Placage cuivre UHDI : ce que les concepteurs doivent comprendre du procédé

Le procédé de cuivrage qui permet de produire les vias est très bien maîtrisé par les fabricants, et le procédé traditionnel de gravure soustractive pour les technologies standard et High Density Interconnect (HDI) bénéficie de décennies d’expérience à l’origine des règles de conception concernant le rapport d’aspect et les bonnes pratiques de design. Ces règles sont bien comprises par la communauté de la conception PCB.

À première vue, le procédé de cuivrage pour la technologie Ultra HDI ne devrait pas être si compliqué, n’est-ce pas ? Mais la technologie Ultra HDI ne bénéficie pas de décennies d’expérience sur le procédé, et les marges comme les tolérances prennent une toute autre dimension lorsque les tailles de motifs passent sous les 75 microns, en particulier lorsqu’elles s’approchent des 25 microns.

Dans l’UHDI, le cuivrage n’est pas un procédé d’arrière-plan que les fabricants gèrent automatiquement. C’est un ensemble de variables qui interagissent directement avec les décisions de conception, et lorsque ces variables ne sont pas correctement prises en compte, les fabricants comme les concepteurs PCB peuvent rencontrer plusieurs problèmes pendant le prototypage et le développement.

Points clés

• Le cuivrage en UHDI est un problème de géométrie, pas seulement de fabrication. Lorsque le diamètre des vias descend sous 75 microns, la répartition du courant devient irrégulière et les variations d’épaisseur du cuivre augmentent, et la géométrie à l’origine de ce risque provient de la conception.
• Le rapport d’aspect est la valeur critique que les concepteurs contrôlent. Pour les microvias percés au laser en UHDI, rester à 1:1 ou en dessous (profondeur/diamètre) est une contrainte stricte liée à la physique du cuivrage, et non une simple préférence du fabricant. Il n’y a aucune marge pour aller au-delà.
• Les microvias empilés nécessitent un remplissage complet et plan en cuivre avant que la couche suivante puisse être réalisée. Tout bombement, creux ou remplissage excentré devient un point de défaillance intégré pour le via empilé au-dessus.
• Le test électrique seul ne permet pas de détecter les risques de cuivrage en UHDI. Un via peut réussir le test de continuité tout en présentant un profil de cuivrage qui échouera sous cyclage thermique sur le terrain. L’analyse en coupe au premier article est le seul moyen de savoir ce qui se passe réellement à l’intérieur de la structure.

Pourquoi le cuivrage devient plus difficile à mesure que les motifs rétrécissent

Dans la fabrication PCB standard, le cuivrage est un procédé mature. Les tolérances sont connues, la chimie est bien réglée et les fabricants disposent d’années de données sur lesquelles s’appuyer. Dès qu’on passe aux géométries UHDI, une grande partie de ce confort disparaît.

Le problème fondamental est l’accès. Le cuivrage électrolytique dépose des ions cuivre sur des surfaces conductrices en présence d’un champ électrique. Avec des géométries plus grandes, le courant se répartit de manière relativement uniforme. Lorsque le diamètre des vias passe sous 75 microns, cette répartition devient plus difficile à contrôler. La densité de courant se concentre sur les bords et dans les angles. Le champ à l’intérieur d’un petit via n’est pas le même que celui à la surface. Le cuivre s’accumule plus vite à certains endroits qu’à d’autres, et les variations d’épaisseur deviennent importantes aux tailles de motifs exigées par l’UHDI.

Ce n’est pas un problème de fabrication qu’une meilleure chimie peut résoudre à elle seule. C’est un problème de géométrie, et cette géométrie vient de la conception.

Rapport d’aspect : le chiffre qui détermine le risque de cuivrage

Rapport d’aspect (la relation entre la profondeur d’un via et son diamètre) est l’un des paramètres les plus importants du cuivrage en UHDI, et c’est un paramètre que les concepteurs contrôlent directement.

La plupart des fabricants travaillent avec un maximum de 1:1 pour les microvias percés au laser dans les constructions UHDI. Un via de 75 microns percé dans un diélectrique ne dépassant pas 75 microns d’épaisseur, ou un via de 50 microns dans un diélectrique de 50 microns. Au-delà, le renouvellement de la solution de cuivrage à l’intérieur du via devient limité. La chimie fraîche ne peut pas entrer. Les sous-produits ne peuvent pas sortir. Le résultat est un cuivrage incomplet, un cuivre trop mince dans le fût du via, ou des vides.

Les vides dans un via traversant standard sont un problème de fiabilité. Dans un microvia empilé, c’est un problème plus immédiat. Le cyclage thermique pendant le refusion met ces vides sous contrainte, et un vide à l’intérieur d’un via empilé rempli de cuivre crée un point de défaillance qui peut ne pas apparaître au test électrique, mais se manifestera sur le terrain.

L’épaisseur du diélectrique et le diamètre du via sont tous deux des décisions de conception. Maintenir un rapport d’aspect inférieur ou égal à 1:1 n’est pas une préférence du fabricant. C’est une contrainte liée à la physique du cuivrage à laquelle la conception doit s’adapter, et avec l’UHDI, il n’existe pas de marge pour dépasser ces règles de conception.  Et je sais que nous avons tous pris l’habitude de pousser ces rapports d’aspect en HDI avec la gravure soustractive !

Microvias empilés et exigence de remplissage cuivre

La plupart des conceptions UHDI s’appuient sur des microvias empilés, même si les microvias décalés sont souvent recommandés, pour atteindre la densité d’interconnexion exigée par l’empilage. L’empilage permet le plus grand gain d’espace, mais c’est aussi là que se concentre la complexité du cuivrage.

Un microvia empilé doit être rempli de cuivre avant que le via suivant puisse être percé et cuivré au-dessus. Le remplissage doit être complet, plan et dimensionnellement constant. Le perçage laser suivant vise le centre de ce via rempli, et si le remplissage est bombé, excentré ou incomplet, le via au-dessus commence déjà avec un problème intégré.

La chimie de remplissage cuivre est plus lente et plus contrôlée que le cuivrage électrolytique standard, et sensible aux mêmes variables géométriques. Les vias profonds et étroits se remplissent moins fiablement que les vias peu profonds et plus larges. Quelques éléments influencent directement la qualité du remplissage : un diamètre de via égal ou supérieur au minimum recommandé par le fabricant, une épaisseur diélectrique constante sur l’ensemble du panneau, et le fait de ne pas empiler plus de couches que ce pour quoi le procédé du fabricant a été qualifié. Posez la question explicitement sur ce dernier point : ce n’est pas toujours une donnée qui apparaît dans les retours DFM standard.

Ce qui apparaît sur les premiers articles

Les problèmes de cuivrage en UHDI n’apparaissent pas toujours lors du test électrique. Un via peut réussir le test de continuité tout en présentant un profil de cuivrage qui crée un risque pour la fiabilité. L’analyse en coupe est l’outil qui montre réellement ce qui se passe à l’intérieur de la structure du via. Considérez les coupes du premier article comme une véritable collecte de données, et non comme une formalité, en particulier avec les conceptions Ultra HDI.

Examinez plusieurs points : la régularité de l’épaisseur du cuivre dans les fûts de vias sur plusieurs échantillons, et pas seulement à un seul endroit du panneau ; le profil de remplissage sur les vias empilés — une surface légèrement bombée ou en creux indique quelque chose sur l’interaction entre la chimie et la géométrie — ; et observez les variations d’épaisseur du cuivre entre les zones denses et les zones peu chargées du panneau.

Si l’un de ces points montre une variation qui inquiète le fabricant, c’est une discussion à avoir pendant le développement et bien avant la production. Les ajustements au stade du premier article sont assez simples et attendus, mais les défaillances de fiabilité découvertes après la mise sur le marché du produit ne le sont pas.

Avant de libérer la conception

Quelques points à prendre en compte :

• Avez-vous calculé le rapport d’aspect pour chaque microvia et confirmé qu’il reste dans la plage qualifiée de votre fabricant ?
• L’épaisseur du diélectrique dans chaque couche d’accroissement est-elle cohérente avec le diamètre du via percé à travers elle ?
• Avez-vous discuté des exigences de remplissage cuivre pour les vias empilés, y compris du nombre de couches empilées pour lequel le procédé du fabricant est qualifié ?
• La répartition du cuivre sur le panneau a-t-elle été prise en compte, soit par équilibrage du cuivre dans la conception, soit par une discussion directe sur les besoins du fabricant ?
• Le procédé de cuivrage travaille avec la géométrie fournie par la conception, et obtenir la bonne géométrie est une variable maîtrisable avant l’envoi en fabrication.

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Foire aux questions

Pourquoi le cuivrage cuivre UHDI a-t-il un impact sur le coût ?

Le cuivrage UHDI peut augmenter les coûts, car les motifs plus petits exigent souvent un contrôle plus strict de l’empilage, davantage de surveillance du procédé, des analyses en coupe supplémentaires et une revue d’ingénierie plus étroite entre l’équipe de conception et le fabricant PCB. Les microvias empilés remplis de cuivre peuvent aussi augmenter le temps de fabrication, car chaque niveau rempli doit être terminé avant que le niveau suivant ne soit formé.

Quelles méthodes d’inspection aident à détecter les problèmes de cuivrage UHDI ?

L’analyse en coupe est la principale méthode d’inspection pour observer l’épaisseur du cuivre, les vides et la forme du remplissage à l’intérieur des microvias. Selon le niveau de risque du produit, les équipes peuvent aussi demander des tests sur coupons, une évaluation des contraintes thermiques ou un échantillonnage supplémentaire à différents emplacements du panneau afin de comparer les zones de cuivre denses et peu denses.

Quelles vérifications DFM les concepteurs doivent-ils effectuer avant la fabrication ?

Les concepteurs doivent examiner le rapport d’aspect des microvias, l’épaisseur du diélectrique, le nombre de vias empilés, la répartition du cuivre et les tailles minimales de motifs qualifiées par le fabricant. Effectuer ces vérifications avant la génération des fichiers de sortie permet d’éviter des blocages DFM évitables et de concentrer la discussion avec le fabricant sur les capacités du procédé plutôt que sur des corrections tardives du layout.