Poznaj procesy produkcyjne mikroprzewiązek i substraty HDI

Początki produkcji HDI

Układy drukowane o wysokiej gęstości połączeń (HDI) zaczęły pojawiać się w 1980 roku, kiedy to badacze zaczęli szukać sposobów na zmniejszenie rozmiaru przelotek. Pierwszy innowator nie jest znany, ale do pionierów tego obszaru zaliczają się Larry Burgess z MicroPak Laboratories (twórca LaserVia), Dr Charles Bauer z Tektronix (który wyprodukował przelotki fotodielektryczne), [1] oraz Dr Walter Schmidt z Contraves (który opracował przelotki wytrawiane plazmowo).

Pierwsze płyty drukowane produkowane metodą nakładania warstw lub sekwencyjnie pojawiły się w 1984 roku, zaczynając od płyt komputerowych Hewlett-Packard z przelotkami wierconymi laserowo FINSTRATE, a następnie w 1991 roku w Japonii z obwodami laminarnymi na powierzchni (SLC) [2] przez IBM-YASU i w Szwajcarii z DYCOstrate [3] przez Dyconex. Rysunek 1 przedstawia jedną z tych pierwszych płyt FINSTRATE firmy Hewlett Packard, na okładce Hewlett-Packard Journal (1983).

HP Finstrate Laser-Via

HP nie zamierzało rozwijać technologii laserowo wierconych mikropołączeń. Były one wynikiem inżynierii odwrotnej ich nowego 32-bitowego mikrokomputera. Nazwali go chipem „FOCUS”, 32-bitowym mikroprocesorem opracowanym w technologii NMOS-III, który charakteryzuje się dużym zapotrzebowaniem na prąd. Jednym z pierwszych zaskoczeń z tym nowym mikroprocesorem było to, że nie mógł on obsłużyć indukcyjności standardowego przelotowego połączenia o średnicy 0,3 mm w płytce o grubości 1,6 mm. Mógł obsłużyć tylko 20-30 nHenrów indukcyjności, czyli ślepe połączenie o średnicy 0,125 mm. Drugim zaskoczeniem było to, że nie miał energii, aby obsłużyć normalne straty FR-4 (Dj=0,020), więc użyto czystego politetrafluoroetylenu (PTFE). Wymaganie układu scalonego (IC) dotyczące chłodzenia wymagało płytki z metalowym rdzeniem z bardzo małymi ślepymi połączeniami i dielektrykiem o bardzo niskich stratach. Powstała w ten sposób płyta była technologią z rdzeniem miedzianym, z bezpośrednio połączonymi drutowo układami scalonymi (IC).

RYSUNEK 1. Pierwsza płyta PCB z mikroprzewiązkami w produkcji ogólnej. FINSTRATE firmy Hewlett Packard został wprowadzony do produkcji w 1984 roku. Była to technologia z rdzeniem miedzianym i budową warstwową z czystym PTFE jako dielektrykiem, która miała bezpośrednio połączone drutowo układy scalone (IC).

Zdjęcie IBM SLC

Od wprowadzenia technologii SLC przez IBM w 1991 roku, opracowano i wdrożono wiele różnych metod masowej produkcji płyt HDI z zaawansowanym okablowaniem. Pod względem ilości produkowanych egzemplarzy, technologia wiercenia laserowego jest tą dominującą. Inne metody są nadal stosowane przez niektórych producentów PWB, ale w znacznie mniejszej skali.

Jednak większy nacisk zostanie położony na proces wiercenia laserowego (odtąd zwany laser via), ponieważ jest to obecnie najpopularniejszy proces i wydaje się, że jego popularność będzie rosła w przyszłości. Należy zrozumieć, że tworzenie otworów via to tylko jeden z elementów produkcji płyt HDI z zaawansowanym okablowaniem. Produkcja takich płyt z otworami mikrovia wymaga wielu procesów, nie stosowanych przy konwencjonalnej produkcji płyt.

Podstawy produkcji HDI

Rysunek 2 przedstawia podział procesu produkcji technologii sekwencyjnego budowania (SBU) lub połączeń o wysokiej gęstości. Trzy podstawowe elementy to:

• Format dielektryka,
• Tworzenie Via,
• Metody metalizacji

RYSUNEK 2. Technologia sekwencyjnego budowania (HDI) ma trzy główne cechy: format dielektryczny, tworzenie via oraz metody metalizacji (Z uprzejmości DuPont).

Proces produkcyjny dla każdej technologii mikrovia rozpoczyna się od podstawowego rdzenia, który może być prostą płytą dwustronną przenoszącą płaszczyzny zasilania i masę lub wielowarstwową płytą przenoszącą pewien wzór sygnałów oprócz płaszczyzn zasilania i masy. Rdzeń zazwyczaj posiada otwory metalizowane (PTH). Te PTH stają się BVH. Taki rdzeń często nazywany jest rdzeniem aktywnym.

Dielektryki i Izolatory

Przegląd dielektryków i stosowanych materiałów przewodzących używanych w produkcji mikrovia jest zawarty w standardzie IPC-4104A. Niektóre z tych dielektryków mogą być używane zarówno w pakowaniu układów scalonych, jak i w aplikacjach HDI PWB. Odnośniki są dokonywane do odpowiednich specyfikacji materiałowych IPC/JPCA-4104 dla materiałów HDI i mikrovia

Wybór materiału musi odpowiedzieć na te pytania:

• Czy użyty dielektryk będzie kompatybilny chemicznie z obecną chemią używaną przez materiał podstawowy rdzenia?
• Czy dielektryk będzie miał akceptowalną przyczepność miedzi galwanicznej? (Wiele firm produkujących oryginalny sprzęt [OEM] chce, aby przyczepność wynosiła >6 lb./in. [1.08 kgm/cm] na 1 uncję [35.6 µm] miedzi.)
• Czy dielektryk zapewni odpowiedni i niezawodny odstęp dielektryczny między warstwami metalowymi?
• Czy spełni wymagania termiczne?
• Czy dielektryk zapewni pożądane „wysokie” Tg dla wiązania drutowego i poprawek?
• Czy wytrzyma szok termiczny z wieloma warstwami SBU (tj. pływające luty, przyspieszone cykle termiczne, wielokrotne przepływy)?
• Czy będzie miał platerowalne, niezawodne mikrovia (czyli czy będzie miał możliwość zapewnienia dobrej galwanizacji na dnie via)?

W substratach HDI używa się dziewięciu różnych ogólnych materiałów dielektrycznych. Arkusze IPC, takie jak IPC-4101B i IPC-4104A, obejmują wiele z nich, ale wiele jeszcze nie jest określonych przez standardy IPC. Materiały to:

• Światłoczułe ciecze dielektryczne
• Światłoczułe suche folie dielektryczne
• Poliamidowa elastyczna folia
• Termoutwardzalne suche folie
• Termoutwardzalne ciecze dielektryczne
• Pokryta żywicą folia miedziana (RCC), dwuwarstwowa i wzmacniana
• Tradycyjne rdzenie FR-4 i Prepregi
• Nowe Prepregi „spread-glass” możliwe do wiercenia laserowego (LD)
• Termoplasty

Tworzenie połączeń poprzez otwory

Ta sekcja omawia procesy wykorzystujące różne techniki tworzenia otworów przelotowych. Wiercenie otworów przelotowych jest możliwe poniżej 0,20 mm (0,008 cala), ale koszty i praktyczność zniechęcają do tego. Poniżej 0,20 mm (0,008 cala), wiercenie laserowe i inne procesy tworzenia otworów są bardziej opłacalne. Istnieje wiele różnych metod formowania IVH używanych w procesach HDI. Wiercenie laserowe jest najbardziej znaczące. Te różne metody tworzenia otworów mają pewne ograniczenia co do minimalnego rozmiaru otworów, jakie mogą formować, jak również znaczące różnice w szybkości tworzenia otworów.

RYCINA 3. Mechaniczne wiercenie małych otworów albo przez kontrolowaną głębokość, Rycina 3a, albo sekwencyjną laminację, Rycina 3b, to jak HDI rozpoczęło produkcję na dużą skalę.

Mechaniczne Wiercenie

Najstarszą techniką tworzenia ślepych i zakopanych przelotek jest mechaniczne wiercenie i sekwencyjna laminacja, jak pokazano na Rysunku 3a i 3b.  Postęp został osiągnięty zarówno w produkcji małych wiertł, jak i w szybkim mechanicznym wierceniu, co pozwala na stosowanie tej techniki w niektórych przypadkach.

 

RYCINA 4. Tworzenie przelotki ślepej w panelu PWB zazwyczaj odbywa się za pomocą technologii laserowej  ale również stosowane były 'masowe procesy tworzenia przelotek' takie jak trawienie chemiczne, plazma czy fotodielektryki.

Technologia Przelotek Laserowych

Przetwarzanie laserowe via jest zdecydowanie najpopularniejszym procesem formowania mikrootworów. Jednakże nie jest to najszybszy proces formowania via. Największą szybkość formowania małych via osiąga się poprzez trawienie chemiczne, z szacowaną prędkością od 8 000 do 12 000 via na sekundę. Dotyczy to również formowania via plazmowego i fotovia (Rysunek 4). Wszystkie te metody to procesy masowego formowania via. Wiercenie laserowe jest jedną z najstarszych technik generowania mikrovii. [1] Długości fal energii laserowej mieszczą się w zakresie podczerwieni i ultrafioletu. Wiercenie laserowe wymaga zaprogramowania wielkości i energii wiązki fluencji. Wiązki o wysokiej fluencji mogą ciąć metal i szkło, podczas gdy wiązki o niskiej fluencji czysto usuwają substancje organiczne, ale nie uszkadzają metali. Rozmiar plamki wiązki tak mały jak około 20 mikronów (<1 mil) jest używany dla wiązek o wysokiej fluencji, a około 100 mikronów (4 mil) do 350 mikronów (14 mil) dla wiązek o niskiej fluencji. [2] [3]

Większość procesów laserowych wykorzystuje lasery CO2 lub UV, ponieważ są to lasery najłatwiej dostępne i najbardziej ekonomiczne. Podczas używania lasera CO2 do wytwarzania przelotek w laminatach epoksydowych, miedź musi zostać usunięta nad obszarem przeznaczonym do ablacji (patrz Rysunek 5). Laser CO2 jest głównie używany do laminatów nie wspieranych przez szkło. Obejmuje to laminaty niewspierane, takie jak elastyczny polimid i folia miedziana pokryta żywicą (RCC^®) oraz laminaty wzmocnione alternatywnymi materiałami, takimi jak włókna aramidowe. Zmodyfikowane lasery CO2 TEA (Transversely Excited Atmospheric) są specjalnie stworzone do przecinania włókien szklanych przy użyciu długości fali 9,000 nm i wyższej mocy szczytowej.

Jednak istnieje wiele wariantów. W celu wiercenia mikrootworów istnieje pięć systemów laserowych: UV/Eximer, UV/Yag, CO2, Yag/CO2 oraz kombinacje CO2/TCO2. Istnieje również wiele materiałów dielektrycznych: RCC, tylko żywica (sucha folia lub ciekła żywica) oraz wzmocniony prepreg. Dlatego liczba sposobów tworzenia mikrootworów za pomocą systemów laserowych jest determinowana przez permutację pięciu systemów laserowych i tych materiałów dielektrycznych, jak widać na Rysunku 5.

RYSUNEK 5. Trzy główne procesy ablacji laserowej ślepych przelotek: c. otwieranie okna w folii miedzianej przy użyciu lasera UV lub specjalnych obróbek laserem CO2; d. trawienie otworu w folii miedzianej, a następnie laserowanie dielektryków; e. laserowanie przelotki w materiałach przy użyciu lasera ekscymerowego, a następnie metalizacja dielektryka metodą rozpylania lub bezprądowego osadzania miedzi mSAP.

Lasery o większej mocy (np. ultrafioletowe-UV) mogą usuwać szkło i miedź, dlatego mogą być używane z konwencjonalnymi laminatami, ale zazwyczaj są wolniejsze w przecinaniu miedzi i włókien szklanych. Istnieje kilka czynników, które należy wziąć pod uwagę w procesie obróbki laserowej przelotek: dokładność pozycjonowania wydrążonych otworów (otworów mikroprzelotek), nierównomierne średnice otworów, zmiana wymiarów panelu po utwardzeniu dielektryka, zmiana wymiarów panelu spowodowana zmianami temperatury i wilgotności, dokładność ustawienia maszyny do ekspozycji światłem, niestabilność negatywów i tak dalej. Te aspekty powinny być starannie monitorowane i są ważne dla wszystkich procesów związanych z otworami mikroprzelotek.

Metoda metalizacji

Ostatnim procesem jest metalizacja przelotek. Istnieją cztery różne metody metalizacji IVH używane w procesach HDI. Metody te to: 

• Konwencjonalne bezprądowe i elektrolityczne miedziowanie
• Konwencjonalne przewodzące grafitowe lub inne polimery
• Pełne i pół-dodatkowe bezprądowe miedziowanie
• Przewodzące pasty lub tusze (Rys. 6f i 6g)

Laser jest najbardziej metodą produkcji mikroprzewiązań do wypełnienia przewodzącą pastą. Lasery są zdolne do ablacji materiału dielektrycznego i zatrzymywania się przy napotkaniu obwodów miedzianych, więc są idealnie przystosowane do tworzenia kontrolowanej głębokości ślepych przewiązań. Rysunek 6 pokazuje te dwa główne procesy mikroprzewiązań.

RYCINA 6. Dwa z najpopularniejszych azjatyckich procesów metalizacji mikro-otworów za pomocą polimerów przewodzących; f. Proces BBiT polega na nanoszeniu przewodzącej pasty srebrnej na folię miedzianą i laminowaniu jej do dwustronnego rdzenia; g. Różne przewodzące pasty są nanoszone na otwory wywiercone laserowo w dielektryku w fazie B, a następnie laminowane z folią miedzianą do rdzenia.

Obejrzyj i zobacz, jak Altium Designer^® wspiera projektowanie HDI:

  

Zarejestruj się i wypróbuj Altium  dziś.