Познакомьтесь с процессами изготовления микровиа и HDI-подложками

Начальное изготовление HDI

Печатные платы с высокой плотностью соединений (HDI) начали разрабатываться еще в 1980 году, когда исследователи начали искать способы уменьшения размеров переходных отверстий (виас). Первооткрыватель неизвестен, но среди первых пионеров можно выделить Ларри Бергесса из MicroPak Laboratories (разработчик LaserVia), доктора Чарльза Бауэра из Tektronix (который произвел фотодиэлектрические виас) и доктора Вальтера Шмидта из Contraves (разработавшего плазменно-травленые виас).

Первые производственные многослойные или последовательные печатные платы появились в 1984 году, начиная с лазерно-сверленных компьютерных плат FINSTRATE от Hewlett-Packard, за которыми последовали в 1991 году в Японии поверхностные ламинированные схемы (SLC) от IBM-YASU и в Швейцарии DYCOstrate от Dyconex. На рисунке 1 показана одна из первых плат Hewlett Packard FINSTRATE, на обложке журнала Hewlett-Packard (1983 год).

HP Finstrate Лазерное Виа

HP изначально не планировала разрабатывать микровиа, созданные с помощью лазера. Они появились в результате обратного проектирования их нового 32-битного микрокомпьютерного чипа. Его назвали чипом «FOCUS», 32-битным микропроцессором, разработанным на основе NMOS-III, который отличался очень высоким потреблением тока. Одним из первых неожиданных моментов с этим новым микропроцессором было то, что он не мог управлять индуктивностью стандартного сквозного отверстия диаметром 0,3 мм в плате толщиной 1,6 мм. Он мог управлять только индуктивностью 20-30 нГн, или слепым виа диаметром 0,125 мм. Вторым сюрпризом стало то, что у него не хватало энергии для преодоления обычных потерь FR-4 (Dj=0.020), поэтому был использован чистый политетрафторэтилен (PTFE). Требование микросхемы к охлаждению потребовало платы с металлическим основанием с очень маленькими слепыми виа и диэлектриком с очень низкими потерями. В результате была создана плата с медным основанием и технологией накопления, которая имела прямое соединение с интегральными схемами (IC) с помощью проволочных соединений.

РИСУНОК 1. Первая печатная плата с микровиасами, запущенная в массовое производство. FINSTRATE компании Hewlett Packard была запущена в производство в 1984 году. Это была технология с медным сердечником и накопительным методом изготовления с использованием чистого PTFE в качестве диэлектрика, на которую напрямую были установлены интегральные схемы с проволочными соединениями.

Фото IBM SLC с использованием фотовиасов

С момента введения технологии SLC от IBM в 1991 году было разработано и внедрено множество методов массового производства печатных плат HDI с различными вариациями. С точки зрения объемов производства, технология лазерного сверления является ведущей. Другие методы по-прежнему используются некоторыми производителями печатных плат, но в гораздо меньших масштабах.

Тем не менее, особое внимание будет уделено процессу лазерного сверления (далее лазерное виа), поскольку сегодня это самый популярный процесс, и, похоже, его популярность будет расти в будущем. Необходимо понимать, что формирование отверстий виа - это лишь один из элементов изготовления печатных плат HDI. Производство печатных плат HDI с микровиасами включает в себя множество процессов, не свойственных традиционному производству плат.

Основы производства HDI

На рисунке 2 показана схема процесса последовательного наращивания технологий (SBU) или производства соединений высокой плотности. Три основных элемента:

• Формат диэлектрика,
• Формирование виа,
• Методы металлизации

РИСУНОК 2. Технология последовательного наращивания (HDI) имеет три основные характеристики: формат диэлектрика, формирование переходных отверстий и методы металлизации (Предоставлено DuPont).

Процесс производства для каждой технологии микровиас начинается с базового ядра, которым может быть простая двусторонняя плата, несущая плоскости питания и земли, или многослойная плата, несущая некоторые сигнальные узоры в дополнение к плоскостям питания и земли. Ядро обычно имеет металлизированные сквозные отверстия (PTH). Эти PTH становятся BVH. Такое ядро часто называют активным ядром.

Диэлектрики и изоляторы

Обзор диэлектрических и применяемых проводящих материалов, используемых при изготовлении микровиас, приведен в стандарте IPC-4104A. Некоторые из этих диэлектриков могут использоваться как в упаковке чипов, так и в приложениях PWB HDI. Сделаны перекрестные ссылки на соответствующие спецификации материалов IPC/JPCA-4104 для HDI и материалов микровиас

Выбор материала должен отвечать на следующие вопросы:

• Будет ли диэлектрик использовать химию, совместимую с текущей химией, используемой материалом основы?
• Обеспечит ли диэлектрик приемлемое сцепление медного покрытия? (Многие производители оригинального оборудования [OEM] хотят >6 фунтов/дюйм [1.08 кгм/см] на 1 унцию [35.6 мкм] меди.)
• Обеспечит ли диэлектрик адекватное и надежное расстояние между металлическими слоями?
• Соответствует ли он тепловым требованиям?
• Обеспечит ли диэлектрик желаемую высокую температуру стеклования (Tg) для проволочного соединения и переработки?
• Выдержит ли он термический шок с несколькими слоями SBU (то есть, выдержит ли он пайку в плавающем режиме, ускоренные тепловые циклы, многократные переплавки)?
• Будут ли у него платируемые, надежные микровиасы (то есть, будет ли у него достаточный запас прочности для обеспечения хорошего покрытия дна виа)?

Существует девять различных общих диэлектрических материалов, используемых в подложках HDI. Стандарты IPC, такие как IPC-4101B и IPC-4104A, охватывают многие из них, но многие еще не специфицированы стандартами IPC. Материалы следующие:

• Фоточувствительные жидкие диэлектрики
• Фоточувствительные сухие пленочные диэлектрики
• Полиимидная гибкая пленка
• Термически отверждаемые сухие пленки
• Термически отверждаемый жидкий диэлектрик
• Покрытая смолой медная фольга (RCC), двухслойная и армированная
• Традиционные сердечники и препреги FR-4
• Новые препреги с "распределенным стеклом", подходящие для лазерного сверления (LD)
• Термопластики

Формирование межсоединительных переходов

В этом разделе обсуждаются процессы, использующие различные техники формирования отверстий для переходов. Сверление сквозных отверстий возможно при размерах менее 0.20 мм (0.008 дюйма), но стоимость и практичность ограничивают это. Ниже 0.20 мм (0.008 дюйма) лазерные и другие процессы формирования переходов являются более экономически выгодными. Существует множество различных методов формирования IVH, используемых в процессах HDI. Лазерное сверление является наиболее выдающимся. Эти различные методы формирования переходов имеют некоторые ограничения на минимальный размер формируемых переходов, а также значительные различия в скорости формирования переходов.

РИСУНОК 3. Механическое сверление малых отверстий либо с контролируемой глубиной, Рисунок 3а, либо последовательная ламинация, Рисунок 3б, это то, как HDI началось в массовом производстве.

Механическое сверление

Самой старой техникой создания скрытых и закрытых переходов является механическое сверление и последовательная ламинация, как показано на рисунках 3а и 3b.  Был достигнут прогресс как в производстве малых сверл, так и в высокоскоростном механическом сверлении, что позволяет использовать эту технику в некоторых случаях.

 

РИСУНОК 4. Создание скрытого перехода в панели PWB обычно выполняется с использованием лазерной технологии,  но также использовались и 'массовые процессы' создания переходов, такие как химическое травление, плазма или фотодиэлектрики.

Технология лазерных переходов

Обработка микровиас лазером является, безусловно, самым популярным процессом формирования микровиас. Однако это не самый быстрый процесс формирования виас. Химическое травление маленьких виас является самым быстрым, с оценочной скоростью от 8 000 до 12 000 виас в секунду. Это также относится к формированию виас плазмой и фотовиас (Рисунок 4). Все это процессы массового формирования виас. Лазерное сверление - одна из самых старых техник генерации микровиас. [1] Длины волн лазерной энергии находятся в инфракрасной и ультрафиолетовой области. Лазерное сверление требует программирования размера и энергии пучка флюенса. Пучки с высоким флюенсом могут резать металл и стекло, в то время как пучки с низким флюенсом аккуратно удаляют органику, не повреждая металлы. Размер точки пучка может быть маленьким, как примерно 20 микронов (<1 mil) для пучков с высоким флюенсом и около 100 микронов (4 mil) до 350 микронов (14 mil) для пучков с низким флюенсом. [2] [3]

Большинство лазерных процессов используют либо CO2, либо UV лазеры, поскольку они наиболее доступны и экономичны. При использовании лазера CO2 для создания переходных отверстий (виас) в эпоксидных ламинатах необходимо удалить медь над областью, подлежащей абляции (см. Рисунок 5). Лазер CO2 в основном используется для ламинатов, не укрепленных стеклом. Это включает в себя не поддерживаемые ламинаты, такие как гибкий полиимид и покрытая смолой медная фольга (RCC^®), а также ламинаты, укрепленные альтернативными материалами, такими как арамидные волокна. Модифицированные лазеры TEA CO2 (Transversely Excited Atmospheric) специально созданы для прожига через стекловолокно с использованием длины волны 9,000 нм и более высокой пиковой мощности.

Однако существует множество вариаций. Для сверления микровиасных отверстий используются пять лазерных систем: UV/Eximer, UV/Yag лазер, CO2 лазер, Yag/CO2 и комбинации CO2/TCO2. Также существует множество диэлектрических материалов: RCC, только смола (сухая пленка или жидкая смола) и укрепленный препрег. Следовательно, количество способов создания микровиасных отверстий с помощью лазерных систем определяется перестановкой пяти лазерных систем и этих диэлектрических материалов, как показано на Рисунке 5.

РИСУНОК 5. Три основных процесса абляции сквозных отверстий лазером: c. создание отверстия в медной фольге с использованием УФ-лазера или специальной обработки CO2-лазерами; d. травление отверстия в медной фольге, а затем лазерная обработка диэлектриков; e. лазерная обработка отверстия в материалах эксимерным лазером, а затем металлизация диэлектрика методом напыления или безэлектролитного осаждения меди mSAP.

Лазеры большей мощности (например, ультрафиолетовые - УФ) могут удалять стекло и медь, поэтому их можно использовать с традиционными ламинатами, но обычно они медленнее работают при проходе через медь и стекловолокно. Существует несколько факторов, которые следует учитывать при обработке отверстий лазером: точность позиционирования обработанных отверстий (отверстия микровиас), неравномерные диаметры отверстий, изменение размеров панели после отверждения диэлектрика, изменение размеров панели из-за колебаний температуры и влажности, точность выравнивания фотоэкспонировальной машины, нестабильный характер негативных изображений и так далее. Эти аспекты следует тщательно контролировать, поскольку они важны для всех процессов обработки отверстий микровиас.

Метод металлизации

Последний процесс - металлизация отверстий. Существует четыре различных метода металлизации сквозных отверстий, используемых в процессах HDI. Методы следующие: 

• Традиционное безэлектролитное и электролитное меднение
• Традиционные проводящие графит или другие полимеры
• Полностью и полу-добавочное безэлектролитное меднение
• Проводящие пасты или чернила (Рис. 6f и 6g)

Лазер является наиболее распространенным методом производства микровиас, которые заполняются проводящей пастой. Лазеры способны удалять диэлектрический материал и останавливаться при достижении медной проводки, поэтому они идеально подходят для создания слепых виас с контролируемой глубиной. На рисунке 6 показаны эти два основных процесса микровиас.

РИСУНОК 6. Два наиболее популярных азиатских процесса металлизации микроотверстий с использованием проводящих полимеров; f. Процесс BBiT заключается в нанесении проводящей серебряной пасты на медную фольгу и ламинировании ее в двухстороннее основание; g. Различные проводящие пасты наносятся на лазерно просверленные отверстия в диэлектрике на стадии b и затем ламинируются с медной фольгой в основание.

Посмотрите, как Altium Designer^® поддерживает HDI-дизайн:

  

Зарегистрируйтесь и попробуйте Altium  сегодня.