製造性考慮設計(DFM)

IPCが高性能製品のマイクロビア信頼性に関して警告

Engineering News IPCが高性能製品のマイクロビア信頼性に関して警告皆さんが、2019年3月6日にIPCから発表された、高プロファイルHDIボードの現場および潜在的な故障に関する警告のプレスリリースをすでに読まれたことを願っています。もし読まれていない場合、完全なプレスリリースは I-Connect 007で入手可能です。[1] 皆さんが目にされたかもしれないのは、IPCがこれから出るIPC-6012E、リジッドプリントボードの資格認定と性能仕様に含まれる警告文です：「過去数年間にわたり、製造後のマイクロビア故障の例が多数ありました。通常、これらの故障はリフロー中に発生しますが、室温では検出不可能（潜在的）であることが多いです。組み立てプロセスが進むにつれて、故障が現れると、それがより高価になります。製品がサービスに投入された後にまで検出されない場合、それははるかに大きなコストリスクとなり、さらに重要なことに、安全リスクをもたらす可能性があります。」パニックにならないでください！この警告の背景を説明させてください。ここ数年、いくつかのOEMは、最善の利用可能な受入検査およびテスト方法論でスクリーニングされたにもかかわらず、彼らの高度なHDI多層基板で潜在的な欠陥を経験しました。この欠陥は、以下で観察された故障を引き起こしました：リフロー後のインサーキットテスト「ボックスレベル」組み立て環境のストレススクリーニング（ESS）中保管から取り出された時サービス中（エンドカスタマーが使用中の製品）これらのOEMによる多大な努力と調査、およびD-32熱ストレステスト方法諮問委員会との調整を経て、IPCは新しい熱ストレステスト方法（IPC-TM-650、方法2.6.27A）と熱衝撃テスト方法（IPC-TM-650、方法2.6.7.2）を発行しました。方法2.6.27では、テスト車両またはクーポンを通常のはんだペーストリフロープロファイルに従ってピーク温度230度Cまたは260度Cに達するようにし、4線式抵抗測定ユニットに接続した状態で6回の完全なリフロープロファイルを実施し、抵抗の増加が5％を超えないようにします。テストクーポン内のデイジーチェーンは、実際の回路で使用される特徴で構成する必要があります。これにより、これらのOEMは潜在的なマイクロビアの故障を検出し、可能な欠陥の逃避から自身を守ることができました。しかし、この潜在的なHDI故障の根本原因を見つけることは困難でした。そこで、2018年初頭にIPCは、Michael Caranoの監督のもと、業界の専門家からなる選抜グループを組織し、この状況を調査することにしました。2018年後半には、このグループはIPC V-TSL-MVIA 微小ビア故障技術ソリューション小委員会と名付けられました。私はこのグループの創設メンバーです。しかし、強調しておきたいのは、過去1年間、私たちは会合を重ね、テストデータ、断面観察、実験結果を検討しました。これが私たちが知っていることです：欠陥は、マイクロビアとその下の銅層またはその下の別のマイクロビアとの間の金属界面での亀裂として現れます。（図1を参照）

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PCBにおける銅のラップメッキ

PCBにおける銅のラップめっき新しい電子機器を購入して、1週間後に故障してしまうことは誰も望んでいません。私は同じフラットスクリーンモニターを5年以上使っていますが、これまでに所有した電子機器の中で最も頑丈なものです。信頼性の高い設計が好きなら、デバイスの寿命を向上させることを目的とした業界標準に注目していることでしょう。 PCBのビアメッキは、衝撃や熱サイクルに耐えられるほど信頼性が高くなければなりません。ここでメッキプロセスが重要となり、新しいIPC 6012Eのメッキ要件は、ビア・イン・パッド構造の信頼性を向上させるために設計されたメッキ技術を指定しています。銅ラップメッキ構造ビア・イン・パッド構造には、ビア穴を銅メッキして、多層PCBの層間で信号をルーティングする必要があります。このメッキは、ビア・イン・パッド構造内の他のパッドや、小さな環状リングを使用してトレースに直接接続します。これらの構造は不可欠ですが、繰り返しの熱サイクル下での信頼性の問題があることが知られています。 IPC 6012E基準は最近、ビア・イン・パッド構造に銅ラップめっきの要件を追加しました。充填された銅めっきはビア穴の端を回り込み、ビアパッドを取り囲む環状リングにまで延びるべきです。この要件はビアめっきの信頼性を向上させ、クラックや表面特徴とめっきされたビア穴との分離による故障の可能性を減少させる可能性があります。充填された銅ラップ構造は2つのバリエーションがあります。まず、ビアの内側に連続した銅膜が適用され、その後ビアの両端の上層と下層を覆い越えます。この銅ラップめっきはビアパッドとビアに繋がるトレースを形成し、連続した銅構造を作り出します。または、ビアはビアの両端を囲む独自のパッドを持つことができます。この別のパッド層はトレースやグラウンドプレーンに接続します。ビアを充填する銅めっきはこの外部パッドの上を覆い越え、充填めっきとビアパッドの間にバットジョイントを形成します。充填めっきとビアパッドの間にはある程度の結合が発生しますが、二つは融合せず、単一の連続した構造を形成しません。 PCBでのビア穴のドリリング熱サイクル下での信頼性 PCBが時間とともに熱サイクルを繰り返すと、体積膨張が銅のラップメッキ、ビア充填材、およびラミネート界面に圧縮または引張応力を生じさせます。応力の量は、基板と環境の間の温度勾配、関与する各材料の熱膨張係数、および基板の層数など、多くの要因に依存します。基板材料の熱膨張係数が一致しないことは、銅のラップメッキに大きな応力を与える原因となります。これにより、ビアバレル内のメッキが割れてバットジョイントから分離する可能性があります。連続する銅のラップメッキも、ビアの端で直角に割れることがあります。ビアの内部がバットジョイントから分離した場合、またはラップメッキの端でビアが割れた場合、ビアにオープン回路の故障が発生します。繰り返しの熱サイクル中に曲がると、さらに多くの故障が発生します。基板の最も外側の層に近い位置で終わるビアは、基板がこれらの層でより大きく曲がるため、熱サイクルによる破断の可能性がはるかに高くなります。これらの構造物での故障の可能性にもかかわらず、銅のラップメッキを使用しないビアよりも、銅のラップメッキを使用した方が依然として信頼性が高いです。この追加の銅のラップ層は、ビア壁内のメッキの構造的完全性を高めるだけでなく、ビアメッキと環状リングとの接触面積を増加させます。基板上の銅の可視性と安定性は価値があります。構造的完全性は、ラップメッキの上にボタンメッキを追加することでさらに高めることができます。一部のメーカーは原則としてこれを行います。ボタンメッキも、ラップメッキと同様に、ビアの上部と下部の端を覆います。その後、メッキ抵抗が剥がされ、ビアはエポキシで満たされ、最終的に表面は平滑化され、滑らかな表面が残ります。これは、IPC 6012E基準を満たしながら信頼性を最大化する最良の方法と言えるでしょう。 IPC 6012Eに準拠しためっきは、埋め込みビアが別々のレイヤースタックに分割されている限り、埋め込みビアにも簡単に適用できます。内層スタックは、スルーホールビアの場合と同様に、銅でラップすることができます。これらの内層にあるビアは、スルーホールビアと同じようにめっきすることができます。各分割されたスタックがめっきされた後、最終的なスタックアップはプリプレグを使用して配置することができます。