Proces bezpośredniej metalizacji dla produkcji przelotek w PCB

Gdy w PCB tworzone są przelotki i otwory metalizowane, wymagają one procesu osadzania metalu i powlekania, aby zbudować wymaganą warstwę miedzi na ściance otworu. Budowanie warstwy metalu na ściance via wykonuje się za pomocą procesu znanego jako elektroplaterowanie, ale przed tym procesem potrzebny jest pierwotny proces metalizacji, aby utworzyć warstwę ziarnistą dla dalszego osadzania. Istnieją pierwotne procesy metalizacji, które mogą być użyte do wsparcia kolejnego procesu elektroplaterowania miedzi: miedziowanie bezprądowe i metalizacja bezpośrednia.

Miedziowanie bezprądowe to standardowy, długo stosowany pierwotny proces metalizacji, używany w całej branży. W projektach o niskiej gęstości, miedziowanie bezprądowe jest procesem szeroko stosowanym i nie przedstawia znaczących problemów z niezawodnością, o ile jest właściwie kontrolowane. W PCB o wysokiej gęstości, problemy z niezawodnością powlekania miedzią bezprądową mogą stać się bardziej widoczne z powodu małych rozmiarów cech w mikroprzewrotkach.

W miarę jak więcej urządzeń kontynuuje miniaturyzację, spodziewamy się wzrostu zdolności do metalizacji bezpośredniej, co zaspokoi potrzebę niezawodnej fabrykacji i zdolności powlekania dla projektów UHDI. To pokrywa się ze spodziewanym wzrostem zapotrzebowania na podłoża IC i podąża za obecnym trendem onshoringu zdolności produkcyjnych w branży elektronicznej.

Przegląd Pierwotnej Metalizacji

Podstawowe procesy metalizacji w produkcji PCB są wykonywane po wierceniu i oczyszczaniu, a proces ten służy do formowania warstwy ziarnistej wewnątrz wywierconego otworu, który wymaga powlekania. Warstwa ziarnista tworzy się wzdłuż ściany otworu, jak pokazano poniżej, i ta warstwa ziarnista stanowi podstawę dla kolejnych procesów elektroplaterowania.

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

Podstawowa metalizacja i tworzenie przelotek za pomocą elektroplaterowania.

Po naniesieniu warstwy miedzi metodą elektroplaterowania aż do osiągnięcia końcowej grubości ścianki otworu (1 mil w większości projektów), nakładana jest powłoka zewnętrzna i maska lutownicza, co umożliwia następnie naniesienie końcowej warstwy platerowania na wszelkie przelotki, które będą niezakryte. Po naplakowaniu ścian przelotek można przeprowadzić analizę mikrostruktury, aby ocenić grubość osadzonej miedzi na ściance otworu i zapewnić jednolitość platerowania wzdłuż osi otworu.

Przy dużych średnicach, w tym z dużymi stosunkami wymiarów, uzyskane platerowanie jest zazwyczaj bardzo wysokiej jakości i uznawane za wysoce niezawodne. W miarę przechodzenia na mniejsze rozmiary, miedź bezprądowa zaczyna wykazywać pewne problemy z niezawodnością, co motywuje do stosowania bardziej rygorystycznych kontroli procesu lub całkowitego przejścia na proces bezpośredniej metalizacji.

Bezprądowa miedź

Bezprądowe miedziowanie jest tradycyjnym procesem metalizacji pierwotnej stosowanym przed galwanizacją. Proces ten polega na osadzaniu cienkiej warstwy miedzi z roztworu z użyciem katalizatora palladowego bezpośrednio na dielektrycznym materiale PCB. Po osadzeniu cienkiej warstwy miedzi, na wierzch nanosi się miedź galwaniczną, aż do osiągnięcia końcowej grubości powłoki miedzianej. Proces ten obejmuje reakcję redukcji jonów miedzi przy użyciu formaldehydu w obecności katalizatora palladowego.

2HCHO + 2OH⁻ → 3H₂ (g) + 2CO₂ + 2e^-

Requirements Management Made Easy

Connect design data and requirements for faster design with fewer errors

Find Out More

Cu²⁺ + 2e^- → Cu (metal).

Osadzanie jednej warstwy miedzi na drugiej niesie za sobą potencjał wielu wyzwań związanych z niezawodnością galwanicznej miedzi na ściankach otworów. Podczas galwanizacji osadzona miedź może mieć różny współczynnik wypełnienia, strukturę ziarna i jednorodność w porównaniu do miedzi bezprądowej. Tworzy to niższą wytrzymałość mechaniczną w porównaniu do pełnej warstwy miedzi o jednorodnej strukturze ziarna. Interfejs między dwoma warstwami miedzi można zobaczyć na poniższym przykładowym obrazie SEM.

Źródło: Cobley, Andrew J., Bahaa Abbas i Azad Hussain. "Poprawa pokrycia miedzią bezprądową przy niskich stężeniach katalizatora i obniżonych temperaturach powlekania, umożliwiona przez niskoczęstotliwościowy ultradźwięk." International Journal of Electrochemical Science 9, nr 12 (2014): 7795-7804.

Jako że proces ten obejmuje reakcję z udziałem kwasu, jednym z produktów reakcji będzie wodór. Ponieważ jest to dynamiczny proces w kąpieli ciekłej, wodór musi być w stanie uciec z regionu powlekania, aby zapewnić jednolitą warstwę miedzi bezprądowej. Jest to mniejszy problem przy większych średnicach otworów, ale powlekanie w mniejszych średnicach otworów może napotkać na problem uwięzionego wodoru, który może naruszyć warstwę miedzi bezprądowej.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges.

Learn More

Metallizacja Bezpośrednia

Proces eliminuje trzy główne źródła problemów z niezawodnością w powlekania ścianek otworów przelotowych. Są to:

• Eliminacja wodoru jako produktu reakcji
• Eliminacja interfejsu filmu miedzi bezprądowej-elektrolitycznej
• Stabilizacja kąpieli powlekającej, co pozwala na przestoje bez konieczności uzupełniania

Poprzez eliminację produktu gazowego wodoru oraz interfejsu folii miedź-miedź, folie tworzone przez bezpośrednią metalizację mają tendencję do wykazywania wyższej jednorodności i wyższej wytrzymałości mechanicznej. Ponadto, ponieważ proces ten również obejmuje kąpiel chemiczną, może być stosowany z większymi otworami przelotowymi; nie jest ograniczony wyłącznie do tworzenia mikropołączeń.

Obecnie znaczna część zdolności produkcyjnych bezpośredniej metalizacji znajduje się u dużych międzynarodowych producentów, co oznacza, że technologia ta jest głównie dostępna w Azji lub u zaawansowanych firm prototypowych. W miarę jak spodziewane jest uruchomienie większych mocy produkcyjnych, rozszerzy się zakres lokalizacji, w których firmy mogą produkować.

Czy Twoje zasady projektowania PCB muszą ulec zmianie?

Odpowiedź brzmi zdecydowanie „nie”, zasady projektowania PCB dla projektowania połączeń nie zmieniają się, jeśli do tworzenia połączeń ma być używana bezpośrednia metalizacja. Dotyczy to projektowania PCB HDI, gdzie używane są mikropołączenia, oraz tradycyjnych projektów z otworami przelotowymi, gdzie średnice otworów są większe. Jednakże, jeśli bezpośrednia metalizacja jest pożądanym procesem produkcyjnym, rozważ kontakt z Twoją wytwórnią w celu zapytania o ich możliwości przetwórcze. Możesz również określić użycie bezpośredniej metalizacji jako preferowany proces w swoich notatkach do produkcji PCB.

Czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby zaimplementować współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.