH⁻ → 3H₂ (g) + 2CO₂ + 2e^-

Cu²⁺ + 2e^- → Cu (métal).

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Le dépôt d'un film de cuivre sur un autre film de cuivre présente le potentiel de plusieurs défis de fiabilité dans le cuivre électrolytique sur la paroi du trou. Pendant l'électrolyse, le cuivre déposé peut avoir un facteur de remplissage, une structure de grain et une uniformité différents par rapport au cuivre chimique. Cela crée une résistance mécanique inférieure par rapport à un film complet de cuivre avec une structure de grain uniforme. L'interface entre les deux films de cuivre peut être observée dans l'exemple d'image SEM ci-dessous.

Source : Cobley, Andrew J., Bahaa Abbas et Azad Hussain. "Amélioration de la couverture du cuivre chimique à faibles concentrations de catalyseur et à des températures de placage réduites permise par l'ultrason à basse fréquence." International Journal of Electrochemical Science 9, n° 12 (2014) : 7795-7804.

Comme le processus implique une réaction faisant intervenir un acide, du gaz hydrogène se formera comme l'un des produits de la réaction. Étant donné qu'il s'agit d'un processus dynamique en bain liquide, le gaz hydrogène doit s'échapper de la région de placage pour garantir l'uniformité de la couche de cuivre chimique. Cela pose moins de problème pour les diamètres de trous plus grands, mais le placage dans des diamètres de trous plus petits peut rencontrer un gaz hydrogène piégé qui peut compromettre la couche de cuivre chimique.

Métallisation Directe

Le processus élimine trois des principales sources de problèmes de fiabilité dans le placage de la paroi des trous d'interconnexion. Il s'agit de :

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• Élimination de l'hydrogène comme produit de réaction
• Élimination de l'interface entre le film de cuivre électrolytique et chimique
• Stabilisation du bain de placage qui permet des temps d'arrêt sans réapprovisionnement

En éliminant le produit gazeux d'hydrogène et l'interface film de cuivre-cuivre, les films formés par métallisation directe ont tendance à présenter une plus grande uniformité et une plus grande résistance mécanique. De plus, comme ce processus implique également un bain chimique, il peut être utilisé avec des trous métallisés plus grands ; il n'est pas exclusif à la formation de microvias.

Actuellement, une grande partie de la capacité de métallisation directe se trouve chez de grands fabricants multinationaux, ce qui signifie que cette technologie se trouve principalement en Asie ou chez des entreprises de prototypage avancé. À mesure que davantage de capacités devraient être mises en ligne, cela élargira la gamme de lieux où les entreprises peuvent produire.

Vos règles de conception de PCB doivent-elles changer ?

La réponse ici est un « non » catégorique, les règles de conception de PCB pour la conception de via ne changent pas si la métallisation directe doit être utilisée pour la formation de via. Cela s'applique dans la conception de PCB HDI où des microvias sont utilisés, et dans les conceptions traditionnelles à travers-trous où les diamètres de trous sont plus grands. Cependant, si la métallisation directe est le processus de fabrication souhaité, envisagez de contacter votre maison de fabrication pour vous renseigner sur leurs capacités de traitement. Vous pouvez également spécifier l'utilisation de la métallisation directe comme processus préféré dans vos notes de fabrication de PCB.

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