Надежность микропереходов в конструкциях с межсоединениями ультравысокой плотности.

Джуди Уорнер: В начале года у нас была возможность встретиться на выставке IPC Apex в Калифорнии. В нашей беседе ты говорил о распространенной проблеме надежности микропереходов. Не мог бы ты рассказать об этой проблеме для наших читателей?

Джим Браун: Джуди, поскольку возросла потребность в технологии, она повлияла и на плотность печатных плат. В результате стали доступны межсоединения ультравысокой плотности (Ultra-HDI), многоуровневые микропереходы (Stacked Microvias) и проводники шириной менее 75 микрон. Микропереходы использовались примерно на протяжении десяти лет, но они, как правило, были одноуровневыми. С возросшей потребностью в увеличении пространства для трассировки, в набор инструментов проектировщика были добавлены многоуровневые микропереходы. Такие переходы больше подвержены расширению в вертикальном направлении при повышенных температурах (оплавлению), что приводит к повреждению межсоединения на целевой контактной площадке. Происходит отслоение при высоких температурах. При охлаждении структуры этот дефект может "самоустраниться" путем механического восстановления соединения, но в результате появляется потенциальный скрытый дефект, который может привести к сбою при эксплуатации.

Уорнер: Как долго эта проблема влияла на индустрию, и почему она возникла как будто из ниоткуда?

Браун: Хороший вопрос. Эта проблема стала общеизвестной примерно в 2008 году, плюс-минус. Однако никто широко не применял многоуровневые микропереходы, а у тех, кто применял, были строгие процедуры контроля. Эта проблема появилась как будто из ниоткуда, поскольку технологии создания межсоединений ультравысокой плотности теперь широко используются в большинстве конструкций нового поколения.

Уорнер: Насколько распространена эта проблема и что нужно знать инженерам-конструкторам об этой проблеме, чтобы они могли избежать дефектов своих плат?

Браун: Тоже хороший вопрос! Распространение проблемы иллюзорно. Как узнать уровень дефектности, если большинство дефектов являются скрытыми?
Инженерам необходимо тщательно анализировать производителей, чтобы убедиться, что они полностью понимают механизмы дефектов и что у них есть процессы и процедуры для их устранения. То есть это, прежде всего, вопрос тестирования. В GreenSource Fabrication мы используем автоматизированное OM-тестирование для определения надежности микропереходов. Мы постоянно тестируем межсоединения ультравысокой плотности и собираем данные для непрерывного совершенствования отклика (6σ). Некоторые производители используют IST-тестирование, но мы полагаем, что OM-тестирование лучше моделирует то, что происходит в структуре с точки зрения тепла при оплавлении, и оно позволяет отследить изменения сопротивления микроперехода на протяжении всего теплового цикла. Еще одним методом является проверка сопротивления "до и после". Если дефект самоустраняется после возвращения к нормальной температуре, вы никогда не обнаружите его. У Джерри Магера (Jerry Magera) из Motorola Solutions есть данные, которые показывают, что дефект обычно возникает при температуре около 210-220°C, после чего он устраняется при температуре около 180°C, поэтому если вы не отслеживаете весь температурный цикл, вы никогда не увидите дефект.

Уорнер: Как IPC решает эту проблему? Что было открыто за последние годы, чтобы помочь индустрии найти решение?

Браун: У IPC есть специальная группа (Подкомитет решения проблем дефектов технологии микропереходов IPC V-TSL-MVIA), усердно работающая над пониманием механизмов дефектов.

IPC также уже более трех лет проводит форумы и конференции, посвященные этой конкретной проблеме. Вот ссылка на мероприятие этого года. Ранее эти мероприятия проводились вживую в течение нескольких дней, в этом году конференция будет виртуальной из-за пандемии.

Уорнер: GreenSource — уникальный производитель печатных плат, поскольку он практически полностью автоматизирован. Ты упоминал, что GreenSource появился в результате решения проблемы надежности микропереходов. Не мог бы пояснить здесь?

Браун: GreenSource Fabrication начал свою деятельность в качестве производственного предприятия компании Whelen Engineering около шести лет назад. Три года назад было принято решение вывести производство в самостоятельное предприятие и продать его. После этого мы начали анализировать, что необходимо Северной Америке. Исследование привело нас к выводу, что здесь крайне необходим производитель, который может изготавливать платы с межсоединениями ультравысокой плотности. Производитель с передовым оборудованием, способный обеспечить уровень технологий и надежности, которого в Северной Америке не хватало с конца девяностых. Мы потратили полтора года и пролетели больше 1,2 миллиона миль по всему миру, чтобы выбрать лучших поставщиков оборудования и материалов.
Поскольку мы хотели разместиться в комплексе Whelen в Нью-Гэмпшире, мы были ограничены переработкой отходов в этом штате. Таким образом, мы создали систему переработки/утилизации, которая делает нас единственным в мире экологически чистым производителем плат.

Уорнер: Что ты посоветовал бы инженерам, которые хотят узнать больше об этой проблеме и самых новых достижениях?

Браун: Свяжитесь с производителями, свяжитесь с поставщиками оборудования и поговорите об их опыте, посетите веб-страницу IPC, посвященную надежности микропереходов.

Уорнер: Джим, спасибо, что поделился своим видением и тем, что ты делал в GreenSource. Мы желаем тебе и команде GreenSource дальнейших успехов.

Браун: Пожалуйста, Джуди. Надеюсь, эта информация будет полезна иненерному сообществу.

Примечание: Узнайте больше о GreenSource из статьи The e-Smart Factory Comes to PCB Fabrication (Умная фабрика в производстве печатных плат) от эксперта в этой области Хэппи Холдена (Happy Holden).