Découvrez les processus de fabrication des microvias et les substrats HDI

Fabrication initiale des HDI

Les circuits imprimés à interconnexion haute densité ont réellement commencé en 1980, lorsque les chercheurs ont commencé à explorer des moyens de réduire la taille des vias. Le premier innovateur n'est pas connu, mais certains des pionniers les plus précoces incluent Larry Burgess de MicroPak Laboratories (développeur de LaserVia), le Dr Charles Bauer chez Tektronix (qui a produit des vias photodiélectriques), [1] et le Dr Walter Schmidt chez Contraves (qui a développé des vias gravés au plasma).

La première production en série ou les cartes imprimées séquentielles sont apparues en 1984, commençant avec les cartes informatiques FINSTRATE percées au laser de Hewlett-Packard, suivies en 1991 au Japon avec les circuits laminaires de surface (SLC) [2] par IBM-YASU et en Suisse avec DYCOstrate [3] par Dyconex. La figure 1 montre l'une de ces premières cartes FINSTRATE de Hewlett Packard, sur la couverture du Journal de Hewlett-Packard (1983).

HP Finstrate Laser-Via

HP n'avait pas l'intention de développer des microvias percés au laser. Ils étaient le résultat du rétro-ingénierie de leur nouveau chip de micro-ordinateur 32 bits. Ils l'ont appelé le chip « FOCUS », un microprocesseur 32 bits développé en NMOS-III, qui a la caractéristique d'être très gourmand en courant. L'une des premières surprises avec ce nouveau microprocesseur était qu'il ne pouvait pas alimenter l'inductance d'un via traversant standard de 0,3 mm de diamètre dans une carte de 1,6 mm d'épaisseur. Il ne pouvait alimenter que 20-30 nHenrys d'inductance, soit un via aveugle de 0,125mm. La deuxième surprise était qu'il n'avait pas l'énergie pour alimenter les pertes normales du FR-4 (Dj=0.020), donc du polytétrafluoroéthylène (PTFE) pur a été utilisé. La nécessité de refroidissement du CI a requis une carte à âme métallique avec des microvias aveugles très petits et un diélectrique à très faible perte. La carte résultante était une technologie de construction à âme de cuivre qui avait des circuits intégrés (CI) liés directement par fils.

FIGURE 1. La première carte PCB microvia en production générale. Le FINSTRATE de Hewlett Packard a été mis en production en 1984. C'était une technologie de construction sur noyau de cuivre avec du PTFE pur comme diélectrique qui avait des circuits intégrés (CI) reliés directement par soudure.

Photo-via IBM SLC

Depuis l'introduction de la technologie SLC d'IBM en 1991, de nombreuses variations de méthodes pour la production de masse de cartes de câblage HDI ont été développées et mises en œuvre, jugées en termes de volume produit, la technologie de perçage au laser est celle qui prévaut. D'autres méthodes sont encore utilisées par un certain nombre de fabricants de PWB, mais à une échelle beaucoup plus réduite.

Cependant, un accent plus important sera mis sur le processus de perçage au laser (via laser par la suite) puisqu'il s'agit du processus le plus populaire aujourd'hui et il semble que sa popularité va croître à l'avenir. Il faut comprendre que la formation de trous de via n'est qu'un élément de la fabrication de cartes de câblage HDI. La fabrication de cartes de câblage HDI avec des trous microvia implique de nombreux processus non conventionnels à la fabrication de cartes.

Les bases de la fabrication HDI

La figure 2 montre la répartition des Technologies de Construction Séquentielle (SBU) ou le processus de fabrication des Interconnexions à Haute Densité. Les trois éléments de base sont :

• Format Diélectrique,
• Formation de Via,
• Méthodes de Métallisation

FIGURE 2. La technologie de construction séquentielle (HDI) présente trois caractéristiques principales : Format diélectrique, Formation de Via et Méthodes de métallisation (Avec l'aimable autorisation de DuPont).

Le processus de fabrication pour chaque technologie de microvia commence avec un noyau de base, qui peut être une simple carte double face portant des plans de masse et d'alimentation ou une carte multicouche portant un motif de signal en plus des plans de masse et d'alimentation. Le noyau a généralement des trous métallisés (PTHs). Ces PTHs deviennent des BVHs. Un tel noyau est souvent appelé un noyau actif.

Diélectriques et Isolants

Un aperçu des matériaux diélectriques et conducteurs appliqués utilisés dans la fabrication de microvia est couvert dans la norme IPC-4104A. Certains de ces diélectriques peuvent être utilisés à la fois dans l'emballage de puces et les applications HDI de PWB. Des renvois sont faits aux spécifications matérielles pertinentes de la spécification IPC/JPCA-4104 pour les matériaux HDI et microvia

La sélection des matériaux doit répondre à ces questions :

• La chimie utilisée pour le diélectrique est-elle compatible avec la chimie actuellement utilisée par le matériau du substrat de base ?
• Le diélectrique aura-t-il une adhérence acceptable du cuivre plaqué ? (De nombreux fabricants d'équipements d'origine [OEM] souhaitent >6 lb./in. [1,08 kgm/cm] par 1 oz. [35,6 µm] de cuivre.)
• Le diélectrique fournira-t-il un espacement diélectrique adéquat et fiable entre les couches métalliques ?
• Satisfera-t-il aux besoins thermiques ?
• Le diélectrique offrira-t-il un Tg « élevé » souhaitable pour le câblage par fils et la retouche ?
• Survivra-t-il au choc thermique avec plusieurs couches SBU (c'est-à-dire, flottaisons de soudure, cycles thermiques accélérés, multiples refusions) ?
• Aura-t-il des microvias plaquables et fiables (c'est-à-dire, aura-t-il une marge pour assurer un bon plaquage au fond du via) ?

Il existe neuf matériaux diélectriques généraux utilisés dans les substrats HDI. Des feuilles de spécifications IPC comme IPC-4101B et IPC-4104A couvrent beaucoup de ces matériaux, mais beaucoup ne sont pas encore spécifiés par les normes IPC. Les matériaux sont :

• Diélectriques liquides photosensibles
• Diélectriques en film sec photosensibles
• Film flexible en polyimide
• Films secs durcis thermiquement
• Diélectrique liquide durci thermiquement
• Foil de cuivre revêtu de résine (RCC), double couche et renforcé
• Noyaux FR-4 conventionnels et pré-imprégnés
• Nouveaux pré-imprégnés « spread-glass » perforables au laser (LD)
• Thermoplastiques

Formation d'interconnexions par vias

Cette section traite des procédés utilisant diverses techniques de formation de trous de via par perçage. Le perçage de via traversant est possible en dessous de 0,20 mm (0,008 po), mais le coût et la praticité découragent cette pratique. En dessous de 0,20 mm (0,008 po), le laser et d'autres procédés de formation de via sont plus rentables. Il existe de nombreuses méthodes différentes pour former les IVH utilisés dans les processus HDI. Le perçage au laser est le plus remarquable. Ces différentes méthodes de formation de via ont certaines limites sur la taille minimale des vias qu'elles peuvent former, ainsi que des différences significatives dans le taux de formation de via.

FIGURE 3. Le perçage mécanique des petits vias soit par profondeur contrôlée, Figure 3a, soit par lamination séquentielle, Figure 3b, est la manière dont le HDI a commencé en production de volume.

Perçage Mécanique

La technique la plus ancienne pour la formation de vias aveugles et enterrés est le perçage mécanique et la lamination séquentielle, comme on peut le voir dans la Figure 3a et 3b. Des progrès ont été réalisés tant dans la fabrication de petits forets que dans le perçage mécanique à grande vitesse pour permettre l'utilisation de cette technique dans certaines circonstances.

 

FIGURE 4. La création du via aveugle dans un panneau PWB se fait normalement avec la technologie laser mais des processus de via en masse comme la gravure chimique, le plasma ou les photodiélectriques ont également été utilisés.

Technologie des Vias par Laser

Le traitement des vias par laser est de loin le processus de formation de trous de microvias le plus populaire. Cependant, ce n'est pas le processus de formation de vias le plus rapide. La gravure chimique de petits vias est la plus rapide, avec un taux estimé de 8 000 à 12 000 vias par seconde. Cela est également vrai pour la formation de vias par plasma et la formation de photovias (Figure 4). Ce sont tous des processus de formation de vias en masse. Le perçage au laser est l'une des techniques de génération de microvias les plus anciennes. [1] Les longueurs d'onde pour l'énergie laser se situent dans les régions infrarouge et ultraviolet. Le perçage au laser nécessite la programmation de la taille de la fluence du faisceau et de l'énergie. Les faisceaux à haute fluence peuvent découper le métal et le verre, tandis que les faisceaux à faible fluence éliminent proprement les matières organiques mais laissent les métaux intacts. Une taille de point de faisceau aussi petite que 20 microns (<1 mil) est utilisée pour les faisceaux à haute fluence et environ 100 microns (4 mil) à 350 microns (14 mil) pour les faisceaux à faible fluence. [2] [3]

La plupart des processus laser utilisent soit des lasers CO2 soit des lasers UV, car ce sont les lasers les plus facilement disponibles et économiques. Lors de l'utilisation d'un laser CO2 pour produire des vias dans des stratifiés époxy, le cuivre doit être retiré au-dessus de la zone à ablater (Voir Figure 5). Le laser CO2 est principalement utilisé pour les stratifiés non soutenus par du verre. Cela inclut les stratifiés non soutenus tels que le polyimide flexible et le feuillard de cuivre revêtu de résine (RCC^®) ainsi que les stratifiés renforcés avec des matériaux alternatifs tels que les fibres d'aramide. Les lasers CO2 TEA modifiés (Transversely Excited Atmospheric) sont spécifiquement créés pour graver à travers les fibres de verre en utilisant une longueur d'onde de 9 000 nm et une puissance de crête plus élevée.

Toutefois, il existe de nombreuses variations. Pour le perçage des trous de microvias, il existe cinq systèmes laser : UV/Eximer, UV/Yag, CO2, Yag/CO2 et les combinaisons CO2/TCO2. Il existe également de nombreux matériaux diélectriques : RCC, résine seule (film sec ou résine liquide) et prepreg renforcé. Par conséquent, le nombre de manières de créer des trous de microvias par systèmes laser est déterminé par la permutation de ces cinq systèmes laser et de ces matériaux diélectriques, comme vu dans la Figure 5.

FIGURE 5. Les trois principaux processus d'ablation de microvias par laser ; c. ouverture de la fenêtre dans le feuillard de cuivre avec des lasers UV ou des traitements spéciaux avec des lasers CO2 ; d. Gravure d'une fenêtre dans le feuillard de cuivre puis lasing des diélectriques ; e. Lasing Eximer du via dans les matériaux puis métallisation du diélectrique par pulvérisation ou cuivre chimique mSAP.

Les lasers de plus haute puissance (par exemple, Ultra Violet-UV) peuvent enlever le verre et le cuivre et peuvent donc être utilisés avec des laminés conventionnels, mais sont généralement plus lents pour traverser le cuivre et les fibres de verre. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte dans le traitement des vias par laser : la précision de position des trous percés (trous de microvias), les diamètres inégaux des trous, et le changement dimensionnel du panneau après durcissement du diélectrique, le changement dimensionnel du panneau dû aux variations de température et d'humidité, la précision d'alignement de la machine de photo-exposition, la nature instable de l'artwork négatif, et ainsi de suite. Ceux-ci doivent être soigneusement surveillés et sont importants pour tous les processus de trous de microvias.

Méthode de Métallisation

Le dernier processus est la métallisation des vias. Il existe quatre méthodes différentes de métallisation des IVH utilisées dans les processus HDI. Les méthodes sont : 

• Cuivre par Électrodéposition et Électrolytique Conventionnels
• Graphite Conducteur Conventionnel ou Autres Polymères
• Électrodéposition Entièrement et Semi-Additive de Cuivre
• Pâtes ou Encres Conductrices (Fig. 6f et 6g)

Le laser est la méthode la plus utilisée pour la production de microvias à remplir avec une pâte conductrice. Les lasers sont capables d'ablater le matériau diélectrique et de s'arrêter lorsqu'ils interceptent le circuit en cuivre, ils sont donc idéalement adaptés à la création de microvias aveugles à profondeur contrôlée. La figure 6 montre ces deux principaux processus de microvias.

FIGURE 6. Deux des processus asiatiques les plus populaires pour la métallisation de trous de micro-vias avec des polymères conducteurs ; f. Le processus BBiT écrane une pâte conductrice d'argent sur du feuillard de cuivre et le lamine dans le noyau à 2 côtés ; g. Diverses pâtes conductrices sont écranées dans des trous percés au laser dans le diélectrique en phase b et ensuite laminées avec du feuillard de cuivre dans le noyau.

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