Processo de Metalização Direta para Fabricação de Vias em PCB

Quando vias e furos passantes são fabricados em uma PCB, eles requerem um processo de deposição de metal e galvanização para construir o cobre necessário na parede do furo. A construção da película metálica em uma parede de via é realizada com um processo conhecido como eletrodeposição, mas antes deste processo ser realizado, um processo de metalização primária é necessário para formar uma camada de semente para futura deposição. Existem processos de metalização primária que podem ser usados para suportar o subsequente processo de cobre eletrodepositado: cobre eletroless e metalização direta.

O cobre eletroless é o processo de metalização primária padrão e de longa data que é usado em toda a indústria. Em designs de baixa densidade, o cobre eletroless é um processo amplamente utilizado e não apresenta problemas significativos de confiabilidade, desde que seja devidamente controlado. Em PCBs de alta densidade, problemas de confiabilidade com a galvanização de cobre eletroless podem se tornar mais aparentes devido aos pequenos tamanhos de recursos em microvias.

À medida que mais dispositivos continuam a miniaturizar, esperamos que a capacidade para metalização direta aumente, e isso atenderá à necessidade de capacidade de fabricação e galvanização confiável para designs UHDI. Isso coincide com o crescimento esperado na demanda por substratos de IC e segue a tendência atual de internalização da capacidade de fabricação de eletrônicos.

Visão Geral da Metalização Primária

Os processos de metalização primária na fabricação de PCBs são realizados após a perfuração e desengraxe, e o processo é utilizado para formar uma camada de semente dentro de um furo perfurado que requer revestimento. A camada de semente forma-se ao longo da parede do furo, conforme ilustrado abaixo, e essa camada de semente forma a base para a eletrodeposição subsequente.

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Metalização primária e formação de via com eletrodeposição.

Após a deposição da camada de cobre com eletrodeposição até a espessura final da parede do furo (1 mil na maioria dos designs), a placação da camada externa e a máscara de solda são aplicadas, o que pode então aplicar a camada de revestimento final a qualquer via que será não protegida. Uma vez que as paredes da via são revestidas, a análise microestrutural pode ser realizada para avaliar a espessura do cobre depositado na parede do furo e garantir a uniformidade do revestimento ao longo do eixo do furo.

Em diâmetros grandes, incluindo com grandes proporções de aspecto, o revestimento resultante é geralmente de muito alta qualidade e é conhecido por ser altamente confiável. À medida que escalamos para tamanhos menores, o cobre eletroless começa a exibir alguns desafios de confiabilidade que motivam o uso de controles de processo mais rigorosos, ou uma mudança completa para o processo de metalização direta.

Cobre Eletroless

O cobre eletroless é o processo tradicional de metalização primária usado antes da eletrodeposição. O processo deposita uma fina camada de cobre a partir de solução com um catalisador de paládio diretamente no material dielétrico da PCB. Uma vez depositada a fina camada de cobre, o cobre eletrodepositado é depositado por cima até que a espessura final da camada de cobre seja alcançada. O processo envolve uma reação de redução de íons de cobre usando formaldeído na presença de um catalisador de paládio.

2HCHO + 2OH⁻ → 3H₂ (g) + 2CO₂ + 2e^-

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Cu²⁺ + 2e^- → Cu (metal).

A deposição de um filme de cobre sobre outro traz o potencial para vários desafios de confiabilidade no cobre eletrodepositado na parede do furo. Durante a eletrodeposição, o cobre depositado pode ter diferentes fatores de preenchimento, estrutura de grão e uniformidade em comparação com o cobre eletroless. Isso cria uma resistência mecânica menor em comparação com um filme completo de cobre com estrutura de grão uniforme. A interface entre os dois filmes de cobre pode ser vista no exemplo de imagem SEM abaixo.

Fonte: Cobley, Andrew J., Bahaa Abbas e Azad Hussain. "Melhoria da cobertura de cobre eletroless em baixas concentrações de catalisador e temperaturas de banho reduzidas possibilitada pelo ultrassom de baixa frequência." International Journal of Electrochemical Science 9, nº 12 (2014): 7795-7804.

Como o processo envolve uma reação que inclui um ácido, o gás hidrogênio se formará como um dos produtos da reação. Como se trata de um processo dinâmico em banho líquido, é necessário que o gás hidrogênio escape da região de banho para garantir que a camada de cobre eletroless seja uniforme. Isso é menos problemático em diâmetros de furos maiores, mas o banho em diâmetros de furos menores pode experimentar gás hidrogênio aprisionado, o que pode comprometer a camada de cobre eletroless.

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Metallização Direta

O processo elimina três das principais fontes de problemas de confiabilidade na metalização da parede do furo de via. São elas:

• Eliminação do hidrogênio como produto da reação
• Eliminação da interface entre o filme de cobre eletroless e eletrodepositado
• Estabilização do banho de metalização, que permite períodos de inatividade sem necessidade de reposição

Ao eliminar o produto de gás hidrogênio e a interface de filme cobre-cobre, os filmes formados por metalização direta tendem a ter maior uniformidade e maior resistência mecânica. Além disso, como esse processo também envolve um banho químico, ele pode ser usado com furos passantes maiores; não é exclusivo para a formação de microvias.

Atualmente, grande parte da capacidade de metalização direta está com grandes fabricantes multinacionais, o que significa que a tecnologia é encontrada principalmente na Ásia ou com empresas de prototipagem avançada. À medida que mais capacidade é esperada para entrar em operação, isso ampliará a gama de locais onde as empresas podem produzir.

As Regras de Design da Sua PCB Precisam Mudar?

A resposta aqui é um sólido “não”, as regras de design de PCB para o design de vias não mudam se a metalização direta for usada para a formação de vias. Isso se aplica no design de PCB HDI onde microvias estão sendo usadas, e em designs tradicionais de furos passantes onde os diâmetros dos furos são maiores. No entanto, se a metalização direta for o processo de fabricação desejado, considere entrar em contato com sua casa de fabricação para perguntar sobre suas capacidades de processamento. Você também pode especificar o uso da metalização direta como um processo preferencial em suas notas de fabricação de PCB.

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