Miedziowanie UHDI: co projektanci muszą wiedzieć o tym procesie

Proces galwanicznego osadzania miedzi, w wyniku którego powstają przelotki, jest bardzo dobrze znany producentom, a tradycyjny proces trawienia subtraktywnego dla standardowych technologii i High Density Interconnect (HDI) ma za sobą dziesięciolecia doświadczeń stojących u podstaw reguł projektowych dotyczących współczynnika proporcji oraz najlepszych praktyk projektowych; reguły te są dobrze rozumiane przez społeczność projektantów PCB.

Na pierwszy rzut oka proces galwanicznego osadzania miedzi dla technologii Ultra HDI nie powinien być aż tak skomplikowany, prawda? Jednak technologia Ultra HDI nie ma za sobą dziesięcioleci doświadczeń procesowych, a marginesy i tolerancje nabierają zupełnie nowego znaczenia, gdy rozmiary struktur spadają poniżej 75 mikronów, zwłaszcza gdy zbliżają się do zakresu 25 mikronów.

Osadzanie miedzi w UHDI nie jest procesem „w tle”, którym producenci zajmują się automatycznie. To zestaw zmiennych, które bezpośrednio oddziałują na decyzje projektowe, a gdy zmienne te nie zostaną prawidłowo uwzględnione, zarówno producenci, jak i projektant PCB mogą napotkać szereg problemów podczas prototypowania i rozwoju.

Najważniejsze wnioski

• Powlekanie w UHDI to problem geometrii, a nie wyłącznie produkcji. Gdy średnice przelotek spadają poniżej 75 mikronów, rozkład prądu staje się nierównomierny, a zmienność grubości miedzi rośnie, przy czym geometria odpowiadająca za to ryzyko wynika z projektu.
• Współczynnik proporcji to kluczowa wartość kontrolowana przez projektantów. W przypadku mikrootworów wierconych laserowo w UHDI utrzymywanie wartości 1:1 lub niższej (głębokość do średnicy) jest twardym ograniczeniem wynikającym z fizyki procesu osadzania, a nie preferencją producenta. Nie ma tu marginesu na przekraczanie tej wartości.
• Układane mikrootwory wymagają pełnego, płaskiego wypełnienia miedzią, zanim będzie można zbudować kolejną warstwę. Każde uwypuklenie, zagłębienie lub przesunięte względem środka wypełnienie staje się wbudowanym punktem awarii dla przelotki ułożonej nad nim.
• Samo badanie elektryczne nie wykryje ryzyka związanego z osadzaniem miedzi w UHDI. Przelotka może przejść test ciągłości, a mimo to mieć profil osadzania, który zawiedzie podczas cykli termicznych w rzeczywistych warunkach pracy. Analiza przekroju przy pierwszej sztuce jest jedynym sposobem, by stwierdzić, co naprawdę dzieje się wewnątrz struktury.

Dlaczego osadzanie staje się trudniejsze, gdy struktury są mniejsze

W standardowej produkcji PCB powlekanie jest procesem dojrzałym. Tolerancje są znane, chemia procesu jest dopracowana, a producenci mają lata danych, z których mogą korzystać. Gdy przechodzi się do geometrii UHDI, duża część tego komfortu znika.

Podstawowym problemem jest dostęp. Elektrolityczne osadzanie miedzi odkłada jony miedzi na powierzchniach przewodzących w obecności pola elektrycznego. Przy większych geometriach prąd rozkłada się dość równomiernie. Gdy średnice przelotek spadają poniżej 75 mikronów, kontrolowanie tego rozkładu staje się trudniejsze. Gęstość prądu koncentruje się na krawędziach i narożnikach. Pole wewnątrz małej przelotki nie jest takie samo jak pole na powierzchni. Miedź narasta szybciej w jednych obszarach niż w innych, a zmienność grubości staje się istotna przy rozmiarach struktur wymaganych przez UHDI.

Nie jest to problem producenta, który da się samodzielnie rozwiązać lepszą chemią procesu. To problem geometrii, a geometria wynika z projektu.

Współczynnik proporcji: liczba, która determinuje ryzyko osadzania

Współczynnik proporcji (zależność między głębokością przelotki a jej średnicą) jest jedną z najważniejszych wartości w procesie osadzania miedzi w UHDI i jedną z tych, które projektanci kontrolują bezpośrednio.

Większość producentów przyjmuje maksymalnie 1:1 dla mikrootworów wierconych laserowo w konstrukcjach UHDI. Oznacza to przelotkę 75 mikronów wierconą przez dielektryk o grubości nie większej niż 75 mikronów albo przelotkę 50 mikronów przez dielektryk 50 mikronów. Po przekroczeniu tej granicy wymiana roztworu galwanicznego wewnątrz przelotki staje się ograniczona. Świeża chemia nie może się dostać do środka. Produkty uboczne nie mogą się wydostać. Rezultatem jest niepełne osadzanie, cienka warstwa miedzi w ściance przelotki albo pustki.

Pustki w standardowej przelotce metalizowanej stanowią problem niezawodności. W układanym mikrootworze są problemem bardziej bezpośrednim. Cykle termiczne podczas rozpływu lutowia obciążają takie pustki, a pustka wewnątrz wypełnionej miedzią układanej przelotki tworzy punkt awarii, który może nie ujawnić się w teście elektrycznym, ale ujawni się w praktyce.

Zarówno grubość dielektryka, jak i średnica przelotki są decyzjami projektowymi. Utrzymanie współczynnika proporcji na poziomie 1:1 lub niższym nie jest preferencją producenta. To ograniczenie wynikające z fizyki procesu osadzania, które projekt musi uwzględnić, a w UHDI nie ma marginesu, by wykraczać poza te reguły projektowe.  I tak, wiem, że wszyscy przyzwyczailiśmy się do forsowania tych współczynników proporcji w HDI przy trawieniu subtraktywnym!

Układane mikrootwory i wymaganie wypełnienia miedzią

Większość projektów UHDI opiera się na układanych mikrootworach, mimo że często zaleca się mikrootwory przesunięte, aby osiągnąć gęstość połączeń wymaganą przez stos warstw. Układanie daje największą oszczędność miejsca, ale to właśnie tam koncentruje się złożoność procesu osadzania.

Układany mikrootwór musi zostać wypełniony miedzią, zanim będzie można wywiercić i metalizować kolejną przelotkę nad nim. Wypełnienie musi być pełne, płaskie i spójne wymiarowo. Kolejne wiercenie laserowe jest pozycjonowane na środku tego wypełnionego mikrootworu, a jeśli wypełnienie jest wypukłe, przesunięte względem środka lub niepełne, przelotka powyżej zaczyna z już wbudowanym problemem.

Chemia procesu wypełniania miedzią jest wolniejsza i bardziej kontrolowana niż standardowe osadzanie elektrolityczne, a także wrażliwa na te same zmienne geometryczne. Głębokie, wąskie przelotki wypełniają się mniej niezawodnie niż płytsze i szersze. Na jakość wypełnienia bezpośrednio wpływa kilka czynników: średnica przelotki na poziomie co najmniej zalecanego minimum producenta, spójna grubość dielektryka na całym panelu oraz nieukładanie większej liczby warstw, niż dla ilu został zakwalifikowany proces producenta. O ten ostatni punkt warto zapytać wprost — nie zawsze jest to liczba, która trafia do standardowej informacji zwrotnej DFM.

Co wychodzi na jaw przy pierwszych sztukach

Problemy z osadzaniem w UHDI nie zawsze ujawniają się podczas testu elektrycznego. Przelotka może przejść test ciągłości, a mimo to mieć profil osadzania stwarzający ryzyko dla niezawodności. Analiza przekroju to narzędzie, które rzeczywiście pokazuje, co dzieje się wewnątrz struktury przelotki. Traktuj przekroje pierwszej sztuki jako rzeczywiste zbieranie danych, a nie formalność, zwłaszcza w projektach Ultra HDI.

Należy zwrócić uwagę na kilka rzeczy: spójność grubości miedzi w ściankach przelotek w wielu próbkach, a nie tylko w jednym miejscu panelu, profil wypełnienia w układanych przelotkach — lekko wypukła lub wklęsła powierzchnia mówi coś o tym, jak chemia procesu i geometria oddziałują na siebie — oraz zmienność grubości miedzi między gęstymi i rzadkimi obszarami miedzi na panelu.

Jeśli którakolwiek z tych rzeczy wykazuje zmienność budzącą obawy producenta, to właśnie o tym należy rozmawiać na etapie rozwoju i na długo przed produkcją. Korekty przy pierwszej sztuce są dość proste i oczekiwane, ale problemy z niezawodnością wykryte dopiero po wysyłce produktu już takie nie są.

Zanim zwolnisz projekt do produkcji

Warto rozważyć kilka kwestii:

• Czy obliczono współczynnik proporcji dla każdego mikrootworu i potwierdzono, że mieści się on w zakresie kwalifikowanym przez producenta?
• Czy grubość dielektryka w każdej warstwie build-up jest zgodna ze średnicą przelotki wierconej przez tę warstwę?
• Czy omówiono wymagania dotyczące wypełniania miedzią dla układanych przelotek, w tym liczbę układanych warstw, dla których proces producenta został zakwalifikowany?
• Czy uwzględniono rozkład miedzi na panelu, poprzez równoważenie miedzi w projekcie lub bezpośrednią rozmowę o tym, czego potrzebuje producent?
• Proces osadzania działa z geometrią dostarczoną przez projekt, a poprawne określenie tej geometrii jest zmienną, którą można kontrolować przed przekazaniem do produkcji.

Dla zespołów koordynujących projektowanie gęstych połączeń, informacje zwrotne z produkcji i gotowość do wydania, Altium Develop pomaga łączyć prace rozwojowe elektroniki między interesariuszami projektowymi i produkcyjnymi. 

Zacznij korzystać z Altium Develop →

Często zadawane pytania

Dlaczego galwaniczne osadzanie miedzi w UHDI wpływa na koszt?

Osadzanie miedzi w UHDI może zwiększać koszty, ponieważ mniejsze struktury często wymagają ściślejszej kontroli stosu warstw, intensywniejszego monitorowania procesu, dodatkowych przekrojów i dokładniejszego przeglądu inżynierskiego między zespołem projektowym a producentem PCB. Układane mikrootwory wypełniane miedzią mogą również wydłużać czas produkcji, ponieważ każdy wypełniany poziom musi zostać ukończony przed utworzeniem kolejnego.

Jakie metody inspekcji pomagają wykrywać problemy z osadzaniem miedzi w UHDI?

Analiza przekroju jest podstawową metodą inspekcji pozwalającą zobaczyć grubość miedzi, pustki i kształt wypełnienia wewnątrz mikrootworów. W zależności od poziomu ryzyka produktu zespoły mogą także wymagać testów kuponowych, oceny odporności na naprężenia termiczne lub dodatkowego próbkowania z różnych miejsc panelu w celu porównania obszarów o dużej i małej gęstości miedzi.

Jakie kontrole DFM projektanci powinni przeprowadzić przed produkcją?

Projektanci powinni sprawdzić współczynnik proporcji mikrootworów, grubość dielektryka, liczbę układanych przelotek, rozkład miedzi oraz minimalne kwalifikowane rozmiary struktur określone przez producenta. Wykonanie tych kontroli przed wygenerowaniem danych wyjściowych pomaga zapobiegać możliwym do uniknięcia wstrzymaniom DFM i utrzymuje rozmowę o produkcji w obszarze możliwości procesu, a nie późnych korekt layoutu.