Меднение UHDI: что разработчикам нужно понимать об этом процессе

Процесс меднения, в результате которого формируются переходные отверстия, производителям хорошо понятен, а для традиционного процесса субтрактивного травления в стандартных технологиях и High Density Interconnect (HDI) за десятилетия накоплен огромный опыт, на котором основаны правила проектирования по аспектному отношению и лучшие практики разработки, и эти правила хорошо известны сообществу разработчиков печатных плат.

На первый взгляд процесс меднения для технологии Ultra HDI не должен быть таким уж сложным, верно? Но у технологии Ultra HDI нет за плечами десятилетий практического опыта, и запасы по допускам и отклонениям приобретают совершенно иной смысл, когда размеры элементов становятся меньше 75 микрон, особенно вблизи диапазона 25 микрон.

Меднение в UHDI — это не фоновый процесс, который производители автоматически выполняют без особого внимания. Это набор переменных, напрямую взаимодействующих с проектными решениями, и если эти переменные учтены неверно, и у производителей, и у разработчика печатной платы в ходе прототипирования и разработки может возникнуть ряд проблем, которые придется решать.

Ключевые выводы

• В UHDI меднение — это задача геометрии, а не только производства. Когда диаметр переходных отверстий становится меньше 75 микрон, распределение тока становится неравномерным, а разброс толщины меди увеличивается, и геометрия, создающая этот риск, определяется проектом.
• Аспектное отношение — ключевой параметр, которым управляет разработчик. Для лазерно просверленных микропереходов в UHDI значение 1:1 или меньше (глубина к диаметру) — это жесткое ограничение, обусловленное физикой процесса меднения, а не предпочтение производителя. Запаса, позволяющего выйти за эти пределы, нет.
• Стековые микропереходы требуют полного и плоского заполнения медью до того, как можно будет формировать следующий слой. Любой купол, углубление или смещение заполнения от центра становится встроенной точкой отказа для переходного отверстия, расположенного сверху.
• Одни только электрические испытания не выявят риски меднения в UHDI. Переходное отверстие может пройти проверку на целостность цепи и при этом иметь профиль меднения, который приведет к отказу при термоциклировании в реальных условиях эксплуатации. Анализ поперечного сечения на первом изделии — единственный способ понять, что на самом деле происходит внутри структуры.

Почему меднение становится сложнее по мере уменьшения размеров элементов

В стандартном производстве печатных плат меднение — зрелый процесс. Допуски понятны, химия процесса настроена, а у производителей есть многолетние данные, на которые можно опереться. Но при переходе к геометриям UHDI значительная часть этой уверенности исчезает.

Ключевая проблема — доступ. При электролитическом меднении ионы меди осаждаются на проводящие поверхности в присутствии электрического поля. При больших размерах элементов ток распределяется достаточно равномерно. Когда диаметр переходных отверстий уменьшается ниже 75 микрон, контролировать это распределение становится сложнее. Плотность тока концентрируется на краях и в углах. Поле внутри маленького переходного отверстия отличается от поля на поверхности. В одних областях медь нарастает быстрее, чем в других, и разброс толщины становится существенным при тех размерах элементов, которые требуются для UHDI.

Это не та проблема производителя, которую можно решить только улучшением химии. Это геометрическая проблема, и геометрия определяется проектом.

Аспектное отношение: число, определяющее риск меднения

Аспектное отношение (соотношение глубины переходного отверстия к его диаметру) — один из важнейших параметров в меднении UHDI, и именно разработчик напрямую его контролирует.

Большинство производителей исходят из максимального значения 1:1 для лазерно просверленных микропереходов в UHDI-конструкциях. Например, переходное отверстие диаметром 75 микрон, просверленное в диэлектрике толщиной не более 75 микрон, или отверстие 50 микрон в диэлектрике толщиной 50 микрон. При превышении этого значения обмен раствора для меднения внутри отверстия затрудняется. Свежая химия не может поступать внутрь. Побочные продукты не могут выходить наружу. Результат — неполное меднение, тонкий слой меди в стенках отверстия или пустоты.

Пустоты в стандартном металлизированном сквозном отверстии — это проблема надежности. В стековом микропереходе это еще более серьезная и непосредственная проблема. Термоциклирование во время пайки оплавлением нагружает эти пустоты, и пустота внутри заполненного медью стекового переходного отверстия создает точку отказа, которая может не проявиться при электрических испытаниях, но обязательно проявится в эксплуатации.

Толщина диэлектрика и диаметр переходного отверстия — оба параметра определяются проектом. Поддержание аспектного отношения на уровне 1:1 или ниже — не предпочтение производителя. Это ограничение, продиктованное физикой меднения, которое проект должен учитывать, и в UHDI нет запаса, позволяющего выходить за рамки этих правил проектирования.  И да, я знаю, что мы все уже привыкли «поджимать» эти аспектные отношения в HDI при субтрактивном травлении!

Стековые микропереходы и требование к заполнению медью

В большинстве проектов UHDI используются stacked microvias, хотя часто рекомендуют staggered micro vias, чтобы достичь плотности межсоединений, требуемой стеком слоев. Именно стековая структура дает наибольшую экономию места, но именно здесь и сосредоточена основная сложность меднения.

Стековый микропереход должен быть заполнен медью до того, как над ним можно будет просверлить и металлизировать следующее переходное отверстие. Заполнение должно быть полным, плоским и стабильным по размерам. Следующее лазерное сверление нацеливается в центр этого заполненного отверстия, и если заполнение имеет куполообразную форму, смещено от центра или неполное, то верхнее отверстие уже изначально получает встроенную проблему.

Химия заполнения медью медленнее и требует большего контроля, чем стандартное электролитическое меднение, и чувствительна к тем же геометрическим переменным. Глубокие и узкие отверстия заполняются менее надежно, чем неглубокие и более широкие. На качество заполнения напрямую влияет несколько факторов: диаметр отверстия на уровне рекомендуемого производителем минимума или выше, постоянная толщина диэлектрика по всей панели и отсутствие большего числа стекуемых слоев, чем то, на которое квалифицирован технологический процесс производителя. О последнем моменте стоит спросить отдельно: этот параметр не всегда попадает в стандартную обратную связь DFM.

Что проявляется на первых образцах

Проблемы меднения в UHDI не всегда выявляются при электрических испытаниях. Переходное отверстие может пройти проверку на проводимость и при этом иметь профиль меднения, создающий риск для надежности. Анализ поперечного сечения — это инструмент, который действительно показывает, что происходит внутри структуры переходного отверстия. Рассматривайте поперечные сечения первых образцов как полноценный сбор данных, а не как формальность, особенно в проектах Ultra HDI.

Следует обращать внимание на несколько вещей: постоянство толщины меди в стенках переходных отверстий по нескольким образцам, а не только в одной точке панели; профиль заполнения в стековых переходных отверстиях — слегка выпуклая или утопленная поверхность говорит о том, как химия и геометрия взаимодействуют друг с другом; а также разброс толщины меди между плотными и разреженными участками панели.

Если в любом из этих параметров есть вариации, вызывающие беспокойство у производителя, именно это и нужно обсуждать на этапе разработки — задолго до запуска в производство. Корректировки на этапе первых образцов обычно достаточно просты и ожидаемы, а вот упущения в надежности после отгрузки продукта — нет.

Перед выпуском проекта

Стоит учесть несколько моментов:

• Рассчитали ли вы аспектное отношение для каждого микроперехода и подтвердили ли, что оно находится в пределах квалифицированного диапазона вашего производителя?
• Соответствует ли толщина диэлектрика в каждом наращиваемом слое диаметру переходного отверстия, сверлимого через него?
• Обсуждали ли вы требования к заполнению медью для стековых переходных отверстий, включая то, на какое количество стекуемых слоев квалифицирован процесс производителя?
• Учтено ли распределение меди по панели — либо за счет балансировки меди в проекте, либо через прямое обсуждение того, что требуется производителю?
• Процесс меднения работает с той геометрией, которую задает проект, и правильная настройка этой геометрии — это управляемая переменная до передачи проекта в производство.

Для команд, координирующих проектирование плотных межсоединений, обратную связь от производства и готовность к выпуску, Altium Develop помогает связать работы по разработке электроники между участниками со стороны проектирования и производства. 

Начните работу с Altium Develop →

Часто задаваемые вопросы

Почему меднение меди в UHDI влияет на стоимость?

Меднение в UHDI может увеличивать стоимость, потому что меньшие размеры элементов часто требуют более жесткого контроля стека слоев, более тщательного мониторинга процесса, дополнительных поперечных шлифов и более тесного инженерного взаимодействия между командой разработчиков и производителем печатных плат. Стековые микропереходы, заполненные медью, также могут увеличивать время изготовления, поскольку каждый заполненный уровень должен быть завершен до формирования следующего.

Какие методы контроля помогают выявлять проблемы меднения в UHDI?

Анализ поперечного сечения — основной метод контроля, позволяющий увидеть толщину меди, пустоты и форму заполнения внутри микропереходов. В зависимости от уровня риска продукта команды также могут запрашивать испытания купонов, оценку термической стойкости или дополнительный отбор образцов из разных участков панели для сравнения областей с высокой и низкой плотностью меди.

Какие проверки DFM разработчикам следует выполнить до передачи в производство?

Разработчикам следует проверить аспектное отношение микропереходов, толщину диэлектрика, количество стекуемых переходных отверстий, распределение меди и минимальные квалифицированные размеры элементов у производителя. Выполнение этих проверок до формирования выходных файлов помогает избежать предотвратимых остановок по DFM и сосредоточить обсуждение с производством на возможностях процесса, а не на поздних исправлениях топологии.