Conheça os Processos de Fabricação de Microvias e Substratos HDI

Fabricação Inicial de HDI

Os circuitos impressos de Interconexão de Alta Densidade começaram de fato em 1980, quando pesquisadores iniciaram investigações sobre maneiras de reduzir o tamanho dos vias. O primeiro inovador não é conhecido, mas alguns dos pioneiros mais antigos incluem Larry Burgess da MicroPak Laboratories (desenvolvedor do LaserVia), Dr. Charles Bauer na Tektronix (que produziu vias fotodielétricos), [1] e Dr. Walter Schmidt na Contraves (que desenvolveu vias gravados por plasma).

A primeira produção em série ou placas impressas sequenciais apareceram em 1984, começando com as placas de computador FINSTRATE perfuradas a laser da Hewlett-Packard, seguidas em 1991 no Japão com Circuitos Laminados Superficiais (SLC) [2] pela IBM-YASU e na Suíça com DYCOstrate [3] pela Dyconex. A Figura 1 mostra uma dessas primeiras placas FINSTRATE da Hewlett Packard, na capa do Hewlett-Packard Journal (1983).

HP Finstrate Laser-Via

A HP não tinha a intenção de desenvolver microvias perfuradas a laser. Eles foram o resultado da engenharia reversa de seu novo chip de microcomputador de 32 bits. Eles o chamaram de chip “FOCUS”, um microprocessador de 32 bits desenvolvido em NMOS-III, que tem a característica de ser muito ávido por corrente. Uma das primeiras surpresas com esse novo microprocessador foi que ele não conseguia conduzir a indutância de uma via passante padrão de 0,3 mm de diâmetro em uma placa de 1,6 mm de espessura. Ele só podia conduzir 20-30 nHenrys de indutância, ou uma via cega de 0,125mm. A segunda surpresa foi que ele não tinha energia para conduzir as perdas normais de FR-4 (Dj=0.020), então foi usado puro politetrafluoretileno (PTFE). A necessidade de resfriamento do CI exigiu uma placa com núcleo metálico com microvias cegas muito pequenas e um dielétrico de muito baixa perda. A placa resultante criada era de núcleo de cobre, com tecnologia de build-up que tinha circuitos integrados (CIs) ligados diretamente por fios.

FIGURA 1. A primeira PCB com microvia em produção geral. O FINSTRATE da Hewlett Packard foi colocado em produção em 1984. Era uma tecnologia de construção com núcleo de cobre e PTFE puro como dielétrico, que tinha circuitos integrados (ICs) ligados diretamente por fios.

Foto-via IBM SLC

Desde a introdução da tecnologia SLC da IBM em 1991, muitas variações de métodos para a produção em massa de placas de circuito impresso de alta densidade (HDI) foram desenvolvidas e implementadas, julgadas em termos de volume produzido, a tecnologia de perfuração a laser é a que se destaca. Outros métodos ainda são utilizados por um número de fabricantes de PWB, mas em uma escala muito menor.

Contudo, um maior ênfase será colocado no processo de perfuração a laser (via laser a partir de agora) já que é o processo mais popular hoje em dia e parece que sua popularidade crescerá no futuro. Deve-se entender que a formação de furos de via é apenas um elemento da fabricação de placas de circuito impresso HDI. A fabricação de placas de circuito impresso HDI com furos de microvia envolve muitos processos não convencionais à fabricação de placas tradicionais.

Princípios Básicos da Fabricação HDI

A Figura 2 mostra a divisão do processo de fabricação de Tecnologias de Construção Sequencial (SBU) ou Interconexões de Alta Densidade. Os três elementos básicos são:

• Formato Dielétrico,
• Formação de Via,
• Métodos de Metalização

FIGURA 2. A tecnologia de construção sequencial (HDI) possui três características principais: Formato Dielétrico, Formação de Vias e Métodos de Metalização (Cortesia da DuPont).

O processo de fabricação para cada tecnologia de microvia começa com um núcleo base, que pode ser uma placa de dupla face simples carregando planos de alimentação e terra ou uma placa de múltiplas camadas carregando algum padrão de sinal além dos planos de alimentação e terra. O núcleo geralmente possui furos passantes metalizados (PTHs). Esses PTHs tornam-se BVHs. Tal núcleo é frequentemente chamado de núcleo ativo.

Diéletricos e Isolantes

Uma visão geral dos materiais dielétricos e condutivos aplicados usados na fabricação de microvias é abordada na norma IPC-4104A. Alguns desses dielétricos podem ser usados tanto em embalagens de chips quanto em aplicações de HDI em PWB. São feitas referências cruzadas às especificações de material relevantes da especificação IPC/JPCA-4104 para materiais de HDI e microvias

A seleção de materiais precisa responder a estas perguntas:

• A química do dielétrico é compatível com a química atualmente usada pelo material do substrato base?
• O dielétrico terá aderência aceitável de cobre galvanizado? (Muitos fabricantes de equipamentos originais [OEMs] desejam >6 lb./in. [1,08 kgm/cm] por 1 oz. [35,6 µm] de cobre.)
• O dielétrico fornecerá um espaçamento dielétrico adequado e confiável entre as camadas metálicas?
• Ele atenderá às necessidades térmicas?
• O dielétrico fornecerá um Tg “alto” desejável para a ligação de fios e retrabalho?
• Ele sobreviverá ao choque térmico com múltiplas camadas SBU (ou seja, flutuações de solda, ciclos térmicos acelerados, múltiplos refluxos)?
• Ele terá microvias platabilizáveis e confiáveis (ou seja, terá latitude para garantir uma boa galvanização no fundo da via)?

Existem nove materiais dielétricos gerais diferentes usados em substratos HDI. Folhas de corte da IPC como IPC-4101B e IPC-4104A cobrem muitos destes, mas muitos ainda não são especificados pelas normas da IPC. Os materiais são:

• Diéletricos Líquidos Fotossensíveis
• Diéletricos em Filme Seco Fotossensíveis
• Filme Flexível de Poliimida
• Filmes Secos Curados Termicamente
• Dielétrico Líquido Curado Termicamente
• Folha de Cobre Revestida com Resina (RCC), de dupla camada e reforçada
• Núcleos e Prepregs Convencionais FR-4
• Novos Prepregs ‘spread-glass’ perfuráveis a laser (LD)
• Termoplásticos

Formação de Via de Interconexão

Esta seção discute processos que empregam várias técnicas de formação de furos de via. A perfuração de vias através é possível abaixo de 0,20 mm (0,008 pol.), mas o custo e a praticidade desencorajam isso. Abaixo de 0,20 mm (0,008 pol.), a perfuração a laser e outros processos de formação de via são mais custo-efetivos. Existem muitos métodos diferentes de formar as IVHs usadas nos processos HDI. A perfuração a laser é a mais proeminente. Esses diferentes métodos de formação de via têm alguns limites no tamanho mínimo das vias que formam, bem como diferenças significativas na taxa de formação de via.

FIGURA 3. A perfuração mecânica das pequenas vias por profundidade controlada, Figura 3a, ou laminação sequencial, Figura 3b, é como o HDI começou na produção em volume.

Perfuração Mecânica

A técnica mais antiga para a formação de vias cegas e enterradas é a perfuração mecânica e a laminação sequencial, como visto na Figura 3a e 3b.  Progressos foram feitos tanto na fabricação de brocas pequenas quanto na perfuração mecânica de alta velocidade para permitir que essa técnica seja usada em algumas circunstâncias.

 

FIGURA 4. A criação da via cega em um painel PWB é normalmente feita com tecnologia a laser  mas processos de 'via em massa' como a gravação química, plasma ou fotodielétricos também foram utilizados.

Tecnologia de Via a Laser

O processamento de vias por laser é, de longe, o processo mais popular de formação de microvias. No entanto, não é o processo de formação de vias mais rápido. A gravação química de pequenas vias é a mais rápida, com uma taxa estimada de 8.000 a 12.000 vias por segundo. Isso também é verdade para a formação de vias por plasma e formação de fotovias (Figura 4). Todos esses são processos de formação de vias em massa. A perfuração a laser é uma das técnicas mais antigas de geração de microvias. [1] Os comprimentos de onda para a energia do laser estão na região do infravermelho e ultravioleta. A perfuração a laser requer a programação do tamanho da fluência do feixe e da energia. Feixes de alta fluência podem cortar metal e vidro, enquanto feixes de baixa fluência removem limpidamente orgânicos, mas deixam os metais intactos. Um tamanho de ponto de feixe tão pequeno quanto aproximadamente 20 microns (<1 mil) é usado para feixes de alta fluência e cerca de 100 microns (4 mil) a 350 microns (14 mil) para feixes de baixa fluência. [2] [3]

A maioria dos processos a laser utiliza lasers de CO2 ou UV, pois são os lasers mais disponíveis e econômicos. Ao usar um laser de CO2 para produzir vias em laminados de epóxi, o cobre deve ser removido acima da área a ser ablatada (Veja a Figura 5). O laser de CO2 é usado principalmente para laminados não suportados por vidro. Isso inclui laminados não suportados, como poliimida flexível e folha de cobre revestida de resina (RCC^®) e laminados reforçados com materiais alternativos, como fibras de aramida. Os lasers de CO2 TEA modificados (Transversely Excited Atmospheric) são especificamente criados para atravessar fibras de vidro usando comprimento de onda de 9.000 nm e maior potência de pico.

Contudo, existem muitas variações. Para o propósito de perfurar microvias, existem cinco sistemas de laser: UV/Eximer, UV/Yag laser, laser de CO2, Yag/ CO2 e combinações de CO2/ TCO2. Também existem muitos materiais dielétricos: RCC, apenas resina (filme seco ou resina líquida) e prepreg reforçado. Portanto, o número de maneiras de fazer furos de microvia por sistemas a laser é determinado pela permutação de cinco sistemas de laser e esses materiais dielétricos, conforme visto na Figura 5.

FIGURA 5. Os três principais processos de ablação de vias cegas a laser; c. abrindo a janela na folha de cobre usando UV ou tratamentos especiais com lasers de CO2; d. Gravando uma janela na folha de cobre e depois laseando os dielétricos; e. Laseando a via em materiais com laser Eximer e depois metalizando o dielétrico com pulverização catódica ou cobre eletroless mSAP.

Lasers de maior potência (i.e., Ultra Violeta-UV) podem remover vidro e cobre e, portanto, podem ser usados com laminados convencionais, mas geralmente são mais lentos ao atravessar cobre e fibras de vidro. Há vários fatores a considerar no processamento de vias a laser: precisão de posição dos furos laseados (furos de microvia), diâmetros irregulares dos furos, e mudança dimensional do painel após a cura do dielétrico, mudança dimensional do painel devido a variações de temperatura e umidade, precisão de alinhamento da máquina de fotoexposição, natureza instável da arte negativa, e assim por diante. Estes devem ser cuidadosamente monitorados e são importantes para todos os processos de furos de microvia.

Método de Metalização

O último processo é a metalização das vias. Existem quatro métodos diferentes de metalizar os IVHs usados nos processos HDI. Os métodos são: 

• Cobre Eletroless e Eletrodepositado Convencional
• Grafite Condutivo Convencional ou outros Polímeros
• Cobre Eletroless Totalmente e Semi-Aditivo
• Pastas ou Tintas Condutivas (Figs. 6f e 6g)

O laser é o método mais utilizado para a produção de microvias a serem preenchidas com pasta condutiva. Os lasers são capazes de ablatar material dielétrico e parar ao interceptar a circuitaria de cobre, sendo, portanto, idealmente adequados para a criação de vias cegas controladas por profundidade. A Figura 6 mostra esses dois principais processos de microvia.

FIGURA 6. Dois dos processos asiáticos mais populares para metalização de furos de micro-via com polímeros condutivos; f. O processo BBiT aplica uma pasta condutiva de prata em folha de cobre e a lamina no núcleo de duas faces; g. Diversas pastas condutivas são aplicadas em furos perfurados a laser no dielétrico em estágio b e depois laminadas com folha de cobre no núcleo.

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