Tìm hiểu về Quy trình Sản xuất Microvia và Substrates HDI

Khởi đầu của việc sản xuất HDI

Mạch in kết nối mật độ cao (HDI) thực sự bắt đầu vào năm 1980, khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm cách giảm kích thước của vias. Người đổi mới đầu tiên không được biết đến, nhưng một số người tiên phong đầu tiên bao gồm Larry Burgess của MicroPak Laboratories (người phát triển LaserVia), Tiến sĩ Charles Bauer tại Tektronix (người đã sản xuất vias photodielectric), [1] và Tiến sĩ Walter Schmidt tại Contraves (người đã phát triển vias khắc bằng plasma).

Lô sản xuất đầu tiên hoặc các bảng in tuần tự xuất hiện vào năm 1984, bắt đầu với bảng máy tính FINSTRATE được khoan bằng laser của Hewlett-Packard, tiếp theo là vào năm 1991 ở Nhật Bản với Surface Laminar Circuits (SLC) [2] của IBM-YASU và ở Thụy Sĩ với DYCOstrate [3] của Dyconex. Hình 1 cho thấy một trong những bảng FINSTRATE đầu tiên của Hewlett Packard, trên bìa của Tạp chí Hewlett-Packard (1983).

HP Finstrate Laser-Via

HP không có ý định phát triển microvias được khoan bằng laser. Chúng là kết quả của việc đảo ngược kỹ thuật chiếc chip máy tính micro 32-bit mới của họ. Họ gọi nó là chip “FOCUS”, một vi xử lý 32-bit được phát triển trên NMOS-III, có đặc điểm tiêu thụ rất nhiều dòng điện. Một trong những bất ngờ ban đầu với vi xử lý mới này là nó không thể điều khiển được độ tự cảm của một via xuyên lỗ tiêu chuẩn có đường kính 0,3 mm trong một tấm bảng dày 1,6 mm. Nó chỉ có thể điều khiển được 20-30 nHenrys của độ tự cảm, hoặc một via mù có đường kính 0,125mm. Bất ngờ thứ hai là nó không có đủ năng lượng để điều khiển được sự mất mát bình thường của FR-4 (Dj=0.020), vì vậy polytetrafluoroethylene (PTFE) tinh khiết đã được sử dụng. Yêu cầu làm mát của IC đòi hỏi một tấm bảng lõi kim loại với các via mù rất nhỏ và điện môi mất mát thấp. Tấm bảng kết quả được tạo ra là một công nghệ xây dựng lõi đồng, có các mạch tích hợp (ICs) được nối dây trực tiếp.

HÌNH 1. Bảng mạch in microvia đầu tiên được sản xuất hàng loạt. FINSTRATE của Hewlett Packard được đưa vào sản xuất năm 1984. Đây là công nghệ xây dựng dựa trên lõi đồng, với PTFE tinh khiết làm điện môi và có mạch tích hợp (IC) được nối dây trực tiếp.

Ảnh IBM SLC Photo-via

Kể từ khi công nghệ SLC của IBM được giới thiệu vào năm 1991, nhiều biến thể của phương pháp sản xuất hàng loạt bảng mạch HDI đã được phát triển và áp dụng, được đánh giá dựa trên khối lượng sản xuất, công nghệ khoan bằng laser là một trong số đó. Các phương pháp khác vẫn được một số nhà sản xuất PWB sử dụng, nhưng ở quy mô nhỏ hơn nhiều.

Tuy nhiên, sẽ đặt nặng hơn vào quy trình khoan bằng laser (sau đây gọi là laser via) vì đây là quy trình phổ biến nhất hiện nay và có vẻ như sự phổ biến của nó sẽ tăng lên trong tương lai. Cần phải hiểu rằng, việc tạo lỗ via chỉ là một phần của quá trình chế tạo bảng mạch HDI. Việc chế tạo bảng mạch HDI với lỗ microvia bao gồm nhiều quy trình không giống như chế tạo bảng mạch thông thường.

Cơ bản về Chế tạo HDI

Hình 2 cho thấy sự phân chia của quy trình Sản xuất Tích tụ Tuần tự (SBU) hoặc quy trình sản xuất Kết nối Cao Mật độ. Ba yếu tố cơ bản là:

• Định dạng Điện môi,
• Hình thành Via,
• Phương pháp Mạ

HÌNH 2. Công nghệ xây dựng tuần tự (HDI) có ba đặc điểm chính: Định dạng Điện môi, Hình thành Via và Phương pháp Mạ kim loại (Nhờ có sự hỗ trợ của DuPont).

Quy trình sản xuất cho mỗi công nghệ microvia bắt đầu với một lõi cơ bản, có thể là một bảng mạch hai mặt đơn giản mang các lớp nguồn và mặt đất hoặc một bảng mạch đa lớp mang một số mẫu tín hiệu ngoài nguồn và mặt đất. Lõi thường có các lỗ thông mạch (PTHs). Những PTH này trở thành BVHs. Một lõi như vậy thường được gọi là lõi hoạt động.

Điện môi và Cách điện

Một cái nhìn tổng quan về điện môi và vật liệu dẫn điện áp dụng được sử dụng trong việc chế tạo microvia được trình bày trong tiêu chuẩn IPC-4104A. Một số điện môi này có thể được sử dụng trong cả bao bì chip và ứng dụng HDI PWB. Các tài liệu tham khảo chéo được thực hiện đến các quy định vật liệu liên quan của IPC/JPCA-4104 cho vật liệu HDI và microvia

Lựa chọn vật liệu cần trả lời những câu hỏi này:

• Liệu điện môi sử dụng có hóa chất tương thích với hóa chất hiện tại được sử dụng bởi vật liệu lõi cơ bản không?
• Liệu điện môi có độ bám dính đồng phủ chấp nhận được không? (Nhiều nhà sản xuất thiết bị gốc [OEMs] muốn >6 lb./in. [1.08 kgm/cm] cho mỗi 1 oz. [35.6 µm] đồng.)
• Liệu điện môi có cung cấp khoảng cách điện môi đủ và đáng tin cậy giữa các lớp kim loại không?
• Liệu nó đáp ứng được nhu cầu về nhiệt không?
• Liệu điện môi có cung cấp một giá trị Tg “cao” mong muốn cho việc kết nối dây và sửa chữa không?
• Liệu nó có thể chịu được sốc nhiệt với nhiều lớp SBU (tức là, lơ lửng hàn, chu kỳ nhiệt tăng tốc, nhiều lần tái hàn)?
• Liệu nó có microvias có thể phủ, đáng tin cậy (nghĩa là, liệu nó có đủ dư địa để đảm bảo phủ tốt đến đáy của via)?

Có chín loại vật liệu điện môi khác nhau được sử dụng trong các nền HDI. Các bảng IPC như IPC-4101B và IPC-4104A bao gồm nhiều loại này, nhưng nhiều loại vẫn chưa được quy định bởi các tiêu chuẩn IPC. Các vật liệu bao gồm:

• Chất Điện Môi Lỏng Nhạy Sáng
• Chất Điện Môi Dạng Phim Khô Nhạy Sáng
• Phim Linh Hoạt Polyimide
• Phim Khô Được Hóa Cứng Bằng Nhiệt
• Chất Điện Môi Lỏng Được Hóa Cứng Bằng Nhiệt
• Foil Đồng Phủ Nhựa (RCC), hai lớp và được củng cố
• Lõi FR-4 Thông Thường và Prepregs
• Prepregs ‘spread-glass’ mới có thể khoan bằng laser (LD)
• Thermoplastics

Hình Thành Via Kết Nối

Phần này thảo luận về các quy trình sử dụng các kỹ thuật hình thành lỗ via bằng cách khoan. Việc khoan via xuyên qua có thể thực hiện được với kích thước dưới 0.20 mm (0.008 in.), nhưng chi phí và tính khả thi làm giảm điều này. Dưới 0.20 mm (0.008 in.), việc khoan bằng laser và các quy trình hình thành via khác có chi phí hiệu quả hơn. Có nhiều phương pháp khác nhau để hình thành các IVH được sử dụng trong quy trình HDI. Khoan bằng laser là phương pháp nổi bật nhất.  Những phương pháp hình thành via khác nhau này có một số giới hạn về kích thước nhỏ nhất của các via mà chúng tạo ra, cũng như sự khác biệt đáng kể về tốc độ hình thành via.

HÌNH 3. Khoan các via nhỏ bằng cách cơ học, hoặc bằng cách kiểm soát độ sâu, Hình 3a, hoặc lắp ghép tuần tự, Hình 3b, là cách HDI bắt đầu trong sản xuất hàng loạt.

Khoan Cơ Học

Kỹ thuật cổ nhất để tạo via mù và via chôn là khoan cơ khí và lắp ghép tuần tự, như được thấy trong Hình 3a và 3b.  Tiến bộ đã được thực hiện trong cả việc sản xuất mũi khoan nhỏ và khoan cơ khí tốc độ cao để cho phép kỹ thuật này được sử dụng trong một số trường hợp.

 

HÌNH 4. Việc tạo via mù trên tấm PWB thường được thực hiện bằng công nghệ laser  nhưng các quy trình via hàng loạt như khắc hóa học, plasma hoặc photodielectrics cũng đã được sử dụng.

Công Nghệ Via Laser

Quá trình tạo lỗ vi bằng laser là quá trình phổ biến nhất để tạo lỗ microvia. Tuy nhiên, đây không phải là quá trình tạo vi nhanh nhất. Việc khắc hóa học các vi nhỏ là nhanh nhất, với tốc độ ước tính từ 8,000 đến 12,000 vi mỗi giây. Điều này cũng đúng với quá trình tạo vi bằng plasma và tạo vi bằng ánh sáng (Hình 4). Tất cả đều là các quá trình tạo vi hàng loạt. Khoan vi bằng laser là một trong những kỹ thuật tạo microvia lâu đời nhất. [1] Các bước sóng của năng lượng laser nằm trong vùng hồng ngoại và tia cực tím. Khoan vi bằng laser đòi hỏi phải lập trình kích thước và năng lượng của chùm tia. Chùm tia có fluence cao có thể cắt kim loại và thủy tinh, trong khi chùm tia có fluence thấp có thể loại bỏ các chất hữu cơ một cách sạch sẽ nhưng không làm hại kim loại. Kích thước điểm chùm tia nhỏ nhất khoảng 20 micromet (<1 mil) được sử dụng cho chùm tia có fluence cao và khoảng 100 micromet (4 mil) đến 350 micromet (14 mil) cho chùm tia có fluence thấp. [2] [3]

Hầu hết các quy trình laser sử dụng laser CO2 hoặc UV vì chúng là loại laser dễ tìm và kinh tế nhất. Khi sử dụng laser CO2 để tạo vias trên lớp phủ epoxy, lớp đồng phải được loại bỏ ở phía trên khu vực cần được tẩy xóa (Xem Hình 5). Laser CO2 chủ yếu được sử dụng cho các loại lớp phủ không được hỗ trợ bởi thủy tinh. Điều này bao gồm các loại lớp phủ không được hỗ trợ như polyimide linh hoạt và lá đồng phủ nhựa (RCC^®) cũng như lớp phủ được củng cố bằng các vật liệu thay thế như sợi aramid. Các laser CO2 TEA (Transversely Excited Atmospheric) được chỉnh sửa đặc biệt được tạo ra để khoan qua sợi thủy tinh bằng bước sóng 9,000 nm và công suất đỉnh cao hơn.

Tuy nhiên, có nhiều biến thể. Với mục đích khoan lỗ microvia, có năm hệ thống laser: UV/Eximer, UV/Yag laser, laser CO2, Yag/ CO2, và sự kết hợp CO2/ TCO2. Cũng có nhiều loại vật liệu điện môi: RCC, chỉ có nhựa (phim khô hoặc nhựa lỏng), và prepreg được củng cố. Do đó, số cách tạo lỗ microvia bằng hệ thống laser được xác định bởi sự hoán vị của năm hệ thống laser và các vật liệu điện môi này, như được thấy trong Hình 5.

HÌNH 5. Ba quy trình chính của quá trình tạo lỗ mù bằng laser; c. sử dụng laser UV hoặc xử lý đặc biệt bằng laser CO2 để mở cửa sổ trên lá đồng; d. Ăn mòn mở cửa sổ trên lá đồng sau đó dùng laser trên vật liệu điện môi; e. Sử dụng laser Eximer để tạo lỗ mù trên vật liệu sau đó phủ điện môi bằng phương pháp phun cát hoặc đồng không điện.

Laser công suất cao (ví dụ: Ultra Violet-UV) có thể loại bỏ kính và đồng và do đó có thể được sử dụng với các loại vật liệu ghép thông thường, nhưng thường chậm hơn khi đi qua đồng và sợi kính. Có một số yếu tố cần xem xét trong quá trình xử lý lỗ mù bằng laser: độ chính xác vị trí của các lỗ được tạo bằng laser (lỗ microvia), đường kính lỗ không đồng đều, và sự thay đổi kích thước của tấm sau khi chữa điện môi, sự thay đổi kích thước của tấm do biến đổi nhiệt độ và độ ẩm, độ chính xác căn chỉnh của máy phơi sáng, bản chất không ổn định của tác phẩm nghệ thuật âm bản, và vân vân. Những điều này cần được theo dõi cẩn thận và là quan trọng cho tất cả các quá trình lỗ microvia.

Phương pháp Mạ

Quá trình cuối cùng là mạ vias. Có bốn phương pháp mạ khác nhau cho các IVH được sử dụng trong quy trình HDI. Các phương pháp bao gồm: 

• Đồng Mạ Không Điện và Mạ Điện Truyền Thống
• Graphite Dẫn Điện Hoặc Các Polyme Khác Truyền Thống
• Đồng Mạ Không Điện Hoàn Toàn và Bán Phần Thêm
• Mực hoặc Keo Dẫn Điện (Hình 6f và 6g)

Laser là phương pháp sản xuất microvia được lấp đầy bằng keo dẫn điện phổ biến nhất. Laser có khả năng loại bỏ vật liệu điện mô và dừng lại khi gặp mạch đồng, do đó chúng rất phù hợp để tạo ra các vias mù có độ sâu kiểm soát. Hình 6 cho thấy hai quy trình microvia chính này.

HÌNH 6. Hai quy trình phổ biến nhất ở châu Á cho việc kim loại hóa lỗ micro-via là sử dụng polyme dẫn điện; f. Quy trình BBiT phủ một lớp keo bạc dẫn điện lên lá đồng và ép nó vào lõi hai mặt; g. Các loại keo dẫn điện khác nhau được phủ vào lỗ khoan laser trong điện mô giai đoạn b và sau đó được ép cùng với lá đồng vào lõi.

Xem và tìm hiểu cách Altium Designer^® hỗ trợ thiết kế HDI:

  

Đăng ký và thử Altium  hôm nay.