Placcatura in rame UHDI: cosa devono capire i progettisti riguardo al processo

Il processo di ramatura che produce i via è molto ben compreso dai fabbricanti e il tradizionale processo di incisione sottrattiva per la tecnologia standard e High Density Interconnect (HDI) si basa su decenni di esperienza a supporto delle regole di progettazione relative all’aspect ratio e delle migliori pratiche di design, e tali regole sono ben note alla comunità dei progettisti PCB.

In apparenza, il processo di ramatura per la tecnologia Ultra HDI non dovrebbe essere così complicato, giusto? Ma la tecnologia Ultra HDI non può contare su decenni di esperienza di processo, e margini e tolleranze assumono un significato del tutto nuovo quando le dimensioni delle feature scendono sotto i 75 micron, soprattutto quando si avvicinano ai 25 micron.

La ramatura nel contesto UHDI non è un processo secondario che i fabbricanti gestiscono automaticamente. È un insieme di variabili che interagiscono direttamente con le decisioni di progettazione e, quando queste variabili non vengono considerate correttamente, sia i fabbricanti sia il progettista PCB possono trovarsi ad affrontare diversi problemi durante la prototipazione e lo sviluppo.

Punti chiave

• La ramatura UHDI è un problema di geometria, non solo di fabbricazione. Quando i diametri dei via scendono sotto i 75 micron, la distribuzione della corrente diventa non uniforme e la variazione dello spessore del rame aumenta, e la geometria che determina questo rischio deriva dal progetto.
• L’aspect ratio è il valore critico che i progettisti controllano. Per i microvia forati al laser nelle strutture UHDI, mantenersi a 1:1 o al di sotto (profondità/diametro) è un vincolo rigido imposto dalla fisica della ramatura, non una preferenza del fabbricante. Non c’è margine per spingersi oltre.
• I microvia impilati richiedono un riempimento completo e planare di rame prima che si possa realizzare lo strato successivo. Qualsiasi rigonfiamento, rientranza o riempimento decentrato diventa un punto di guasto intrinseco per il via impilato sopra di esso.
• Il solo test elettrico non è sufficiente a rilevare il rischio di ramatura in UHDI. Un via può superare il test di continuità e avere comunque un profilo di ramatura destinato a cedere sotto cicli termici in esercizio. L’analisi in sezione trasversale sul first article è l’unico modo per sapere cosa sta realmente accadendo all’interno della struttura.

Perché la ramatura diventa più difficile quando le feature si riducono

Nella fabbricazione PCB standard, la ramatura è un processo maturo. Le tolleranze sono note, la chimica di processo è ben ottimizzata e i fabbricanti hanno anni di dati a cui attingere. Quando si passa alle geometrie UHDI, gran parte di questa sicurezza viene meno.

Il problema di fondo è l’accesso. La ramatura elettrolitica deposita ioni di rame su superfici conduttive in presenza di un campo elettrico. Con geometrie più grandi, la corrente si distribuisce in modo ragionevolmente uniforme. Quando i diametri dei via scendono sotto i 75 micron, questa distribuzione diventa più difficile da controllare. La densità di corrente si concentra su bordi e spigoli. Il campo all’interno di un via piccolo non è lo stesso del campo in superficie. Il rame si deposita più rapidamente in alcune aree che in altre e la variazione di spessore diventa significativa alle dimensioni richieste dall’UHDI.

Questo non è un problema del fabbricante che una chimica migliore possa risolvere da sola. È un problema di geometria, e la geometria deriva dal progetto.

Aspect Ratio: il numero che determina il rischio di ramatura

Aspect ratio (il rapporto tra la profondità di un via e il suo diametro) è uno dei valori più importanti nella ramatura UHDI, ed è uno di quelli che i progettisti controllano direttamente.

La maggior parte dei fabbricanti lavora con un massimo di 1:1 per i microvia forati al laser nelle costruzioni UHDI. Un via da 75 micron forato attraverso un dielettrico non più spesso di 75 micron, oppure un via da 50 micron attraverso un dielettrico da 50 micron. Oltre quel limite, il ricambio della soluzione di ramatura all’interno del via diventa limitato. La chimica fresca non riesce a entrare. I sottoprodotti non riescono a uscire. Il risultato è una ramatura incompleta, rame sottile nel barrel del via oppure vuoti.

I vuoti in un via passante standard sono un problema di affidabilità. In un microvia impilato sono un problema più immediato. I cicli termici durante il reflow sollecitano questi vuoti, e un vuoto all’interno di un via impilato riempito di rame crea un punto di guasto che potrebbe non emergere nel test elettrico, ma si manifesterà sul campo.

Lo spessore del dielettrico e il diametro del via sono entrambi decisioni di progettazione. Mantenere l’aspect ratio a 1:1 o inferiore non è una preferenza del fabbricante. È un vincolo della fisica della ramatura che il progetto deve rispettare e, con l’UHDI, non c’è margine per andare oltre queste regole di progettazione.  E so che ci siamo tutti abituati a spingere questi aspect ratio nell’HDI con l’incisione sottrattiva!

Microvia impilati e requisito di riempimento in rame

La maggior parte dei progetti UHDI si basa su microvia impilati, anche se i microvia sfalsati sono spesso raccomandati, per raggiungere la densità di interconnessione richiesta dallo stack-up. L’impilamento è ciò che consente il massimo risparmio di spazio, ma è anche il punto in cui si concentra la complessità della ramatura.

Un microvia impilato deve essere riempito di rame prima che il via successivo possa essere forato e ramato sopra di esso. Il riempimento deve essere completo, planare e dimensionalmente coerente. Il foro laser successivo punta al centro di quel via riempito e, se il riempimento è bombato, decentrato o incompleto, il via superiore nasce già con un problema incorporato.

La chimica del riempimento in rame è più lenta e più controllata della ramatura elettrolitica standard, ed è sensibile alle stesse variabili geometriche. I via profondi e stretti si riempiono con meno affidabilità rispetto a quelli poco profondi e più larghi. Alcuni fattori influiscono direttamente sulla qualità del riempimento: diametro del via pari o superiore al minimo raccomandato dal fabbricante, spessore dielettrico costante su tutto il pannello e assenza di un numero di strati impilati superiore a quello per cui il processo del fabbricante è stato qualificato. Chiedete informazioni specifiche proprio su quest’ultimo punto: non sempre è un valore che compare nel normale feedback DFM.

Cosa emerge sui first article

I problemi di ramatura in UHDI non sempre emergono nel test elettrico. Un via può superare il test di continuità e avere comunque un profilo di ramatura che crea un rischio per l’affidabilità. L’analisi in sezione trasversale è lo strumento che mostra realmente cosa accade all’interno della struttura del via. Considerate le sezioni trasversali del first article come una vera raccolta dati, non come una formalità, specialmente con progetti Ultra HDI.

Cercate diversi elementi: uniformità dello spessore del rame nei barrel dei via su campioni multipli, non solo in una singola posizione del pannello; il profilo di riempimento nei via impilati; una superficie leggermente bombata o incassata dice qualcosa su come chimica e geometria stanno interagendo tra loro; e osservate la variazione dello spessore del rame tra aree dense e aree rade del pannello.

Se uno qualsiasi di questi elementi mostra variazioni che preoccupano il fabbricante, questa è la conversazione da affrontare in fase di sviluppo e ben prima della produzione. Le modifiche al first article sono piuttosto semplici e previste, ma i problemi di affidabilità che sfuggono al controllo dopo la spedizione del prodotto non lo sono.

Prima di rilasciare il progetto

Alcuni aspetti da considerare:

• Avete calcolato l’aspect ratio per ogni microvia e verificato che rientri nell’intervallo qualificato del vostro fabbricante?
• Lo spessore del dielettrico in ogni build-up layer è coerente con il diametro del via forato attraverso di esso?
• Avete discusso i requisiti di riempimento in rame per i via impilati, incluso il numero di strati impilati per cui il processo del fabbricante è qualificato?
• La distribuzione del rame sul pannello è stata affrontata, tramite bilanciamento del rame nel progetto oppure con un confronto diretto su ciò di cui il fabbricante ha bisogno?
• Il processo di ramatura lavora con la geometria fornita dal progetto e ottenere la geometria corretta è una variabile controllabile prima del rilascio alla fabbricazione.

Per i team che coordinano progettazione ad alta densità di interconnessione, feedback di fabbricazione e preparazione al rilascio, Altium Develop aiuta a collegare il lavoro di sviluppo elettronico tra i soggetti coinvolti nella progettazione e nella produzione. 

Inizia con Altium Develop →

Domande frequenti

Perché la ramatura del rame UHDI influisce sul costo?

La ramatura UHDI può aumentare i costi perché le feature più piccole richiedono spesso un controllo più rigoroso dello stack-up, un monitoraggio di processo più attento, un numero maggiore di sezioni trasversali e una revisione tecnica più stretta tra il team di progettazione e il fabbricante PCB. Anche i microvia impilati riempiti di rame possono aumentare i tempi di fabbricazione, poiché ogni livello riempito deve essere completato prima che venga formato il livello successivo.

Quali metodi di ispezione aiutano a individuare i problemi di ramatura UHDI?

L’analisi in sezione trasversale è il metodo di ispezione principale per osservare spessore del rame, vuoti e forma del riempimento all’interno dei microvia. A seconda del livello di rischio del prodotto, i team possono anche richiedere test su coupon, valutazione delle sollecitazioni termiche o campionamenti aggiuntivi in diverse posizioni del pannello per confrontare aree ad alta e bassa densità di rame.

Quali controlli DFM dovrebbero eseguire i progettisti prima della fabbricazione?

I progettisti dovrebbero verificare aspect ratio dei microvia, spessore del dielettrico, numero di via impilati, distribuzione del rame e dimensioni minime delle feature qualificate dal fabbricante. Eseguire questi controlli prima della generazione degli output aiuta a evitare blocchi DFM evitabili e mantiene la discussione con il fabbricante focalizzata sulla capacità di processo invece che su correzioni tardive del layout.