PCBビア製造のための直接金属化プロセス

PCBにビアやスルーホールが製造される際、穴の壁に必要な銅を構築するために金属の堆積とめっき処理が必要となります。ビアの壁に金属膜を構築する作業は電鋳として知られるプロセスで行われますが、このプロセスを実施する前に、さらなる堆積のためのシード層を形成するための初期金属化処理が必要です。後続の電鋳銅プロセスをサポートするために使用できる初期金属化処理には、無電解銅と直接金属化があります。

無電解銅は、業界全体で使用されている標準的な長期にわたる初期金属化処理です。低密度設計では、無電解銅は広く使用されているプロセスであり、適切に制御されていれば、顕著な信頼性の問題は発生しません。高密度PCBでは、マイクロビアの小さな特徴サイズのため、無電解銅めっきの信頼性の問題がより明らかになる可能性があります。

デバイスの小型化が進むにつれて、直接金属化の容量が増加することが期待され、これはUHDIデザインのための信頼性の高い製造およびめっき容量のニーズに対応することになります。これは、IC基板の需要の予想される成長と、電子製造容量の国内回帰の現在のトレンドに一致しています。

初期金属化の概要

PCB製造における主要な金属化プロセスは、穴あけとデスミアの後に実行され、このプロセスは、めっきが必要な穴内にシード層を形成するために使用されます。シード層は、下記に示すように、穴壁に沿って形成され、このシード層が後続の電気めっきの基盤を形成します。

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電気めっきを用いた主要な金属化およびビア形成。

最終的な穴壁厚さ（ほとんどの設計で1ミル）まで電気めっきにより銅層が堆積された後、外層のめっきとはんだマスクが適用され、これにより最終的なめっき層をアンテントされないビアに適用することができます。ビア壁がめっきされると、穴壁内の堆積された銅の厚さを評価し、穴軸に沿っためっきの均一性を確保するために、微細構造分析が行われることがあります。

大きな直径では、大きなアスペクト比を含む場合、結果として得られるめっきは一般に非常に高品質であり、非常に信頼性が高いとされています。小さなサイズにスケールダウンすると、無電解銅はいくつかの信頼性の課題を示し始め、より厳密なプロセス制御の使用、または直接金属化プロセスへの完全な移行を動機付けます。

無電解銅

無電解銅は、電鋳前に使用される伝統的な一次金属化プロセスです。このプロセスは、PCB絶縁材料上に直接、パラジウム触媒を用いて溶液から銅の薄層を堆積させます。薄い銅層が堆積されると、最終的な銅めっき厚さに達するまで上に電鋳銅が堆積されます。このプロセスは、パラジウム触媒の存在下でホルムアルデヒドを使用して銅イオンの還元反応を含みます。

2HCHO + 2OH⁻ → 3H₂ (g) + 2CO₂ + 2e^-

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Cu²⁺ + 2e^- → Cu (金属).

一つの銅膜を別の銅膜に堆積することは、穴壁の電鋳銅にいくつかの信頼性の課題をもたらす可能性があります。電鋳中、堆積された銅は無電解銅と比べて充填率、結晶構造、均一性が異なることがあります。これは均一な結晶構造を持つ完全な銅膜と比較して、より低い機械的強度を生じさせます。二つの銅膜間の界面は、以下のSEM画像の例で見ることができます。

ソース：コブリー、アンドリュー J.、バハア・アッバス、アザド・フセイン。「低周波超音波を用いた低触媒濃度および低めのめっき温度での無電解銅被覆の改善。」国際電気化学科学ジャーナル 9、第12号 (2014): 7795-7804。

このプロセスは酸を含む反応を伴うため、反応生成物として水素ガスが発生します。これは動的な液浴プロセスであるため、無電解銅層が均一になるように、めっき領域から水素ガスが逃げる必要があります。これは大きな穴径ではあまり問題ではありませんが、小さな穴径でのめっきでは、無電解銅層を損なう可能性のある水素ガスが閉じ込められることがあります。

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直接金属化

このプロセスは、ビアホール壁めっきにおける信頼性の問題の主要な原因3つを排除します。これらは以下の通りです：

• 反応生成物としての水素の排除
• 無電解-電気めっき銅膜界面の排除
• めっき浴の安定化、これにより補充なしでのダウンタイムが可能に

直接金属化によって形成される膜は、水素ガス生成物と銅-銅膜界面を排除することで、より高い均一性と高い機械的強度を持つ傾向があります。さらに、このプロセスは化学浴を含むため、大きなスルーホールにも使用できます。これはマイクロビア形成に限定されるものではありません。

現在、直接金属化の能力の多くは大手多国籍メーカーにあり、この技術は主にアジアや先進的なプロトタイピング会社で見られます。より多くの能力がオンラインになると予想されるため、企業が生産できる場所の範囲が広がるでしょう。

PCB設計ルールを変更する必要がありますか？

ここでの答えは明確な「いいえ」です。直接金属化をビア形成に使用する場合でも、PCB設計のビア設計ルールは変わりません。これは、マイクロビアを使用しているHDI PCB設計にも、穴径が大きい従来のスルーホール設計にも適用されます。ただし、直接金属化を望ましい製造プロセスとする場合は、製造業者に連絡して処理能力について問い合わせることを検討してください。PCB製造ノートで直接金属化の使用を優先プロセスとして指定することもできます。

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