마이크로비아 제조 공정 및 HDI 기판에 대해 알아보기

초기 HDI 제작

고밀도 인터커넥트 인쇄 회로는 실제로 1980년에 시작되었으며, 연구자들이 비아의 크기를 줄이는 방법을 조사하기 시작했습니다. 첫 번째 혁신가는 알려져 있지 않지만, 가장 초기의 선구자 중 일부는 MicroPak Laboratories의 Larry Burgess(레이저비아 개발자), Tektronix의 Dr. Charles Bauer(광다이어렉트릭 비아 생산), Contraves의 Dr. Walter Schmidt(플라즈마 식각 비아 개발) 등이 있습니다.

첫 번째 생산 빌드업 또는 순차적 인쇄 보드는 1984년에 Hewlett-Packard의 레이저 드릴링 FINSTRATE 컴퓨터 보드로 시작되었으며, 이어서 1991년 일본에서 IBM-YASU의 표면 적층 회로(SLC) [2]와 스위스에서 Dyconex의 DYCOstrate [3]로 이어졌습니다. 그림 1은 Hewlett-Packard 저널(1983) 표지에 있는 그 첫 번째 Hewlett Packard FINSTRATE 보드 중 하나를 보여줍니다.

HP Finstrate 레이저-비아

HP가 레이저로 뚫은 마이크로비아를 개발하려던 의도는 없었습니다. 이들은 새로운 32비트 마이크로컴퓨터 칩을 역설계하는 과정에서 우연히 발견된 결과였습니다. 이 칩을 "FOCUS" 칩이라고 불렀는데, NMOS-III에서 개발된 32비트 마이크로프로세서로, 매우 전류를 많이 소모하는 특성을 가지고 있었습니다. 이 새로운 마이크로프로세서와 관련하여 초기에 놀랐던 점 중 하나는 1.6mm 두께의 보드에서 표준 0.3mm 지름의 관통 홀 비아의 인덕턴스를 구동할 수 없었다는 것이었습니다. 이는 오직 20-30 nHenrys의 인덕턴스, 또는 0.125mm의 블라인드 비아만을 구동할 수 있었습니다. 두 번째 놀라움은 FR-4의 정상적인 손실(Dj=0.020)을 구동할 에너지가 없어 순수한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 사용했다는 것이었습니다. IC의 냉각 요구 사항은 매우 작은 블라인드 비아와 매우 낮은 손실 유전체를 가진 금속 코어 보드를 필요로 했습니다. 결과적으로 생성된 보드는 구리 코어, 빌드업 기술을 가지고 있으며 직접 와이어 본딩된 집적 회로(IC)를 가지고 있었습니다.

그림 1. 일반 생산에서 첫 번째 마이크로비아 PCB. 휴렛 팩커드의 FINSTRATE는 1984년에 생산에 투입되었다. 이는 순수 PTFE를 유전체로 사용하고 직접 와이어 본딩된 집적회로(IC)를 가진 구리 코어, 빌드업 기술이었다.

IBM SLC 포토-비아

1991년 IBM의 SLC 기술 도입 이후, 대량 생산을 위한 HDI 배선 보드의 다양한 방법이 개발되고 구현되었으며, 생산량 측면에서 판단할 때, 레이저 드릴링 기술이 하나의 방법이다. 다른 방법들도 여전히 많은 PWB 제조업체들에 의해 사용되고 있지만, 훨씬 더 작은 규모로 사용된다.

그러나 레이저 드릴링 공정(이하 레이저 비아)에 더 큰 중점을 둘 것이며, 이는 오늘날 가장 인기 있는 공정이며 앞으로도 그 인기가 증가할 것으로 보인다. 비아 홀 형성이 HDI 배선 보드 제작의 단지 하나의 요소일 뿐임을 이해해야 한다. 마이크로비아 홀이 있는 HDI 배선 보드의 제작은 기존 보드 제작과는 다른 많은 공정을 포함한다.

HDI 제작 기초

그림 2는 순차적 빌드업 기술(SBU) 또는 고밀도 인터커넥트 제조 공정의 분해를 보여준다. 세 가지 기본 요소는 다음과 같다:

• 유전체 형식,
• 비아 형성,
• 금속화 방법

그림 2. 순차적 빌드업 기술(HDI)은 세 가지 주요 특성을 가지고 있습니다: 유전체 형식, 비아 형성, 그리고 금속화 방법 (DuPont 제공).

각 마이크로비아 기술의 제조 과정은 기본 코어로 시작하는데, 이는 전력 및 접지 평면을 운반하는 간단한 양면 보드 또는 전력 및 접지 평면 외에 일부 신호 패턴을 운반하는 다층 보드일 수 있습니다. 코어에는 일반적으로 도금된 관통 홀(PTHs)이 있습니다. 이러한 PTH는 BVH가 됩니다. 이러한 코어는 종종 활성 코어라고 불립니다.

유전체 및 절연체

마이크로비아 제작에 사용되는 유전체 및 적용된 전도성 재료에 대한 개요는 IPC-4104A 표준에서 다룹니다. 이러한 유전체 중 일부는 칩 패키징 및 PWB HDI 응용 프로그램 모두에서 사용될 수 있습니다. HDI 및 마이크로비아 재료에 대한 IPC/JPCA-4104 사양의 관련 재료 사양에 대한 교차 참조가 이루어집니다.

재료 선택은 이러한 질문에 답해야 합니다:

• 유전체 사용이 코어 기판 재료에 의해 현재 사용되는 화학과 호환됩니까?
• 다이얼렉트릭이 구리 도금의 접착력을 충분히 제공할 수 있을까요? (많은 원래 장비 제조업체들[OEMs]은 1 oz. [35.6 µm] 구리 당 >6 lb./in. [1.08 kgm/cm]을 원합니다.)
• 다이얼렉트릭이 금속 층 사이에 적절하고 신뢰할 수 있는 유전체 간격을 제공할 수 있을까요?
• 열적 요구 사항을 충족할 수 있을까요?
• 다이얼렉트릭이 와이어 본딩 및 재작업을 위한 바람직한 “높은” Tg를 제공할 수 있을까요?
• 다중 SBU 층(즉, 솔더 플로트, 가속 열 사이클, 다중 리플로우)과 열 충격을 견딜 수 있을까요?
• 도금 가능하고 신뢰할 수 있는 마이크로비아(즉, 비아 바닥까지 좋은 도금을 보장할 수 있는 여유가 있을까요)를 가질 수 있을까요?

HDI 기판에 사용되는 다이얼렉트릭 재료는 9가지가 있습니다. IPC 슬래시 시트들인 IPC-4101B와 IPC-4104A는 이 중 많은 것을 다루지만, 아직 많은 재료들이 IPC 표준에 의해 명시되지 않았습니다. 재료들은 다음과 같습니다:

• 감광성 액체 유전체
• 감광성 건식 필름 유전체
• 폴리이미드 유연 필름
• 열경화 건식 필름
• 열경화 액체 유전체
• 수지 코팅 구리 호일(RCC), 이중층 및 강화
• 전통적인 FR-4 코어 및 프리프레그
• 새로운 ‘확산 유리’ 레이저 드릴링 가능(LD) 프리프레그
• 열가소성 플라스틱

인터커넥트 비아 형성

이 섹션은 다양한 드릴링 비아 홀 형성 기술을 사용하는 공정에 대해 논의합니다. 0.20mm(0.008인치) 이하에서 스루-비아 드릴링이 가능하지만, 비용과 실용성이 이를 막습니다. 0.20mm(0.008인치) 이하에서는 레이저 및 기타 비아 형성 공정이 더 비용 효율적입니다. HDI 공정에서 사용되는 IVH를 형성하는 다양한 방법이 있습니다. 레이저 드릴링이 가장 주목받습니다. 이러한 다양한 비아 형성 방법은 형성하는 비아의 최소 크기에 일부 제한이 있으며, 비아 형성 속도에서도 상당한 차이가 있습니다.

그림 3. HDI가 대량 생산에서 시작된 방식은 제어된 깊이, 그림 3a, 또는 순차적 라미네이션, 그림 3b를 통해 작은 비아를 기계적으로 드릴링하는 것입니다.

기계적 드릴링

맹점 및 매립 비아 형성을 위한 가장 오래된 기술은 기계적 드릴링과 순차적 적층이며, 이는 그림 3a와 3b에서 볼 수 있습니다. 소형 드릴 비트 제조와 고속 기계적 드릴링 모두에서 진전이 이루어져 이 기술이 특정 상황에서 사용될 수 있게 되었습니다.

 

PWB 패널에서 맹점 비아를 생성하는 것은 일반적으로 레이저 기술로 수행되지만 화학 식각, 플라즈마 또는 광다이얼렉트릭과 같은 '대량 비아 공정'도 사용되었습니다.

레이저 비아 기술

레이저 비아 가공은 현재 가장 인기 있는 마이크로비아 홀 형성 과정입니다. 하지만 이는 가장 빠른 비아 형성 과정은 아닙니다. 작은 비아의 화학적 식각이 가장 빠르며, 추정 속도는 초당 8,000개에서 12,000개입니다. 이는 플라즈마 비아 형성과 포토비아 형성(Figure 4)에도 마찬가지입니다. 이들은 모두 대량 비아 형성 과정입니다. 레이저 드릴링은 가장 오래된 마이크로비아 생성 기술 중 하나입니다. [1] 레이저 에너지의 파장은 적외선 및 자외선 영역에 있습니다. 레이저 드릴링은 빔의 선량 크기와 에너지를 프로그래밍하는 것을 요구합니다. 고선량 빔은 금속과 유리를 절단할 수 있지만, 저선량 빔은 유기물을 깨끗하게 제거하면서 금속은 손상시키지 않습니다. 고선량 빔의 경우 약 20 마이크론(<1 밀) 크기의 빔 스팟을 사용하고, 저선량 빔의 경우 약 100 마이크론(4 밀)에서 350 마이크론(14 밀)까지 사용합니다. [2] [3]

대부분의 레이저 공정은 가장 쉽게 구할 수 있고 경제적인 CO2 레이저나 UV 레이저를 사용합니다. 에폭시 라미네이트에서 비아를 생성하기 위해 CO2 레이저를 사용할 때는, 제거될 영역 위의 구리를 제거해야 합니다(그림 5 참조). CO2 레이저는 주로 유리로 지지되지 않는 라미네이트에 사용됩니다. 이에는 유연한 폴리이미드와 수지 코팅된 구리(RCC^®) 호일, 아라미드 섬유와 같은 대체 재료로 강화된 라미네이트가 포함됩니다. 수정된 TEA CO2 (횡방향으로 여기된 대기) 레이저는 9,000 nm 파장과 더 높은 피크 파워를 사용하여 유리 섬유를 관통하도록 특별히 제작되었습니다.

그러나 많은 변형이 있습니다. 마이크로비아 홀을 드릴링하기 위한 목적으로, 다섯 가지 레이저 시스템이 있습니다: UV/Eximer, UV/Yag 레이저, CO2 레이저, Yag/ CO2, 그리고 CO2/ TCO2 조합입니다. 또한 많은 유전체 재료들이 있습니다: RCC, 수지만(건식 필름 또는 액체 수지), 그리고 강화된 프레프레그입니다. 따라서, 레이저 시스템으로 마이크로비아 홀을 만드는 방법의 수는 이 다섯 가지 레이저 시스템과 이러한 유전체 재료의 순열에 의해 결정됩니다, 그림 5에서 볼 수 있듯이.

TRANSLATE: 그림 5. 세 가지 주요 레이저 블라인드-비아 어블레이션 공정; c. UV 또는 CO2 레이저를 사용한 특수 처리로 구리 호일에서 창문을 레이징하는 과정; d. 구리 호일에서 창문을 에칭한 다음 유전체를 레이징하는 과정; e. 재료에서 비아를 엑시머 레이징한 다음 스퍼터링이나 무전해 구리 mSAP으로 유전체를 금속화하는 과정.

고출력 레이저(예: 자외선-UV)는 유리와 구리를 제거할 수 있으므로 일반적인 라미네이트와 함께 사용될 수 있지만, 구리와 유리 섬유를 통과할 때는 일반적으로 더 느립니다. 레이저 비아 처리에서 고려해야 할 여러 가지 요소가 있습니다: 레이즈된 구멍(마이크로비아 구멍)의 위치 정확도, 구멍의 불균일한 직경, 유전체 경화 후 패널의 치수 변화, 온도 및 습도 변화로 인한 패널의 치수 변화, 포토 노출 기계의 정렬 정확도, 네거티브 아트워크의 불안정한 특성 등입니다. 이러한 요소들은 주의 깊게 모니터링되어야 하며 모든 마이크로비아 구멍 공정에 중요합니다.

금속화 방법

마지막 공정은 비아의 금속화입니다. HDI 공정에서 사용되는 IVH를 금속화하는 네 가지 다른 방법이 있습니다. 이 방법들은: 

• 전통적인 무전해 및 전기 도금 구리
• 전통적인 전도성 흑연 또는 기타 고분자
• 완전 및 반 첨가 무전해 구리
• 전도성 페이스트 또는 잉크(그림 6f 및 6g)

레이저는 전도성 페이스트로 채워질 마이크로비아의 생산에 가장 적합한 방법입니다. 레이저는 유전체 재료를 제거하고 구리 회로를 만났을 때 멈출 수 있으므로 깊이 제어가 가능한 블라인드 비아 생성에 이상적입니다. 그림 6은 이 두 가지 주요 마이크로비아 공정을 보여줍니다.

그림 6. 마이크로 비아 홀 금속화에 가장 인기 있는 아시아 공정 중 두 가지는 전도성 고분자를 사용하는 것입니다; f. BBiT 공정은 전도성 은 페이스트를 구리 호일에 스크린 인쇄하고 이를 양면 코어에 합판합니다; g. 다양한 전도성 페이스트를 레이저로 드릴링한 구멍에 스크린 인쇄한 후 구리 호일과 함께 코어에 합판합니다.

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