Conosci i processi di fabbricazione dei microvia e i substrati HDI

Fabbricazione iniziale di HDI

I circuiti stampati ad Alta Densità di Interconnessione hanno avuto inizio nel 1980, quando i ricercatori hanno iniziato a indagare modi per ridurre le dimensioni dei via. Il primo innovatore non è noto, ma alcuni dei pionieri più antichi includono Larry Burgess di MicroPak Laboratories (sviluppatore di LaserVia), il Dr. Charles Bauer presso Tektronix (che ha prodotto via fotodielettrici), [1] e il Dr. Walter Schmidt presso Contraves (che ha sviluppato via incisi al plasma).

Il primo assemblaggio produttivo o le schede stampate sequenziali sono apparse nel 1984, iniziando con le schede computer FINSTRATE di Hewlett-Packard forate al laser, seguite nel 1991 in Giappone con i Circuiti Laminari Superficiali (SLC) [2] di IBM-YASU e in Svizzera con DYCOstrate [3] di Dyconex. La figura 1 mostra una di quelle prime schede FINSTRATE di Hewlett Packard, sulla copertina del Journal di Hewlett-Packard (1983).

HP Finstrate Laser-Via

HP non aveva intenzione di sviluppare microvie forate con laser. Queste sono state il risultato dell'ingegneria inversa del loro nuovo chip per microcomputer a 32 bit. Lo hanno chiamato il chip "FOCUS", un microprocessore a 32 bit sviluppato in NMOS-III, che ha la caratteristica di essere molto esigente in termini di corrente. Una delle prime sorprese con questo nuovo microprocessore è stata che non era in grado di pilotare l'induttanza di una via passante standard di 0,3 mm di diametro in una scheda spessa 1,6 mm. Poteva pilotare solo 20-30 nHenry di induttanza, o una via cieca di 0,125mm. La seconda sorpresa è stata che non aveva l'energia per pilotare le perdite normali di FR-4 (Dj=0.020), quindi è stato utilizzato puro politetrafluoroetilene (PTFE). Il requisito di raffreddamento dell'IC richiedeva una scheda con nucleo metallico con microvie cieche molto piccole e un dielettrico a bassissima perdita. La scheda risultante era una tecnologia di costruzione con nucleo in rame che aveva circuiti integrati (IC) collegati direttamente con wire-bonding.

FIGURA 1. Il primo PCB con microvia in produzione generale. Il FINSTRATE di Hewlett Packard è stato messo in produzione nel 1984. Era una tecnologia di costruzione su nucleo di rame, con PTFE puro come dielettrico che aveva circuiti integrati (IC) collegati direttamente con wire-bonding.

Foto IBM SLC

Dall'introduzione della tecnologia SLC di IBM nel 1991, sono state sviluppate e implementate molte varianti di metodi per la produzione di massa di schede di cablaggio HDI, giudicate in termini di volume prodotto, la tecnologia di foratura laser è quella. Altri metodi sono ancora utilizzati da un certo numero di produttori di PWB, ma su scala molto più piccola.

Tuttavia, verrà posta una maggiore enfasi sul processo di foratura laser (da qui in poi via laser) poiché è il processo più popolare oggi e sembra che la sua popolarità crescerà in futuro. Bisogna capire che la formazione del foro via è solo un elemento della fabbricazione delle schede di cablaggio HDI. La fabbricazione di schede di cablaggio HDI con fori microvia coinvolge molti processi non applicabili alla fabbricazione di schede convenzionali.

Fondamenti della Fabbricazione HDI

La figura 2 mostra la suddivisione del processo di fabbricazione delle Tecnologie di Costruzione Sequenziale (SBU) o degli Interconnettori ad Alta Densità. I tre elementi base sono:

• Formato Dielettrico,
• Formazione Via,
• Metodi di Metallizzazione

FIGURA 2. La tecnologia di costruzione sequenziale (HDI) presenta tre caratteristiche principali: Formato dielettrico, Formazione delle vie e Metodi di metallizzazione (Cortesia di DuPont).

Il processo di fabbricazione per ogni tecnologia microvia inizia con un nucleo base, che può essere una semplice scheda a doppia faccia che trasporta piani di alimentazione e di massa o una scheda multistrato che trasporta alcuni schemi di segnale in aggiunta ai piani di alimentazione e di massa. Il nucleo di solito ha fori passanti metallizzati (PTH). Questi PTH diventano BVH. Un tale nucleo è spesso chiamato nucleo attivo.

Dielettrici e Isolanti

Una panoramica dei materiali dielettrici e conduttivi applicati utilizzati nella fabbricazione di microvia è trattata nello standard IPC-4104A. Alcuni di questi dielettrici possono essere utilizzati sia nel packaging dei chip che nelle applicazioni HDI di PWB. Si fanno riferimenti incrociati alle specifiche materiali pertinenti della specifica IPC/JPCA-4104 per materiali HDI e microvia

La selezione dei materiali deve rispondere a queste domande:

• Il dielettrico utilizzerà una chimica compatibile con l'attuale chimica utilizzata dal materiale del substrato di base?
• Il dielettrico avrà un'accettabile adesione del rame placcato? (Molti produttori di apparecchiature originali [OEM] desiderano >6 lb./in. [1.08 kgm/cm] per 1 oz. [35.6 µm] di rame.)
• Il dielettrico fornirà uno spazio dielettrico adeguato e affidabile tra i strati metallici?
• Soddisferà le esigenze termiche?
• Il dielettrico fornirà un desiderabile Tg “alto” per il bonding dei fili e il lavoro di riparazione?
• Sopravviverà allo shock termico con più strati SBU (cioè, galleggiamenti della saldatura, cicli termici accelerati, più riflussi)?
• Avrà microvie placcabili e affidabili (cioè, avrà la latitudine per garantire una buona placcatura sul fondo della via)?

Ci sono nove diversi materiali dielettrici generali utilizzati nei substrati HDI. Fogli slash IPC come IPC-4101B e IPC-4104A coprono molti di questi, ma molti non sono ancora specificati dagli standard IPC. I materiali sono:

• Dielettrici liquidi fotosensibili
• Dielettrici in film secco fotosensibili
• Film flessibile in poliimide
• Film asciutti termoindurenti
• Dielettrico liquido termoindurente
• Foglio di rame rivestito di resina (RCC), a doppio strato e rinforzato
• Nuclei e prepreg convenzionali FR-4
• Nuovi prepreg ‘spread-glass’ perforabili con laser (LD)
• Termoplastici

Formazione di Via di Interconnessione

Questa sezione discute i processi che impiegano varie tecniche di formazione di fori via. La perforazione attraverso-via è possibile al di sotto di 0,20 mm (0,008 pollici), ma il costo e la praticità scoraggiano questa pratica. Al di sotto di 0,20 mm (0,008 pollici), il laser e altri processi di formazione via sono più convenienti. Esistono molti metodi differenti per formare le IVH utilizzate nei processi HDI. La perforazione laser è la più prominente. Questi diversi metodi di formazione via hanno alcuni limiti sulla dimensione minima delle vie che formano, così come differenze significative nella velocità di formazione delle vie.

FIGURA 3. La perforazione meccanica delle piccole vie, sia con profondità controllata, Figura 3a, che con laminazione sequenziale, Figura 3b, è come l'HDI è iniziato nella produzione di volume.

Perforazione Meccanica

La tecnica più antica per la formazione di vie cieche e sepolte è la perforazione meccanica e la laminazione sequenziale, come mostrato nella Figura 3a e 3b.  Sono stati fatti progressi sia nella produzione di punte da trapano di piccole dimensioni sia nella perforazione meccanica ad alta velocità per permettere l'uso di questa tecnica in alcune circostanze.

 

FIGURA 4. La creazione della via cieca in un pannello PWB è normalmente realizzata con la tecnologia laser  ma sono stati utilizzati anche ‘processi di via di massa’ come l'incisione chimica, il plasma o i fotodielettrici.

Tecnologia Via Laser

La lavorazione dei microfori con laser è di gran lunga il processo più popolare per la formazione di microvie. Tuttavia, non è il processo di formazione delle vie più veloce. L'incisione chimica di piccole vie è la più rapida, con un tasso stimato da 8.000 a 12.000 vie al secondo. Questo vale anche per la formazione di vie con plasma e la formazione di fotovie (Figura 4). Si tratta tutti di processi di formazione di vie in massa. La perforazione laser è una delle tecniche più antiche per la generazione di microvie. [1] Le lunghezze d'onda per l'energia laser si trovano nelle regioni infrarossa e ultravioletta. La perforazione laser richiede la programmazione della dimensione del flusso del fascio e dell'energia. I fasci ad alta fluenza possono tagliare metallo e vetro, mentre i fasci a bassa fluenza rimuovono in modo pulito i materiali organici ma lasciano i metalli intatti. Si utilizza una dimensione del punto del fascio piccola come circa 20 micron (<1 mil) per i fasci ad alta fluenza e circa 100 micron (4 mil) a 350 micron (14 mil) per i fasci a bassa fluenza. [2] [3]

La maggior parte dei processi laser utilizza laser a CO2 o UV poiché sono i laser più facilmente disponibili ed economici. Quando si utilizza un laser a CO2 per produrre vie in laminati epossidici, il rame deve essere rimosso sopra l'area da ablare (Vedi Figura 5). Il laser a CO2 è principalmente utilizzato per laminati non supportati da vetro. Ciò include laminati non supportati come il poliimide flessibile e il rame rivestito di resina (RCC^®) e laminati rinforzati con materiali alternativi come le fibre di aramide. I laser CO2 TEA modificati (Transversely Excited Atmospheric) sono specificamente creati per incidere attraverso le fibre di vetro utilizzando una lunghezza d'onda di 9.000 nm e una potenza di picco superiore.

Tuttavia, esistono molte varianti. Ai fini della perforazione di fori microvia, ci sono cinque sistemi laser: UV/Eximer, laser UV/Yag, laser CO2, Yag/CO2 e combinazioni CO2/TCO2. Esistono anche molti materiali dielettrici: RCC, solo resina (film secco o resina liquida) e prepreg rinforzato. Pertanto, il numero di modi per realizzare fori microvia con sistemi laser è determinato dalla permutazione di cinque sistemi laser e questi materiali dielettrici, come si vede nella Figura 5.

FIGURA 5. I tre principali processi di ablazione laser dei microfori ciechi; c. apertura della finestra nella lamina di rame utilizzando laser UV o trattamenti speciali con laser CO2; d. Incisione di una finestra nella lamina di rame e successiva ablazione dei dielettrici con laser; e. Ablazione laser Eximer del microforo nei materiali e successiva metallizzazione del dielettrico con sputtering o rame elettroless mSAP.

I laser di potenza superiore (ad esempio Ultra Violetto-UV) possono rimuovere vetro e rame e possono quindi essere utilizzati con laminati convenzionali, ma sono tipicamente più lenti nel tagliare rame e fibre di vetro. Ci sono diversi fattori da considerare nel processo di lavorazione dei microfori con laser: precisione della posizione dei fori realizzati con laser (fori microvia), diametri irregolari dei fori, e variazione dimensionale del pannello dopo la cura del dielettrico, variazione dimensionale del pannello dovuta a variazioni di temperatura e umidità, precisione di allineamento della macchina di fotoesposizione, natura instabile dell'arte negativa, e così via. Questi dovrebbero essere attentamente monitorati e sono importanti per tutti i processi di fori microvia.

Metodo di Metallizzazione

L'ultimo processo è la metallizzazione dei microfori. Esistono quattro diversi metodi di metallizzazione dei IVH utilizzati nei processi HDI. I metodi sono: 

• Rame Elettrolitico e Elettroless Tradizionale
• Grafito Conduttivo Tradizionale o altri Polimeri
• Rame Elettroless Totalmente e Semi-Additivo
• Paste o Inchiostri Conduttivi (Fig. 6f e 6g)

Il laser è il metodo più utilizzato per la produzione di microvie da riempire con una pasta conduttiva. I laser sono capaci di ablare il materiale dielettrico e di fermarsi quando intercettano il circuito in rame, quindi sono particolarmente adatti per la creazione di vie cieche controllate in profondità. La Figura 6 mostra questi due principali processi per microvie.

FIGURA 6. Due dei processi asiatici più popolari per la metallizzazione dei fori micro-via con polimeri conduttivi; f. Il processo BBiT serigrafa una pasta conduttiva d'argento su lamina di rame e la lamina nel nucleo a due lati; g. Varie paste conduttive vengono serigrafate nei fori trapanati con laser nel dielettrico in fase b e poi laminate con lamina di rame nel nucleo.

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