Affidabilità delle Microvia nei progetti interconnessi ad altissima densità

Judy Warner: All'inizio di quest'anno abbiamo avuto l'opportunità di incontrarci all'IPC Apex in California. Nella nostra conversazione hai parlato del problema diffuso riguardante l'affidabilità delle microvia. Puoi descrivere ai nostri lettori di cosa si tratta?

Jim Brown: Judy, poiché la domanda tecnologica è aumentata, questo si ripercuote sulla densità dei circuiti stampati. Il risultato sono circuiti stampati ad altissima densità, microvie sovrapposte e profili inferiori a 75 micron. Le microvie sono utilizzate da oltre un decennio, ma in genere erano composte da un singolo livello. Con la crescente necessità di migliorare la superficie di routing, le microvie sovrapposte sono state aggiunte agli strumenti disponibili per i progettisti. Le moderne microvie sovrapposte sono più soggette all'espansione dell'asse "Z" durante temperature elevate (ridimensionamento) e il risultato è un collegamento errato sulla piazzola di destinazione, oppure tra la piazzola e l'E-Less, dall'E-Less alla memoria flash, oppure rispetto al rame elettrolitico. Queste tre interfacce sono le zone dove si verificano gli errori. La parte sconvolgente è che la separazione avviene ad alte temperature. Tuttavia, quando la struttura si raffredda, l'errore tende a "scomparire", ricollegandosi meccanicamente. Il risultato è un potenziale difetto latente che potrebbe trasformarsi in un errore strutturale.

Warner: Da quanto tempo questo problema sta influenzando l'industria e perché sembra sia apparso dal nulla?

Brown: Bella domanda. Questo problema ha attirato l'attenzione pubblica più o meno nel 2008. Tuttavia, nessuno stava ampiamente sviluppando le microvie sovrapposte e quelli che lo stavano facendo erano sottoposti a rigorose procedure di controllo. Apparentemente "è spuntato dal nulla", perché le moderne tecnologie stanno adottando in larga scala circuiti stampati ad altissima densità, che sono necessari per la maggior parte dei progetti di nuova generazione.

Warner: Quanto è diffuso il problema e cosa devono sapere gli ingegneri progettisti in merito, per evitare guasti alla scheda?

Brown: Un'altra bella domanda! Il termine "diffuso" è ingannevole. Come puoi sapere la percentuale di guasti se la maggior parte dei difetti sono latenti?
Gli ingegneri devono analizzare attentamente i propri fornitori, per assicurarsi che comprendano appieno i meccanismi di errore e attuino processi e procedure per ridurli. Quindi è tutta una questione di controlli. GreenSource Fabrication si affida ai test CAT-OM per determinare l'affidabilità della microvia. Testiamo regolarmente la tecnologia dei circuiti stampati ad altissima densità e raccogliamo i dati per un feedback continuo sul miglioramento (6σ). Alcuni fabbricanti utilizzano la tecnologia IST, però crediamo che i test OM simulino meglio le reazioni della struttura a livello termico nel processo di ridimensionamento e monitorino la resistenza durante l'intero ciclo termico. Un altro metodo sono i controlli di resistenza "prima-e-dopo". Se l'errore svanisce una volta esposto all'ambiente, non verrà mai rilevato. Jerry Magera di Motorola Solutions possiede dati che dimostrano quanto l'errore si verifichi in genere intorno ai 210-220 °C e quindi "svanisce" intorno ai 180 °C. Di conseguenza, se non si esegue il monitoraggio durante il ciclo di temperatura non sarà mai rilevato in ambiente.

Warner: In che modo l'IPC sta affrontando questo problema e cosa è stato scoperto negli ultimi anni per aiutare il settore a trovare una soluzione?

Brown: L'IPC ha una task force (IPC V-TSL-MVIA Weak Interface Microvia Failures Technology Solutions Subcommittee) che lavora assiduamente per comprendere i metodi dei guasti (MoF).

L'IPC ospita inoltre un forum High-Reliability & MicroVia Summit che esiste da oltre tre anni, per esaminare questo esatto problema. Ecco un link riferito all'evento di quest'anno. Mentre i precedenti summit si sono tenuti dal vivo per più giorni, quest'anno si svolgerà in maniera virtuale, a causa dell'attuale crisi sanitaria.

Warner: GreenSource è un produttore PCB estremamente unico, in quanto è quasi interamente automatizzato. Hai accennato al fatto che GreenSource è nata in seguito al problema di affidabilità delle microvie. Potresti gentilmente spiegarci il motivo?

Brown: GreenSource Fabrication è nata circa sei anni fa, come attività legata alla Whelen Engineering Company. Tre anni fa è stato deciso lo spin-off della produzione come entità indipendente e destinare la parte vendite a terzi. Una volta presa quella decisione abbiamo affrontato il processo di valutazione denominato "Di cosa ha bisogno il Nord America?". Questa ricerca ci ha portato alle conclusioni che il Nord America aveva davvero bisogno di un fornitore di circuiti stampati ad altissima densità, con attrezzature all'avanguardia, per garantire il livello di tecnologia e affidabilità che mancava in Nord America dalla fine degli anni '90. Da lì sono trascorsi diciotto mesi, in cui abbiamo viaggiato per oltre 1,2 milioni di miglia in tutto il mondo, selezionando i migliori fornitori di attrezzature e prodotti chimici.
Questo perché volevamo che la struttura fosse presente all'interno del campus di Whelen nel New Hampshire, in quanto lo stato ci aveva imposto limitazioni per il trattamento dei rifiuti. Di conseguenza, abbiamo progettato un sistema di riciclaggio/recupero, che ci rende l'unico vero produttore "ecologico" di PCB al mondo.

Warner: Cosa consiglieresti ai progettisti che desiderano saperne di più su questo problema ed essere informati sui progressi più recenti?

Brown: Di parlare delle proprie esperienze con i fornitori e altri produttori, oltre a visitare la pagina web IPC sull'affidabilità della microvia.

Warner: Jim, grazie per aver condiviso le tue idee e per quanto realizzato con GreenSource. Auguriamo a te e al team di GreenSource di avere ancora successo in futuro.

Brown: Piacere mio, Judy. Spero che queste informazioni siano utili alla comunità di ingegneri progettisti.

Nota: Scopri di più su GreenSource, L'azienda e-Smart dedicata alla produzione di PCB, in questo articolo dell'esperto in materia, Happy Holden.