Revestimento de Cobre UHDI: O que os projetistas precisam entender sobre o processo

O processo de galvanoplastia de cobre que produz vias é muito bem compreendido pelos fabricantes, e o processo tradicional de corrosão subtrativa para tecnologia padrão e High Density Interconnect (HDI) tem décadas de experiência por trás das regras de projeto para relação de aspecto e melhores práticas de design, e essas regras são bem conhecidas pela comunidade de projeto de PCB.

À primeira vista, o processo de galvanoplastia de cobre para a tecnologia Ultra HDI não deveria ser tão complicado, certo? Mas a tecnologia Ultra HDI não tem décadas de experiência por trás do processo, e as margens e tolerâncias assumem um significado totalmente novo quando os tamanhos das features ficam abaixo de 75 mícrons, especialmente quando se aproximam da faixa de 25 mícrons.

A galvanoplastia de cobre em UHDI não é um processo de bastidor que os fabricantes lidam automaticamente. É um conjunto de variáveis que interage diretamente com as decisões de projeto e, quando essas variáveis não são consideradas corretamente, tanto os fabricantes quanto o projetista de PCB podem ter vários problemas para resolver durante a prototipagem e o desenvolvimento.

Principais conclusões

• A galvanoplastia em UHDI é um problema de geometria, não apenas de fabricação. À medida que os diâmetros das vias caem abaixo de 75 mícrons, a distribuição de corrente se torna desigual e a variação da espessura do cobre aumenta, e a geometria que impulsiona esse risco vem do projeto.
• A relação de aspecto é o número crítico que os projetistas controlam. Para microvias perfuradas a laser em UHDI, manter-se em 1:1 ou abaixo (profundidade para diâmetro) é uma restrição rígida da física da galvanoplastia, não uma preferência do fabricante. Não há margem para forçar além disso.
• Microvias empilhadas exigem preenchimento completo e plano de cobre antes que a próxima camada possa ser construída. Qualquer abaulamento, rebaixo ou preenchimento descentralizado se torna um ponto de falha embutido para a via empilhada sobre ele.
• O teste elétrico isoladamente não detectará o risco de galvanoplastia em UHDI. Uma via pode passar no teste de continuidade e ainda assim apresentar um perfil de galvanoplastia que falha sob ciclos térmicos em campo. A análise de seção transversal na primeira amostra é a única maneira de saber o que realmente está acontecendo dentro da estrutura.

Por que a galvanoplastia fica mais difícil à medida que as features ficam menores

Na fabricação padrão de PCB, a galvanoplastia é um processo maduro. As tolerâncias são compreendidas, a química é bem ajustada e os fabricantes têm anos de dados dos quais podem se valer. Quando se passa para geometrias UHDI, grande parte desse conforto desaparece.

A questão central é o acesso. A galvanoplastia eletrolítica de cobre deposita íons de cobre sobre superfícies condutivas na presença de um campo elétrico. Em geometrias maiores, a corrente se distribui de forma razoavelmente uniforme. À medida que os diâmetros das vias caem abaixo de 75 mícrons, essa distribuição se torna mais difícil de controlar. A densidade de corrente se concentra nas bordas e nos cantos. O campo dentro de uma via pequena não é o mesmo que o campo na superfície. O cobre se deposita mais rapidamente em algumas áreas do que em outras, e a variação de espessura se torna significativa nos tamanhos de feature exigidos por UHDI.

Isso não é um problema do fabricante que uma química melhor resolve por si só. É um problema de geometria, e a geometria vem do projeto.

Relação de aspecto: o número que determina o risco na galvanoplastia

Relação de aspecto (a relação entre a profundidade de uma via e seu diâmetro) é um dos números mais importantes na galvanoplastia UHDI, e é um que os projetistas controlam diretamente.

A maioria dos fabricantes trabalha com um máximo de 1:1 para microvias perfuradas a laser em construções UHDI. Uma via de 75 mícrons perfurada através de um dielétrico com espessura não superior a 75 mícrons, ou uma via de 50 mícrons através de um dielétrico de 50 mícrons. Vá além disso e a troca da solução de galvanoplastia dentro da via fica restrita. Química nova não consegue entrar. Subprodutos não conseguem sair. O resultado é galvanoplastia incompleta, cobre fino no barril da via ou vazios.

Vazios em uma via passante padrão são uma preocupação de confiabilidade. Em uma microvia empilhada, são um problema mais imediato. O ciclo térmico durante o refluxo tensiona esses vazios, e um vazio dentro de uma via empilhada preenchida com cobre cria um ponto de falha que pode não aparecer no teste elétrico, mas aparecerá em campo.

A espessura do dielétrico e o diâmetro da via são ambos decisões de projeto. Manter a relação de aspecto em 1:1 ou abaixo não é uma preferência do fabricante. É uma restrição da física da galvanoplastia à qual o projeto precisa se adequar e, com UHDI, não existe margem para ir além dessas regras de projeto.  E eu sei que todos nós já nos acostumamos a forçar essas relações de aspecto em HDI com corrosão subtrativa!

Microvias empilhadas e o requisito de preenchimento de cobre

A maioria dos projetos UHDI depende de microvias empilhadas, embora microvias escalonadas sejam frequentemente recomendadas, para alcançar a densidade de interconexão que o empilhamento exige. O empilhamento é o que proporciona a maior economia de espaço, mas também é onde a complexidade da galvanoplastia se concentra.

Uma microvia empilhada precisa ser preenchida com cobre antes que a próxima via possa ser perfurada e galvanizada sobre ela. O preenchimento precisa ser completo, plano e dimensionalmente consistente. A próxima perfuração a laser mira o centro dessa via preenchida e, se o preenchimento estiver abaulado, descentralizado ou incompleto, a via acima dela já começa com um problema embutido.

A química de preenchimento de cobre é mais lenta e mais controlada do que a galvanoplastia eletrolítica padrão, e é sensível às mesmas variáveis geométricas. Vias profundas e estreitas são preenchidas com menos confiabilidade do que vias rasas e mais largas. Algumas coisas afetam diretamente a qualidade do preenchimento: diâmetro da via igual ou acima do mínimo recomendado pelo fabricante, espessura dielétrica consistente em todo o painel e não empilhar mais camadas do que o processo do fabricante foi qualificado para suportar. Pergunte especificamente sobre esse último ponto; nem sempre é um número que aparece no feedback DFM padrão.

O que aparece nas primeiras amostras

Os problemas de galvanoplastia em UHDI nem sempre aparecem no teste elétrico. Uma via pode passar no teste de continuidade e ainda assim ter um perfil de galvanoplastia que cria risco de confiabilidade. A análise de seção transversal é a ferramenta que realmente mostra o que está acontecendo dentro da estrutura da via. Trate as seções transversais da primeira amostra como uma coleta genuína de dados, não como uma formalidade, especialmente em projetos Ultra HDI.

Procure várias coisas: consistência da espessura do cobre nos barris das vias em várias amostras, e não apenas em um ponto do painel; o perfil de preenchimento em vias empilhadas — uma superfície levemente abaulada ou rebaixada diz algo sobre o que a química e a geometria estão fazendo uma à outra —; e observe a variação da espessura do cobre entre áreas densas e esparsas do painel.

Se qualquer um desses pontos apresentar variação que preocupe o fabricante, essa é a conversa que deve acontecer durante o desenvolvimento e bem antes da produção. Ajustes na primeira amostra são bastante simples e esperados, mas falhas de confiabilidade descobertas após o envio do produto não são.

Antes de liberar o projeto

Alguns pontos a considerar:

• Você calculou a relação de aspecto para cada microvia e confirmou que ela está dentro da faixa qualificada do seu fabricante?
• A espessura do dielétrico em cada camada de build-up é consistente com o diâmetro da via perfurada através dela?
• Você discutiu os requisitos de preenchimento de cobre para vias empilhadas, incluindo quantas camadas empilhadas o processo do fabricante está qualificado para suportar?
• A distribuição de cobre no painel foi tratada, seja por meio de balanceamento de cobre no projeto ou por uma conversa direta sobre o que o fabricante precisa?
• O processo de galvanoplastia trabalha com a geometria que o projeto fornece, e acertar essa geometria é uma variável controlável antes da liberação para fabricação.

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Perguntas frequentes

Por que a galvanoplastia de cobre UHDI afeta o custo?

A galvanoplastia UHDI pode aumentar o custo porque features menores frequentemente exigem controle mais rigoroso do empilhamento, mais monitoramento de processo, seções transversais adicionais e uma análise de engenharia mais próxima entre a equipe de projeto e o fabricante de PCB. Microvias empilhadas preenchidas com cobre também podem aumentar o tempo de fabricação, porque cada nível preenchido deve ser concluído antes que o próximo nível seja formado.

Quais métodos de inspeção ajudam a encontrar problemas de galvanoplastia em UHDI?

A análise de seção transversal é o principal método de inspeção para visualizar espessura de cobre, vazios e formato do preenchimento dentro das microvias. Dependendo do nível de risco do produto, as equipes também podem solicitar testes em cupons, avaliação de estresse térmico ou amostragem adicional em diferentes posições do painel para comparar áreas de cobre densas e esparsas.

Quais verificações de DFM os projetistas devem executar antes da fabricação?

Os projetistas devem revisar a relação de aspecto das microvias, a espessura do dielétrico, a contagem de vias empilhadas, a distribuição de cobre e os tamanhos mínimos de feature qualificados pelo fabricante. Executar essas verificações antes da geração dos arquivos de saída ajuda a evitar retenções de DFM desnecessárias e mantém a discussão com a fabricação focada na capacidade do processo, em vez de correções tardias de layout.