La fiabilité des microvias dans les conceptions à ultra haute densité d'interconnexions

Judy Warner :   En début d'année, nous avons eu l'occasion de nous rencontrer à l'IPC Apex en Californie. Lors de notre conversation, vous avez parlé de la question omniprésente de la fiabilité des microvias. Pourriez-vous décrire le problème à nos lecteurs ?

Jim Brown : Judy, l'augmentation de la demande en technologies a eu des répercussions sur la densité des PCB. Les Ultra-HDI, des microvias empilés et des lignes de moins de 75 microns, sont le résultat de ce processus. Les microvias sont utilisés depuis plus d'une décennie, mais n'ont généralement qu'un seul niveau. Le besoin accru d'amélioration de l'espace de routage s'est traduit par l'ajout de microvias empilés à la boîte à outils des concepteurs. Les microvias désormais empilés sont plus exposés à une expansion de l'axe « Z » à températures élevées (refusion), ce qui entraîne une défaillance de l'interconnexion au niveau de la pastille cible, entre la pastille et l'E-Less, entre l'E-Less et la mémoire flash, ou au niveau du cuivre électrolytique. Ces trois interfaces sont les endroits où la ou les défaillances se produisent. Ce qui est déconcertant, c'est que la séparation se produit à des températures élevées. Pourtant, lorsque la structure se refroidit, la défaillance a tendance à « s'auto-réparer » grâce à une reconnexion mécanique, ce qui entraîne un défaut latent potentiel qui pourrait devenir une défaillance sur le terrain.

Warner : Depuis combien de temps ce problème affecte-t-il le secteur et pourquoi semble-t-il sortir de nulle part ?

Brown : Bonne question. Ce problème a pris de l'ampleur vers 2008, plus ou moins. Cependant, personne ne déployait de microvias empilés à grande échelle, et ceux qui le faisaient avaient des procédures de sélection strictes. Il semble être « sorti de nulle part » parce que les technologies adoptent maintenant largement l'ultra-HDI qui est nécessaire pour la plupart des conceptions de prochaine génération.

Warner : Quelle est l'ampleur du problème et que doivent savoir les ingénieurs en conception à ce sujet afin d'éviter les défaillances de carte ?

Brown : Autre bonne question ! La question de sa généralisation est hypothétique. Comment connaître le taux de défauts alors que la plupart des défauts sont des défauts latents ? Les ingénieurs doivent contrôler minutieusement leurs fournisseurs pour s'assurer qu'ils comprennent parfaitement le ou les mécanismes de défaillance et qu'ils ont mis en place des processus et des procédures visant à les atténuer. Ensuite, tout est une question de tests. Chez GreenSource Fabrication, nous nous appuyons sur des tests CAT-OM pour déterminer la fiabilité des microvias. Nous testons régulièrement la technologie ultra-HDI et collectons des données pour recueillir des commentaires en vue d'une amélioration continue (6σ). Certains fabricants utilisent l'IST, mais nous pensons que les tests OM simulent mieux ce que la structure subit sur le plan thermique pendant la refusion et qu'ils surveillent la résistance tout au long du cycle thermique. Une autre méthode consiste à vérifier la résistance « avant et après ». Si la défaillance s'auto-répare au retour à température ambiante, vous ne la détecterez jamais. Jerry Magera de Motorola Solutions dispose de données démontrant que la défaillance se produit généralement entre 210 ° et 220 °C puis « se répare » autour de 180 °C. Par conséquent, vous ne verrez jamais rien si vous ne surveillez pas l'ensemble du cycle de température.

Warner : Comment l'IPC répond-t-elle ce problème et qu'a-t-on découvert au cours des dernières années pour aider le secteur à trouver une solution ?

Brown : L'IPC dispose d'un groupe de travail (IPC V-TSL-MVIA ou Weak Interface Microvia Failures Technology Solutions Subcommittee) qui travaille avec diligence pour comprendre les modes de défaillance (MoF).

L'IPC organise également un forum sur la haute fiabilité et un sommet sur les microvias qui existe depuis plus de trois ans et examine ce problème précis. Voici un lien vers l'événement de cette année. Les sommets précédents étaient des manifestations publiques de plusieurs jours. Cependant, le sommet de cette année est une réunion virtuelle en raison de la crise sanitaire actuelle.

Warner : GreenSource est un fabricant de PCB unique en son genre, en ce sens que ses activités sont presque entièrement automatisées. Vous avez indiqué que GreenSource a vu le jour suite à la résolution du problème de fiabilité des microvias. Pourriez-vous nous en dire plus ?

Brown : GreenSource Fabrication a débuté en tant qu'atelier détenu par la Whelen Engineering Company il y a presque six ans. Il y a trois ans, il a été décidé de séparer l'activité de fabrication pour en faire une entité autonome et de proposer un service de vente à des tiers. Une fois cette décision prise, nous sommes passés par un processus visant à évaluer « les besoins de l'Amérique du Nord ». Ces recherches nous ont amenés à conclure que l'Amérique du Nord avait cruellement besoin d'un fournisseur d'ultra-HDI, un fournisseur doté d'un équipement de pointe pour fournir le niveau de technologie et de fiabilité qui manque à l'Amérique du Nord depuis la fin des années 90. À partir de là, nous avons passé dix-huit mois, parcouru plus de 1,9 million de kilomètres autour du monde, pour sélectionner des fournisseurs de premier plan pour les équipements et la chimie. Comme nous voulions que l'installation se trouve sur le campus de Whelen, dans le New Hampshire, nous avons été limités par l'État du New Hampshire pour le traitement des déchets. Par conséquent, nous avons fini par concevoir un système de recyclage/récupération qui fait de nous le seul véritable atelier de fabrication de PCB « vert » sur la planète.

Warner : Que suggéreriez-vous aux ingénieurs en conception qui souhaitent en savoir plus sur ce problème et s'informer sur les dernières avancées dans ce domaine ? 

Brown : Discutez avec vos fournisseurs et d'autres fabricants de leurs expériences, et visitez la page Web sur la fiabilité des microvias IPC.

Warner : Merci, Jim, de nous avoir fait part de votre point de vue et de ce que vous avez fait chez GreenSource. Nous vous souhaitons, ainsi qu'à l'équipe GreenSource, de continuer sur la voie de la réussite.

Brown : Tout le plaisir est pour moi, Judy. J'espère que ces informations seront utiles pour la communauté d'ingénieurs en conception.

Remarque : En savoir plus sur GreenSource. L’usine 4.0 se lance dans la fabrication de PCB, un article de l'expert Happy Holden.