Процесс прямого металлизирования для изготовления сквозных отверстий в печатных платах

При изготовлении сквозных отверстий и переходных отверстий (виас) на печатной плате (PCB) требуется процесс металлизации и гальванопокрытия для наращивания необходимого слоя меди на стенках отверстий. Нанесение металлической пленки на стенку виаса осуществляется с помощью процесса, известного как электролитическое осаждение, но перед его выполнением необходим первичный процесс металлизации для формирования сидерационного слоя для дальнейшего осаждения. Существуют первичные процессы металлизации, которые могут использоваться для поддержки последующего процесса электролитического осаждения меди: бесструйная медь и прямая металлизация.

Бесструйная медь является стандартным давно установившимся первичным процессом металлизации, который используется во всей отрасли. В конструкциях с низкой плотностью бесструйная медь широко используется и не представляет значительных проблем с надежностью, при условии ее правильного контроля. В печатных платах высокой плотности проблемы с надежностью покрытия бесструйной медью могут стать более заметными из-за малых размеров элементов в микровиасах.

По мере того как устройства продолжают миниатюризироваться, мы ожидаем увеличения возможностей для прямой металлизации, что удовлетворит потребность в надежном изготовлении и мощности гальванопокрытия для дизайнов UHDI. Это совпадает с ожидаемым ростом спроса на подложки интегральных схем и следует текущему тренду локализации производственных мощностей электроники.

Обзор первичной металлизации

Основные процессы металлизации на производстве печатных плат выполняются после сверления и удаления смазки, и этот процесс используется для формирования начального слоя внутри сверленного отверстия, требующего гальванизации. Начальный слой формируется вдоль стенки отверстия, как показано ниже, и этот слой служит основой для последующего электролитического осаждения.

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

Основная металлизация и формирование переходных отверстий с помощью электролитического осаждения.

После нанесения медного слоя методом электролитического осаждения до окончательной толщины стенки отверстия (1 мил в большинстве конструкций), применяются внешнее покрытие и маска для пайки, что позволяет затем нанести окончательный слой покрытия на любые переходные отверстия, которые будут не закрыты. После покрытия стенок переходных отверстий может быть выполнен микроструктурный анализ для оценки толщины осажденной меди на стенке отверстия и обеспечения равномерности покрытия вдоль оси отверстия.

При больших диаметрах, включая отверстия с большим соотношением сторон, получаемое покрытие, как правило, имеет очень высокое качество и считается очень надежным. По мере уменьшения размеров, химическое осаждение меди начинает демонстрировать некоторые проблемы с надежностью, что стимулирует использование более строгих контрольных процедур или полный переход к процессу прямой металлизации.

Химическое осаждение меди

Безтоковое меднение является традиционным первичным процессом металлизации, используемым перед гальванопокрытием. Процесс заключается в осаждении тонкого слоя меди из раствора с катализатором на основе палладия непосредственно на диэлектрический материал печатной платы (PCB). После осаждения тонкого слоя меди на него наносится электролитическая медь до достижения конечной толщины медного покрытия. Процесс включает в себя реакцию восстановления ионов меди с использованием формальдегида в присутствии катализатора на основе палладия.

2HCHO + 2OH⁻ → 3H₂ (g) + 2CO₂ + 2e^-

Requirements Management Made Easy

Connect design data and requirements for faster design with fewer errors

Find Out More

Cu²⁺ + 2e^- → Cu (металл).

Наложение одного медного слоя на другой влечет за собой потенциальные проблемы надежности в электролитической меди на стенках отверстий. Во время гальванопокрытия осажденная медь может иметь различный коэффициент заполнения, структуру зерна и однородность по сравнению с безтоковой медью. Это создает меньшую механическую прочность по сравнению с полностью медным покрытием с однородной структурой зерна. Интерфейс между двумя медными слоями можно увидеть на примере изображения, полученного с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) ниже.

Источник: Кобли, Эндрю Дж., Бахаа Аббас и Азад Хуссейн. "Улучшенное покрытие безэлектролитного медного покрытия при низких концентрациях катализатора и сниженных температурах осаждения с использованием ультразвука низкой частоты." Международный журнал электрохимической науки 9, № 12 (2014): 7795-7804.

Поскольку процесс включает в себя реакцию с участием кислоты, водородный газ будет образовываться как один из продуктов реакции. Поскольку это динамический процесс в жидкой ванне, водородный газ должен выходить из области покрытия, чтобы обеспечить равномерность безэлектролитного медного слоя. Это менее проблематично при больших диаметрах отверстий, но при покрытии отверстий меньшего диаметра может возникнуть задержка водородного газа, которая может нарушить целостность безэлектролитного медного слоя.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges.

Learn More

Прямое металлизирование

Процесс устраняет три основные причины проблем с надежностью при покрытии стенок сквозных отверстий. Это:

• Устранение водорода как продукта реакции
• Устранение интерфейса между безэлектролитным и электролитным медным покрытием
• Стабилизация ванны для покрытия, что позволяет выдерживать перерывы без пополнения

Устраняя продукт в виде водородного газа и интерфейс медно-медной пленки, пленки, образованные методом прямой металлизации, как правило, обладают более высокой однородностью и большей механической прочностью. Кроме того, поскольку этот процесс также включает в себя химическую ванну, его можно использовать с более крупными сквозными отверстиями; он не ограничивается только формированием микровиас.

В настоящее время большая часть мощностей по прямой металлизации находится у крупных многонациональных производителей, что означает, что технология в основном распространена в Азии или у компаний, занимающихся передовыми прототипами. По мере того как ожидается увеличение мощностей, это расширит круг мест, где компании могут производить.

Нужно ли изменить правила проектирования печатных плат?

Здесь ответ однозначный — «нет», правила проектирования печатных плат для дизайна виас не изменяются, если для формирования виас используется прямая металлизация. Это относится к проектированию HDI печатных плат, где используются микровиас, и к традиционным сквозным конструкциям, где диаметры отверстий больше. Однако, если прямая металлизация является желаемым процессом производства, рассмотрите возможность связаться с вашим производственным предприятием, чтобы узнать о их производственных возможностях. Вы также можете указать использование прямой металлизации как предпочтительный процесс в ваших заметках по изготовлению печатных плат.

Вне зависимости от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.