Optimierung von Blind Microvias mit Kupferfüllung für überlegene PCB-Leistung

Inhaltsverzeichnis: Kupferfüllung von Blind Microvias | Was sind Microvias? | Was sind Blind und Buried Vias? | Vorteile kupfergefüllter Blind Microvias | Was sind kupfergefüllte Vias? | Herausforderungen | Thermische und elektrische Leitfähigkeit | Der Kupferfüllprozess | Kupfergefüllte Vias

Vias – die Löcher, durch die gestapelte Pads elektrisch verbunden werden – sind wesentliche Bestandteile von Leiterplatten (PCBs). Da elektronische Geräte, insbesondere Smartphones und ähnliche Produkte, immer beliebter werden und an Größe schrumpfen, wird die Fähigkeit, kleinere Vias auf der Platine zu platzieren, zunehmend wichtiger.

Außerdem müssen Signale zuverlässig durch die PCB-Lagen übertragen werden – was durch das Aufbringen einer Kupferschicht auf das Basismaterial erreicht werden kann –, aber das Füllen der Vias mit Kupfer bietet zusätzliche Kapazität.

Kupfergefüllte Blind Microvias ermöglichen High-Density-Interconnect (HDI)-Boards und gewährleisten gleichzeitig eine zuverlässige Signalübertragung. Obwohl diese Via-Art mit Herausforderungen verbunden ist, bietet sie auch viele Vorteile. Lesen Sie weiter, um mehr über diesen Prozess und seine Vorteile für Ihre Anwendungen zu erfahren.

Was sind Microvias?

IPC definiert ein Microvia als „blinde Struktur (verzinkt) mit einem maximalen Aspektverhältnis von 1:1… endend auf oder durchdringend ein Target Land, mit einer Gesamttiefe (X) von nicht mehr als 0,25 mm [0,00984 in], gemessen von der Capture-Land-Folie der Struktur bis zum Target Land.“

Vor der Änderungen der Definition 2013 wurde der Begriff als Via-Loch mit einem Durchmesser von weniger als 0,15 mm (0,006 Zoll) definiert. Mit der Zeit wurde diese Größe gängiger, und IPC erkannte, dass die Definition kontinuierlich aktualisiert werden müsste, wenn man weiterhin den Durchmesser als Maßstab verwendet.

Für Microvias wird Laserdrillen eingesetzt, und jüngste Fortschritte ermöglichen Microvias von nur 15 µm. Obwohl die Laser immer nur eine Lage pro Durchgang bohren können, stellen PCB-Hersteller Through-Microvias her, indem sie mehrere Lagen separat bohren und diese dann stapeln.

Bei Microvias treten seltener Fertigungsfehler auf als bei herkömmlichen Vias, da beim Laserdrillen kein Material in den gebohrten Löchern zurückbleibt. Microvias sind jedoch genauso anfällig für Probleme bei der Beschichtung und beim Löt-Reflow.

Aufgrund ihrer geringen Größe eignen sich Microvias für High-Density-Interconnect-PCBs, die heute entscheidend sind, da Elektronik – insbesondere Telekommunikations- und Computergeräte – fortschrittlicher, aber auch kleiner wird.

Was sind Blind und Buried Vias?

Microvias können entweder blind oder buried (verdeckt) sein. Blind Microvias verbinden eine äußere Lage einer PCB mit einer oder mehreren inneren Lagen und durchdringen nicht die gesamte Platine. Sie verbinden die äußere Oberlage mit den erreichten inneren Lagen. Blind Vias eignen sich hervorragend zur Erhöhung der Verdrahtungsdichte. Wenn Sie Signalleiterbahnen von einer äußeren Lage zu einer inneren Lage führen müssen, sind Blind Vias oft der kürzeste Weg.

Buried Microvias verbinden zwei oder mehr innere Lagen und reichen nicht bis zu einer äußeren Lage. Sie sind von den äußeren Lagen nicht sichtbar. Hersteller erstellen sie meist durch aufeinanderfolgende Laminiervorgänge.

Was sind kupfergefüllte Vias?

Kupfergefüllte Vias sind Vias, die mit reinem Kupfer oder Epoxidharz mit Kupfer gefüllt sind. Diese Kupferfüllung erhöht die Leitfähigkeit des Vias und ermöglicht eine effektivere Signalübertragung von einer Seite der Platine zur anderen. Viele Via-Typen können mit Kupfer gefüllt werden, darunter Standard-Vias, Microvias, Blind Vias und Buried Vias.

Vias können auch mit anderen Materialien gefüllt werden, wie Gold, Silber, leitfähigem Epoxid, nicht-leitfähigem Epoxid und elektrochemischer Beschichtung. Die häufigste Via-Füllung ist nicht-leitfähiges Epoxid. Kupferfüllung bietet jedoch Vorteile, die sie für bestimmte Anwendungen ideal machen.

Vorteile kupfergefüllter Blind Microvias

Die Verwendung von Microvias – ob blind oder buried – bietet aus verschiedenen Gründen Vorteile:

Platzersparnis

Einer der Hauptvorteile von Microvias ist die Platzersparnis, was letztlich zu geringeren Kosten führt. Je mehr Platz Ihre Vias beanspruchen, desto mehr Board-Material benötigen Sie, und desto teurer wird Ihr Projekt.

Microvias sind eine entscheidende Komponente von HDI-PCBs, die oft Through-Vias, Buried Vias, Blind Vias, coreless-Konstruktion, passive Substrat-Konstruktion und alternative Coreless-Aufbauten mit Lagepaaren aufweisen. Neben ihrer geringeren Größe und ihrem geringeren Gewicht bieten diese Boards auch eine verbesserte elektrische Leistung durch den reduzierten Abstand zwischen Komponenten und die höhere Transistoranzahl.

Microvias ermöglichen auch eine effektivere Nutzung von Via-in-Pads (VIPs). VIPs sparen Platz, indem sie Verbindungen in den Pads von Surface-Mount-Technologien (SMTs) herstellen. Aufgrund ihrer geringen Größe sind Microvias bestens für VIPs geeignet. Normale Vias sind manchmal zu groß für SMT-Pads. Microvias passen jedoch ohne Fertigungsprobleme in die Pads.

Blind und Buried Microvias sind zudem einfacher zu fertigen als herkömmliche Blind und Buried Vias, die schwierig herzustellen sind. Da Microvias bereits Lage für Lage gefertigt werden, ist es einfacher, sie als Blind oder Buried auszuführen – ein Prozess, der lageweises Arbeiten erfordert.

Microvias eignen sich auch zum Aufbrechen von Ball-Grid-Arrays (BGAs). Microvia-VIPs passen problemlos in die Pads von Feinraster-BGAs. Sie sind sogar noch vorteilhafter in Breakout-Kanälen. VIPs sparen Oberflächenplatz, erfordern aber viele Lagen, um Ausgänge zu anderen Board-Bereichen zu führen. Microvias können die Breite der Escape-Pfade erhöhen, was möglicherweise weniger Lagen für das BGA-Breakout erfordert.

Reduzierte EMI

Microvias können auch dazu beitragen, elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren, die auftreten, wenn ein elektromagnetisches Feld einen elektrischen Schaltkreis beeinflusst und den Betrieb eines elektronischen Geräts stört. Aufgrund ihres geringeren EMI-Risikos sind Microvias besonders nützlich für schaltungen, die anfällig für EMI sind, wie Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Hochgeschwindigkeitsschaltungen haben oft Probleme mit Signalstrahlung und Reflexionen in Vias. Die Verkleinerung der Vias reduziert das Strahlungspotenzial, was zu weniger EMI führt. Bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen sind Stubs – Übertragungsleitungen oder Wellenleiter, die nur an einem Ende angeschlossen sind – eine weitere EMI-Ursache. Stubs können Signale in Leiter reflektieren und das Originalsignal abschwächen oder auslöschen. Da Microvias Lage für Lage gefertigt werden, entstehen keine Stubs.

Hochfrequenz-Übertragungsleitungen wie Mikrowellen- und Millimeterwellen-Stripline-Leiter benötigen Vias zum Signal-Breakout. Standard-Vias erzeugen jedoch zu viel EMI für Hochfrequenz-Striplines. Microvias generieren kaum EMI und beeinträchtigen die Signalintegrität nicht. Hochfrequenzschaltungen werden zunehmend eingesetzt, was EMI zu einem häufigeren Problem macht.

Das Füllen von Vias mit Kupfer bietet zusätzliche Vorteile, insbesondere bei thermischer und elektrischer Leitfähigkeit.

Thermische und elektrische Leitfähigkeit

Die Füllung eines Vias mit Kupfer erhöht dessen thermische Leitfähigkeit, wodurch Wärme vom Board ferngehalten wird – was zu längerer Lebensdauer und geringerem Defektrisiko führt. Anstatt sich in verschiedene Board-Bereiche auszubreiten, fließt die Wärme durch das Kupfer zur anderen Platinen-Seite und schützt die Komponenten. Kupfer hat eine höhere thermische Leitfähigkeit als Gold, ein weiteres Material für Via-Füllungen.

Kupfer besitzt auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Gold. Die Leitfähigkeit des Kupfers im Via ermöglicht Stromfluss in tiefere Lagen ohne Überlastung der PCB. Dies macht kupfergefüllte Microvias ideal für Hochspannungsanwendungen und solche, die starke Ströme zwischen den Platinen-Seiten erfordern.

Herausforderungen bei kupfergefüllten Blind Microvias

Bei der Fertigung von Microvias treten bestimmte Herausforderungen auf, die zu Interconnect Defects (ICDs) führen können – Fehlern in der Nähe der Beschichtung und der inneren Kupferschicht. Diese ICDs können Zuverlässigkeitsprobleme, offene Stromkreise, intermittierende Probleme bei hohen Temperaturen und Schaltkreisausfälle verursachen. ICDs zu erkennen ist schwierig, da sie während der Tests nach der Fertigung noch funktionieren können, aber während der Bestückung oder im Betrieb Probleme zeigen. Es ist wichtig, auf diese Defekte zu achten und Boards sorgfältig zu fertigen, um sie zu vermeiden.

Debris-basierte ICDs

Eine häufige ICD-Art entsteht, wenn Schmutz in das Verbindungsloch gelangt und in das innere Kupfer eingebettet wird. Dieser Schmutz resultiert oft aus dem Bohrprozess. Die für Microvia-Löcher verwendeten Laser erzeugen deutlich weniger Schmutz als andere Bohrverfahren, weshalb Microvias ein geringeres Risiko für debris-basierte ICDs haben. Dennoch muss der Hersteller prüfen, dass alle Löcher frei von Schmutz, Rückständen, Bohrverschmierungen, Glasfasern, anorganischen Füllstoffen und anderen Materialien sind, bevor sie mit Kupfer gefüllt werden.

Bei verschiedenen Via-Typen werden debris-basierte ICDs häufiger, möglicherweise weil mehr Hersteller Low-DK/Low-DF-Materialien einsetzen. Diese Materialien sind in vielerlei Hinsicht kosteneffizienter, erzeugen aber oft mehr Schmutz und sind chemisch widerstandsfähiger gegen Reinigung als Standard-FR-4-Epoxidmaterialien.

Kupfer-Bond-Failure ICDs

Eine weitere häufige ICD-Art ist der Kupfer-Bond-Bruch. Er kann durch hohe Spannungen während Bestückung oder Betrieb, eine schwache Kupferverbindung oder eine Kombination beider Bedingungen auftreten. Bei einem Kupfer-Bond-Failure ICD bricht die Kupferverbindung physikalisch ab. Je schwächer die Kupferverbindung, desto weniger Spannung ist zum Brechen nötig.

Die Häufigkeit von Kupfer-Bond-Failure ICDs scheint zuzunehmen, möglicherweise weil mehr Hersteller dickere PCBs und höhere bleifreie Löttemperaturen verwenden. Größere Lochgrößen und Wellenlöten können die Wahrscheinlichkeit von Kupfer-Bond-Brüchen ebenfalls erhöhen. Kupfer-Bond-Failures treten sowohl bei Microvias als auch bei Standard-Vias auf.

Hohlräume und Zuverlässigkeit

Häufige Probleme beim Kupferbeschichtungsprozess für Microvias sind unvollständige Füllung, Dimples (Eindellungen) und Hohlräume (Voids). Diese Defekte können Zuverlässigkeitsprobleme verursachen. Laut einer Studie der University of Maryland erhöht unvollständige Kupferfüllung die Spannung in Microvias und verringert ihre Ermüdungslebensdauer – die Anzahl der Belastungszyklen, die ein Probenstück vor dem Versagen aushält.

Die Auswirkung eines Hohlraums auf die Microvia-Zuverlässigkeit hängt von dessen Eigenschaften ab: Größe, Form und Lage. Kleine, kugelförmige Hohlräume erhöhen die Ermüdungslebensdauer leicht, während extreme Hohlraumbildungen diese signifikant reduzieren.

Der Kupferfüllprozess für Blind Microvias

Nach dem Bohren der Microvia-Löcher füllt der Hersteller diese entweder mit reinem Kupfer oder Epoxidharz mit Kupfer, um die inneren Schaltungen mit der PCB-Oberfläche zu verbinden. Dieses Kupfer ermöglicht die Platzierung von Bauteilen oder Steckverbindern auf der Board-Oberfläche und die Schaltungsverbindung zwischen den Lagen.

Bei Blind Microvias führt das Füllen ohne Additive typischerweise zur Bildung von Hohlräumen. Der Hersteller beschichtet Kupfer, bis das Via geschlossen ist, aber ohne Additive wird im Via weniger Kupfer abgeschieden als auf der Oberfläche, wodurch Hohlräume entstehen können.

Bestimmte organische Additive behindern die Abscheidung an der Oberfläche und erhöhen die Beschichtung im Blind Microvia, was zu konformer Abscheidung führt. Konforme Beschichtung erhöht auch das Aspektverhältnis des Blind Microvias, was den Lösungs- und Masstransport in es begrenzt. Dieser Prozess kann manchmal ein Microvia mit einer Naht in der Mitte erzeugen.

Man kann ein Blind Microvia auch mit dem Bottom-Up-Verfahren mit Kupfer füllen, bei dem Kupfer bevorzugt auf dem Capture Pad abgeschieden wird. Idealerweise entsteht so ein geringer Dimple bei minimaler Oberflächenbeschichtung.

Beim Füllen eines Via-Lochs mit Kupfer ist es wichtig, dass die Kupferschicht im Via gleichmäßig ist und die äußere Lage nicht zu dick wird. Überflüssiges Kupfer fügt der PCB unnötiges Gewicht hinzu und kann zu übermäßigem Kupfer auf den Leiterbahnen führen. Dies kann dann zu Fehlern, Nichterfüllung von Spezifikationen oder erhöhten Kosten führen – was bei Microvias noch kritischer ist als bei Standard-Vias, da die Design-Spezifikationen enger sind.

Eine wichtige Überlegung beim Füllen von Blind Microvias ist die Wahl zwischen reinem Kupfer oder Epoxidharz und Kupfer. Reines Kupfer ist die traditionellere Methode, kann aber Hohlräume verursachen. Verunreinigungen können im Kupfer eingeschlossen werden. Eine Vertiefung am oberen Füllende kann diese Probleme verhindern.

Ein Ansatz zum Füllen von Durchgangslöchern erzeugt im Wesentlichen zwei Blind Microvias. Dabei wird zuerst konforme Beschichtung und dann aggressives Pulsplating verwendet, wodurch eine X-Form im Loch entsteht – zwei Kupferdreiecke an jeder Lochwand. Dies bildet quasi zwei Blind Microvias, eine auf jeder PCB-Seite. Im nächsten Schritt werden diese BMVs vollständig gefüllt.

Jüngste Fortschritte, wie die Entwicklung neuer Kupfer-Elektrolyte, haben das Füllen von Blind Microvias ohne Defekte und übermäßiges Kupfer erleichtert. Elektrolyte für Blind-Microvia-Füllungen haben oft hohe Kupferkonzentration, niedrige Schwefelsäurekonzentration und Chloridionen. Die organischen Additive zur Steuerung der Beschichtungseigenschaften umfassen typischerweise Starter, Kornverfeinerer und Nivellierer.

Kupfergefüllte Blind Microvias von Millennium Circuits Limited

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