Kupferfüllung von Blind-Microvias

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Vias, die Löcher, durch die gestapelte Pads elektrisch verbunden sind, sind wesentliche Teile von Leiterplatten (PCBs). Da elektronische Geräte, nämlich Smartphones und andere ähnliche Produkte, immer beliebter werden und in ihrer Größe schrumpfen, wird die Möglichkeit, kleinere Durchkontaktierungen auf der Platine zu platzieren, immer nützlicher.

Sie müssen auch in der Lage sein, Signale zuverlässig durch die Schichten der Leiterplatte zu übertragen – was durch Hinzufügen einer Kupferschicht zum Leiterplattensubstrat erreicht werden kann –, aber das Füllen der Durchkontaktierungen mit Kupfer bietet zusätzliche Kapazität.

Kupfergefüllte Blind-Microvias ermöglichen HDI-Boards (High-Density Interconnect) und bieten außerdem eine zuverlässige Signalübertragung. Mit dieser Art von Durchkontaktierungen sind zwar Herausforderungen verbunden, sie bieten jedoch auch viele Vorteile. Lesen Sie weiter, um mehr über diesen Prozess zu erfahren und warum er für Sie nützlich sein kann.

Was sind Microvias?

IPC definiert eine Microvia als eine „blinde Struktur (wie plattiert) mit einem maximalen Seitenverhältnis von 1:1 … die auf einer Zielfläche endet oder diese durchdringt, mit einer Gesamttiefe (X) von nicht mehr als 0,25 mm [0,00984 Zoll], gemessen von die Eroberungslandfolie der Struktur zum Zielland.“

Bevor seine Definition im Jahr 2013 geändert wurde, war der Begriff als Durchgangsloch mit einem Durchmesser von weniger als 0,15 mm oder 0,006 Zoll definiert. Im Laufe der Zeit wurde diese Größe immer üblicher und IPC erkannte, dass es seine Definition weiter aktualisieren musste, da Vias kleiner wurden, wenn sie weiterhin den Durchmesser verwenden würden.

Laser werden verwendet, um Löcher für Microvias zu bohren, und jüngste Fortschritte beim Laserbohren haben die Herstellung von Microvias mit einer Größe von nur 15 µm ermöglicht. Obwohl die verwendeten Laser jeweils nur eine Schicht durchbohren können, können Leiterplattenhersteller durchgehende Microvias herstellen, indem sie mehrere Schichten separat bohren und diese dann stapeln.

Beim Arbeiten mit Microvias ist die Wahrscheinlichkeit von Herstellungsfehlern geringer als bei normalen Vias, da beim Laserbohren kein Material in den gebohrten Löchern zurückbleibt. Bei Microvias treten jedoch ebenso häufig Probleme mit der Beschichtung und dem Aufschmelzlöten auf.

Aufgrund der geringen Größe von Microvias können sie für High-Density-Interconnect-PCBs verwendet werden, die heute wichtig sind, da die Elektronik – insbesondere Telekommunikations- und Computergeräte – fortschrittlicher, aber auch kleiner wird.

Was sind blinde und vergrabene Vias?

Microvias können entweder blind oder vergraben sein. Blind Microvias verbinden eine äußere Lage einer Leiterplatte mit einer oder mehreren inneren Lagen und gehen nicht durch die gesamte Platine. Sie verbinden eine äußere Deckschicht und die inneren Schichten, die sie erreichen. Blind Vias sind nützlich, um die Verdrahtungsdichte zu erhöhen. Wenn Sie Signalspuren von einer äußeren Schicht zu einer inneren Schicht führen müssen, sind Sacklöcher oft der kürzeste Weg dafür.

Buried Microvias verbinden zwei oder mehr innere Schichten und reichen nicht bis zu einer äußeren Schicht durch. Sie sind von den äußeren Schichten nicht zu sehen. Hersteller erstellen sie normalerweise mit aufeinanderfolgenden Laminierungen.

Was sind kupfergefüllte Vias?

Kupfergefüllte Durchkontaktierungen sind Durchkontaktierungen, die entweder mit reinem Kupfer oder mit Epoxidharz mit Kupfer gefüllt sind. Diese Kupferfüllung verbessert die Leitfähigkeit der Durchkontaktierung und hilft ihr dabei, Signale effektiver von einer Seite der Platine zur anderen zu übertragen. Viele Arten von Vias können mit Kupfer gefüllt werden, einschließlich Standard-Vias, Microvias, Blind-Vias und Buried-Vias.

Sie können Vias auch mit anderen Materialien wie Gold, Silber, leitfähigem Epoxid, nicht leitfähigem Epoxid und elektrochemischer Beschichtung füllen. Die gebräuchlichste Art von Durchkontaktierungsfüllung ist nichtleitendes Epoxid. Die Kupferfüllung bietet jedoch Vorteile, die sie für bestimmte Anwendungen ideal machen.

Vorteile von kupfergefüllten Blind-Microvias

Die Verwendung von Microvias, ob blind oder vergraben, ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft, einschließlich der folgenden.

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Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Microvias besteht darin, dass sie Platz sparen können, was letztendlich zu geringeren Kosten führt. Je mehr Platz Ihre Durchkontaktierungen einnehmen, desto mehr Platine benötigen Sie und desto teurer wird Ihr Projekt.

Mikrovias sind eine entscheidende Komponente von HDI-Leiterplatten, die häufig durchgehende Durchkontaktierungen, vergrabene Durchkontaktierungen, blinde Durchkontaktierungen, kernlose Konstruktionen, passive Substratkonstruktionen und alternative Konstruktionen von kernlosen Konstruktionen mit Schichtpaaren aufweisen. Zusätzlich zu ihrer geringeren Größe und ihrem geringeren Gewicht bieten diese Platinen aufgrund des geringeren Abstands zwischen den Komponenten und der höheren Anzahl von Transistoren auch eine verbesserte elektrische Leistung.

Microvias können Ihnen auch helfen, Via-in-Pads (VIPs) effektiver zu nutzen. VIPs sparen Platz, indem sie Verbindungen in den Pads von oberflächenmontierten Technologien (SMTs) herstellen. Aufgrund ihrer geringeren Größe sind Microvias gut für die Verwendung mit VIPs geeignet. Normale Vias sind manchmal zu groß, um in Pads für SMTs zu passen. Microvias können jedoch ohne Herstellungsprobleme in Pads passen.

Blinde und vergrabene Microvias sind auch einfacher herzustellen als normale blinde und vergrabene Vias, die schwierig herzustellen sein können. Microvias werden jedoch bereits Schicht für Schicht hergestellt, was bedeutet, dass es einfacher ist, sie zu verdecken oder zu vergraben – ein Prozess, der Schicht für Schicht erfordert.

Microvias sind auch nützlich, um Ball Grid Arrays (BGAs) zu brechen. Microvia-VIPs passen problemlos in die Pads von Fine-Pitch-BGAs. In Breakout-Kanälen sind sie noch vorteilhafter. VIPs sparen Platz auf der Oberfläche, erfordern aber auch eine hohe Anzahl von Schichten, um Ausgänge zu anderen Teilen der Platine zu erhalten. Microvias können Ihnen helfen, die Breite der Fluchtwege zu erhöhen, wodurch Sie möglicherweise weniger Schichten verwenden müssen, um ein BGA herauszubrechen.

Reduzierte EMI

Microvias können auch dazu beitragen, elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu reduzieren, die auftreten, wenn ein elektromagnetisches Feld einen elektrischen Schaltkreis beeinflusst und den Betrieb eines elektronischen Geräts stört. Da sie ein geringeres EMI-Risiko aufweisen, sind Microvias besonders nützlich für Schaltkreise, die anfällig für EMI sind, wie sie beispielsweise in Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen verwendet werden.

Hochgeschwindigkeitsschaltungen haben oft Probleme mit Signalabstrahlung und Reflexion in Durchkontaktierungen. Eine Verringerung der Größe der Durchkontaktierungen verringert jedoch das Strahlungspotential, was sich in weniger EMI niederschlägt. Bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen sind Stichleitungen – das sind Übertragungsleitungen oder Wellenleiter, die nur an einem Ende verbunden sind – eine weitere Ursache für EMI-Probleme. Stichleitungen können Signale zurück in Leiter reflektieren und das ursprüngliche Signal dämpfen oder sogar aufheben. Da Microvias Schicht für Schicht hergestellt werden, werden Sie jedoch keine Stubs haben.

Hochfrequenz-Übertragungsleitungen, wie beispielsweise Mikrowellen- und Millimeterwellen-Streifenleitungsleiter, erfordern Durchgangslöcher, um Signale herauszubrechen. Standard-Durchkontaktierungen erzeugen jedoch zu viel EMI für die Verwendung in Hochfrequenz-Streifenleitungen. Microvias hingegen erzeugen sehr wenig EMI und beeinträchtigen Ihre Signalintegrität nicht. Hochfrequenzschaltkreise werden immer häufiger verwendet, wodurch EMI zu einem häufigeren Problem wird.

Das Füllen von Durchkontaktierungen mit Kupfer bietet auch mehrere Vorteile, nämlich in den Bereichen der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit.

Thermische und elektrische Leitfähigkeit

Die Verwendung von Kupfer zum Füllen einer Durchkontaktierung erhöht die Wärmeleitfähigkeit der Durchkontaktierung, wodurch die Wärme von der Platine ferngehalten wird, was zu einer längeren Lebensdauer und einem geringeren Defektrisiko führt. Anstatt zu verschiedenen Teilen der Platine zu wandern, wandert die Wärme durch das Kupfer auf die andere Seite der Platine und schützt so ihre Komponenten. Kupfer hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Gold, ein weiteres Material, das zum Füllen von Durchkontaktierungen verwendet wird.

Kupfer hat auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Gold. Die Leitfähigkeit des Kupfers in einer Durchkontaktierung ermöglicht Strömen, in tiefere Schichten zu fließen, ohne die Leiterplatte zu überlasten. Diese Eigenschaft macht kupfergefüllte Microvias ideal für Hochspannungsanwendungen und solche, die starke Ströme zwischen den beiden Seiten der Platine erfordern.

Herausforderungen im Zusammenhang mit kupfergefüllten Blind-Microvias

Mit der Herstellung von Microvias sind bestimmte Herausforderungen verbunden. Diese Herausforderungen können manchmal zu Verbindungsfehlern (ICDs) führen, Fehlern, die in der Nähe der Beschichtung und der inneren Kupferschicht auftreten. Diese ICDs können Zuverlässigkeitsprobleme, offene Stromkreise, intermittierende Probleme bei hohen Temperaturen und Stromkreisausfälle verursachen. Es kann schwierig sein, ICDs zu erkennen, da sie während der Tests nach der Herstellungsphase möglicherweise korrekt funktionieren, dann aber Probleme während der Montage oder Verwendung aufdecken. Es ist wichtig, auf diese Fehler zu achten und Platinen sorgfältig herzustellen, um sie zu vermeiden.

Debris-basierte ICDs

Eine übliche Art von ICD tritt auf, weil Trümmer in dem Verbindungsloch landen und dann in das Kupfer der inneren Schicht eingebettet werden. Diese Ablagerungen resultieren oft aus dem Lochbohrprozess. Die Laser, die zum Bohren von Microvia-Löchern verwendet werden, erzeugen nicht annähernd so viel Schmutz wie andere Lochbohrverfahren, sodass bei Microvias ein geringeres Risiko für auf Schmutz basierende ICDs besteht. Es ist jedoch wichtig, dass der Hersteller überprüft, ob alle Löcher frei von Schmutz, Rückständen, Bohrschlieren, Glasfasern, anorganischen Füllstoffen und anderen Materialien sind, bevor er sie mit Kupfer füllt.

Bei verschiedenen Arten von Durchkontaktierungen werden auf Trümmern basierende ICDs immer häufiger, vielleicht weil mehr Hersteller Materialien mit niedrigem DK/niedrigem DF verwenden. Diese Materialien sind in vielerlei Hinsicht am kostengünstigsten, verursachen jedoch häufig mehr Schmutz und sind chemisch widerstandsfähiger gegen die Reinigung als andere Materialien, wie z. B. standardmäßige FR-4-Epoxidmaterialien.

Copper-Bond-Ausfall-ICDs

Eine andere häufige Art von ICD ist ein Kupferverbindungsfehler. Dieser Typ kann aufgrund einer hohen Belastung während der Montage oder Verwendung, eines schwachen Kupferbands oder einer Kombination dieser beiden Bedingungen auftreten. Wenn ein Copper Bond Failure ICD auftritt, bricht die Kupferverbindung physisch ab. Je schwächer die Kupferbindung ist, desto weniger Stress ist erforderlich, um sie zu brechen.

Die Prävalenz von ICDs mit fehlerhaften Kupferverbindungen scheint zuzunehmen, möglicherweise weil immer mehr Hersteller dickere Leiterplatten und höhere bleifreie Löttemperaturen verwenden. Größere Lochgrößen und Wellenlöten können auch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kupferverbindungsfehlern erhöhen. Kupferbondfehler treten sowohl bei Microvias als auch bei Standardvias auf.

Leerstellen und Zuverlässigkeit

Häufige Probleme, die beim Kupferplattierungsprozess für Microvias auftreten, sind unvollständige Füllungen, Grübchen und Hohlräume. Diese Defekte können Zuverlässigkeitsprobleme verursachen. Laut einer Studie von Forschern der University of Maryland erhöht eine unvollständige Kupferfüllung das Spannungsniveau in Microvias und verringert ihre Ermüdungslebensdauer, d. h. die Anzahl der Belastungszyklen, die eine Probe aushalten kann, bevor sie versagt.

Die Auswirkung eines Hohlraums auf die Zuverlässigkeit von Mikrovias hängt von den Eigenschaften des Hohlraums ab, wie z. B. seiner Größe, Form und Position. Kleine, kugelförmige Hohlräume erhöhen beispielsweise die Ermüdungslebensdauer von Microvias geringfügig, während extreme Hohlräume ihre Lebensdauer erheblich verkürzen.

Der Kupferfüllprozess für blinde Microvias

Nach dem Bohren der Microvia-Löcher fügt der Hersteller entweder reines Kupfer oder Epoxidharz mit Kupfer hinzu, um die Schaltkreise der inneren Schicht mit der Leiterplattenoberfläche zu verbinden. Mit diesem Kupfer können Sie Komponenten oder Anschlüsse auf der Oberfläche der Platine platzieren und die Schaltung zwischen den Schichten verbinden.

Beim Arbeiten mit Blind-Microvias führt das Füllen der Microvia-Löcher ohne Zusatzstoffe typischerweise zur Bildung von Hohlräumen. Der Hersteller scheidet Kupfer immer so lange ab, bis das Via geschlossen ist, aber wenn keine Zusatzstoffe verwendet werden, wird weniger Kupfer im Inneren des Vias abgeschieden als an der Oberfläche, und es können sich Hohlräume bilden.

Bestimmte organische Zusatzstoffe behindern die Abscheidung an der Oberfläche und tragen dazu bei, die Plattierung innerhalb der blinden Mikrovia zu erhöhen, was zu einer konformen Abscheidung führt. Die konforme Plattierung erhöht auch das Seitenverhältnis der blinden Microvia, was den Transport von Lösung und Masse in sie hinein begrenzt. Dieser Prozess führt manchmal zu einem Microvia mit einer Naht in der Mitte.

Sie können eine Blind-Microvia auch mit Kupfer füllen, indem Sie die Bottom-up-Methode verwenden, bei der Kupfer bevorzugt auf dem Capture-Pad abgeschieden wird. Dieser Prozess erzeugt idealerweise ein niedriges Grübchen, kombiniert mit einem Minimum an plattiertem Oberflächenkupfer.

Wenn Sie ein Via-Loch mit Kupfer füllen, ist es wichtig sicherzustellen, dass die Kupferschicht innerhalb des Vias gleichmäßig ist und dass Sie die äußere Schicht nicht zu dick machen. Überschüssiges Kupfer fügt der Leiterplatte unnötiges Gewicht hinzu und kann dazu führen, dass zu viel Kupfer auf den Leiterbahnen vorhanden ist. Dieses Problem kann dann zu Defekten, Nichteinhaltung von Spezifikationen oder erhöhten Kosten führen, was bei Microvias sogar noch wichtiger ist als bei normalen Vias, da die Designspezifikationen strenger sind.

Eine wichtige Überlegung beim Füllen von Blind-Microvias ist die Verwendung von reinem Kupfer oder Epoxidharz und Kupfer. Die Verwendung von reinem Kupfer ist eine traditionellere Methode, aber dieser Ansatz kann zur Bildung von Hohlräumen führen. Auch Verunreinigungen können im Kupfer eingeschlossen werden. Wenn Sie oben in der Füllung eine Aussparung lassen, können diese Probleme vermieden werden.

Ein Ansatz zum Füllen von Durchgangslöchern erzeugt im Wesentlichen zwei blinde Microvias. Bei diesem Prozess wird zunächst konformes Plattieren verwendet und dann auf aggressives Pulsplattieren umgestellt, was zur Erzeugung einer X-Form im Loch führt, das durch zwei Kupferdreiecke an jeder Lochwand gebildet wird. Diese Form bildet im Wesentlichen zwei Blind-Microvias, eine auf jeder Seite der Leiterplatte. Im nächsten Schritt füllen Sie diese BMVs vollständig aus.

Jüngste Fortschritte, wie die Entwicklung neuer Kupferelektrolyte, haben dazu beigetragen, Blind-Microvias ohne Defekte und überschüssiges Kupfer einfacher zu füllen. Elektrolyte zum Füllen von Blind-Microvias haben oft eine hohe Kupferkonzentration, eine niedrige Schwefelsäurekonzentration und Chloridionen. Die zum Steuern der Beschichtungseigenschaften verwendeten organischen Elektrolytzusätze umfassen typischerweise einen Starter, einen Kornverfeinerer und einen Einebner.

Kupfergefüllte Blind-Microvias von Millennium Circuits Limited

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