Remplissage en cuivre des microvias aveugles

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Les vias, les trous à travers lesquels les pastilles empilées sont connectées électriquement, sont des parties essentielles des cartes de circuits imprimés (PCB). À mesure que les appareils électroniques, à savoir les smartphones et autres produits similaires, deviennent de plus en plus populaires et de taille réduite, la possibilité de placer des vias plus petits sur la carte devient de plus en plus utile.

Vous devez également être en mesure de transférer de manière fiable les signaux à travers les couches du PCB, ce qui peut être accompli en ajoutant une couche de cuivre au substrat de la carte, mais le remplissage des vias avec du cuivre offre une capacité supplémentaire.

Les microvias aveugles remplis de cuivre permettent des cartes d'interconnexion haute densité (HDI) et fournissent également un transfert de signal fiable. Bien qu'il existe des défis associés à ce type de via, ils présentent également de nombreux avantages. Continuez à lire pour en savoir plus sur ce processus et pourquoi il peut vous être utile.

Que sont les microvias ?

L'IPC définit une microvia comme une "structure aveugle (telle qu'elle est plaquée) avec un rapport d'aspect maximal de 1:1… se terminant sur ou pénétrant un terrain cible, avec une profondeur totale (X) ne dépassant pas 0,25 mm [0,00984 in] mesurée à partir de le terrain de capture de la structure se dirige vers le terrain cible.”

Avant que sa définition ne soit modifiée en 2013, le terme était défini comme un trou traversant inférieur à 0,15 mm, ou 0,006 pouces, de diamètre. Au fil du temps, cette taille est devenue plus courante et IPC s'est rendu compte qu'il devrait continuer à mettre à jour sa définition car les vias devenaient plus petits s'ils continuaient à définir en utilisant le diamètre.

Les lasers sont utilisés pour percer des trous pour les microvias, et les progrès récents du forage au laser ont permis la création de microvias aussi petites que 15 µm. Bien que les lasers utilisés puissent percer une seule couche à la fois, les fabricants de circuits imprimés peuvent produire à travers des microvias en perçant plusieurs couches séparément, puis en les empilant.

Vous êtes moins susceptible de rencontrer des défauts de fabrication lorsque vous travaillez avec des microvias qu'avec des vias normaux, car le perçage au laser ne laisse pas de matériau dans les trous percés. Cependant, les microvias sont tout aussi susceptibles de rencontrer des problèmes de placage et de refusion de soudure.

En raison de la petite taille des microvias, ils peuvent être utilisés pour les circuits imprimés d'interconnexion haute densité, qui sont importants aujourd'hui à mesure que l'électronique, en particulier les appareils de télécommunications et informatiques, devient plus avancée mais aussi de plus petite taille.

Que sont les vias aveugles et enterrés ?

Les microvias peuvent être aveugles ou enterrés. Les microvias aveugles connectent une couche externe d'un PCB à une ou plusieurs couches internes et ne traversent pas toute la carte. Ils relient une couche supérieure externe et les couches internes qu'ils atteignent. Les vias aveugles sont utiles pour augmenter la densité de câblage. Si vous avez besoin d'acheminer des pistes de signal d'une couche externe vers une couche interne, les vias aveugles sont souvent le chemin le plus court pour le faire.

Les microvias enterrés connectent deux couches internes ou plus et n'atteignent pas une couche externe. Ils ne peuvent pas être vus des couches externes. Les fabricants les créent généralement en utilisant des stratifications consécutives.

Que sont les vias remplis de cuivre ?

Les vias remplis de cuivre sont des vias remplis de cuivre pur ou de résine époxy avec du cuivre. Ce remplissage en cuivre améliore la conductivité du via, l'aidant à transférer plus efficacement les signaux d'un côté de la carte à l'autre. De nombreux types de vias peuvent être remplis de cuivre, y compris les vias standard, les microvias, les vias aveugles et les vias enterrés.

Vous pouvez également remplir les vias avec d'autres matériaux, tels que l'or, l'argent, l'époxy conducteur, l'époxy non conducteur et le placage électrochimique. Le type de remplissage de via le plus courant est l'époxy non conducteur. Le remplissage en cuivre, cependant, offre des avantages qui le rendent idéal pour certaines applications.

Avantages des microvias aveugles remplis de cuivre

L'utilisation de microvias, qu'elles soient aveugles ou enterrées, est bénéfique pour diverses raisons, notamment les suivantes.

Espace

L'un des principaux avantages de l'utilisation des microvias est qu'ils peuvent vous faire économiser de l'espace, ce qui se traduit finalement par une réduction des coûts. Plus vos vias prennent de place, plus vous avez besoin de carte et plus votre projet sera coûteux.

Les microvias sont un composant crucial des PCB HDI, qui comportent souvent des vias traversants, des vias enterrés, des vias aveugles, une construction sans noyau, une construction de substrat passif et des constructions alternatives de constructions sans noyau avec des paires de couches. En plus de leur taille réduite et de leur poids inférieur, ces cartes offrent également des performances électriques améliorées en raison de la distance réduite entre les composants et du nombre plus élevé de transistors.

Les microvias peuvent également vous aider à utiliser plus efficacement les via-in-pads (VIP). Les VIP économisent de l'espace en créant des connexions dans les plots des technologies montées en surface (SMT). En raison de leur petite taille, les microvias sont bien adaptés pour une utilisation avec des VIP. Les vias normaux sont parfois trop grands pour s'adapter à l'intérieur des pastilles pour les SMT. Les microvias, cependant, peuvent s'adapter à l'intérieur des pastilles sans aucun problème de fabrication.

Les microvias aveugles et enterrés sont également plus faciles à fabriquer que les vias aveugles et enterrés ordinaires, qui peuvent être difficiles à fabriquer. Les microvias, cependant, sont déjà fabriqués couche par couche, ce qui signifie qu'il est plus facile de les rendre aveugles ou enterrés - un processus qui nécessite de travailler couche par couche.

Les microvias sont également utiles pour casser les réseaux à billes (BGA). Les VIP Microvia peuvent facilement s'insérer dans les pads des BGA à pas fin. Ils sont encore plus bénéfiques dans les canaux de dérivation. Les VIP économisent de l'espace en surface mais nécessitent également un nombre élevé de couches pour obtenir des sorties vers d'autres parties de la carte. Les microvias peuvent vous aider à augmenter la largeur des chemins d'évacuation, ce qui peut vous permettre d'utiliser moins de couches pour briser un BGA.

EMI réduit

Les microvias peuvent également aider à réduire les interférences électromagnétiques (EMI), qui se produisent lorsqu'un champ électromagnétique affecte un circuit électrique et perturbe le fonctionnement d'un appareil électronique. Parce qu'ils présentent un risque réduit d'EMI, les microvias sont particulièrement utiles pour les circuits sujets aux EMI, tels que ceux utilisés dans les applications à haute fréquence ou à grande vitesse.

Les circuits à grande vitesse rencontrent souvent des problèmes de rayonnement de signal et de réflexion dans les vias. Cependant, la réduction de la taille des vias réduit le potentiel de rayonnement, ce qui se traduit par moins d'EMI. Pour les circuits à grande vitesse, les tronçons - qui sont des lignes de transmission ou des guides d'ondes qui ne sont connectés qu'à une extrémité - sont une autre cause de problèmes EMI. Les stubs peuvent renvoyer les signaux dans les conducteurs et atténuer ou même annuler le signal d'origine. Cependant, comme les microvias sont créés couche par couche, vous n'aurez pas de stubs.

Les lignes de transmission à haute fréquence, telles que les conducteurs micro-ondes et micro-bande à ondes millimétriques, nécessitent des vias pour évacuer les signaux. Les vias standard, cependant, créent trop d'EMI pour une utilisation dans les lignes à bande haute fréquence. Les microvias, en revanche, génèrent très peu d'EMI et ne dégraderont pas l'intégrité de votre signal. Les circuits haute fréquence sont de plus en plus utilisés, ce qui fait des EMI une préoccupation plus courante.

Le remplissage des vias avec du cuivre offre également plusieurs avantages, notamment dans les domaines de la conductivité thermique et électrique.

Conduction thermique et électrique

L'utilisation de cuivre pour remplir un via augmente la conductivité thermique du via, ce qui éloigne la chaleur de la carte, ce qui prolonge la durée de vie et réduit le risque de défauts. Au lieu de se déplacer vers différentes parties de la carte, la chaleur se déplacera à travers le cuivre jusqu'à l'autre côté de la carte, protégeant ses composants. Le cuivre a une conductivité thermique plus élevée que l'or, qui est un autre matériau utilisé pour remplir les vias.

Le cuivre a également une conductivité électrique plus élevée que l'or. La conductivité du cuivre dans un via permettra aux courants de traverser des couches plus profondes sans surcharger le PCB. Cette caractéristique rend les microvias remplis de cuivre idéaux pour les applications haute tension et celles qui nécessitent de forts courants pour se déplacer entre chaque côté de la carte.

Défis associés aux microvias aveugles remplis de cuivre

Certains défis sont associés à la fabrication de microvias. Ces défis peuvent parfois conduire à des défauts d'interconnexion (ICD), des défauts qui se produisent près du placage et de la couche de cuivre interne. Ces ICD peuvent causer des problèmes de fiabilité, des circuits ouverts, des problèmes intermittents à des températures élevées et des pannes de circuit. Il peut être difficile de détecter les DAI car ils peuvent fonctionner correctement lors des tests après l'étape de fabrication, mais révéler ensuite des problèmes lors de l'assemblage ou de l'utilisation. Il est important de surveiller ces défauts et de fabriquer les planches avec soin pour les éviter.

DCI à base de débris

Un type courant d'ICD se produit parce que les débris se retrouvent dans le trou d'interconnexion, puis s'incrustent dans le cuivre de la couche interne. Ces débris résultent souvent du processus de forage de trous. Les lasers utilisés pour percer les trous des microvias ne créent pas autant de débris que les autres processus de forage de trous, de sorte que les microvias présentent un risque moindre de DCI à base de débris. Cependant, il est toujours important que le fabricant vérifie que tous les trous sont exempts de débris, de résidus, de traces de forage, de fibre de verre, de charges inorganiques et d'autres matériaux avant de les remplir de cuivre.

Dans divers types de vias, les DAI à base de débris sont de plus en plus courants, peut-être parce que de plus en plus de fabricants utilisent des matériaux à faible DK/faible DF. Ces matériaux sont les plus rentables à bien des égards, mais ils créent souvent plus de débris et sont plus résistants chimiquement au nettoyage que d'autres matériaux tels que les matériaux époxy FR-4 standard.

DAI de défaillance de liaison cuivre

Un autre type courant d'ICD est une défaillance de la liaison en cuivre. Ce type peut se produire en raison d'une contrainte élevée lors de l'assemblage ou de l'utilisation, d'une bande de cuivre faible ou d'une combinaison de ces deux conditions. Lorsqu'une défaillance de liaison cuivre ICD se produit, la connexion cuivre se rompt physiquement. Plus la liaison cuivre est faible, moins il faut de stress pour la rompre.

La prévalence des DAI à rupture de liaison au cuivre semble augmenter, peut-être parce que de plus en plus de fabricants utilisent des PCB plus épais et des températures de soudure sans plomb plus élevées. Des trous de plus grande taille et une soudure à la vague peuvent également augmenter la probabilité de défaillances de la liaison du cuivre. Les défaillances de la liaison cuivre se produisent sur les microvias ainsi que sur les vias standard.

Vides et fiabilité

Les problèmes courants qui surviennent dans le processus de placage de cuivre pour les microvias comprennent un remplissage incomplet, des fossettes et des vides. Ces défauts peuvent entraîner des problèmes de fiabilité. Selon une étude menée par des chercheurs de l'Université du Maryland, un remplissage en cuivre incomplet augmente les niveaux de contrainte dans les microvias, diminuant leur durée de vie à la fatigue, qui est le nombre de cycles de chargement (contrainte) qu'un échantillon peut supporter avant de tomber en panne.

L'impact d'un vide sur la fiabilité de la microvia dépend des caractéristiques du vide, telles que sa taille, sa forme et son emplacement. Les petits vides sphériques, par exemple, augmentent légèrement la durée de vie des microvias, tandis que des conditions de vide extrêmes réduisent considérablement leur durée de vie.

Le processus de remplissage en cuivre pour les microvias aveugles

Après avoir percé les trous de microvia, le fabricant y mettra du cuivre pur ou de la résine époxy avec du cuivre pour connecter les circuits de la couche interne à la surface du PCB. Ce cuivre vous permet de placer des composants ou des connecteurs sur la surface de la carte et permet au circuit de se connecter entre les couches.

Lorsque vous travaillez avec des microvias aveugles, le remplissage des trous de microvia sans additifs entraîne généralement la formation de vides. Le fabricant dépose toujours du cuivre jusqu'à ce que le via soit fermé, mais si aucun additif n'est utilisé, moins de cuivre se dépose à l'intérieur du via qu'à la surface et des vides peuvent se former.

Certains additifs organiques entravent le dépôt à la surface et aident à augmenter le placage dans la microvia aveugle, ce qui conduit à un dépôt conforme. Le placage conforme augmente également le rapport d'aspect de la microvia aveugle, ce qui limite la solution et le transport de masse dans celle-ci. Ce processus aboutit parfois à une microvia avec une couture au centre.

Vous pouvez également remplir une microvia aveugle avec du cuivre en utilisant la méthode ascendante, qui consiste à déposer du cuivre de préférence sur le tampon de capture. Idéalement, ce processus créera une fossette basse combinée à un minimum de cuivre de surface plaqué.

Lorsque vous remplissez un trou via avec du cuivre, il est important de vous assurer que la couche de cuivre à l'intérieur du via est uniforme et que vous ne rendez pas la couche externe trop épaisse. Un excès de cuivre ajoute un poids inutile au PCB et peut entraîner une trop grande quantité de cuivre sur les pistes. Ce problème peut alors entraîner des défauts, le non-respect des spécifications ou une augmentation des coûts, ce qui est encore plus important avec les microvias qu'avec les vias ordinaires, car les spécifications de conception sont plus strictes.

Une considération importante lors du remplissage des microvias aveugles est de savoir s'il faut utiliser du cuivre pur ou de la résine époxy et du cuivre. L'utilisation de cuivre pur est une méthode plus traditionnelle, mais cette approche peut provoquer la formation de vides. Les contaminants peuvent également être piégés dans le cuivre. Laisser un renfoncement en haut du remplissage peut aider à prévenir ces problèmes.

Une approche pour remplir les trous traversants crée essentiellement deux microvias aveugles. Ce processus implique d'abord d'utiliser un placage conforme, puis de passer à un placage pulsé agressif, ce qui entraîne la création d'une forme en X dans le trou formé par deux triangles de cuivre sur chaque paroi du trou. Cette forme forme essentiellement deux microvias aveugles, une de chaque côté du PCB. À l'étape suivante, vous remplirez complètement ces BMV.

Les progrès récents, tels que le développement de nouveaux électrolytes de cuivre, ont contribué à faciliter le remplissage des microvias aveugles sans défauts ni excès de cuivre. Les électrolytes pour le remplissage aveugle des microvias ont souvent une concentration élevée en cuivre, une faible concentration en acide sulfurique et des ions chlorure. Les additifs électrolytiques organiques utilisés pour contrôler les caractéristiques du revêtement comprennent généralement un démarreur, un raffineur de grain et un niveleur.

Microvias aveugles remplis de cuivre de Millennium Circuits Limited

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