قم بزيادة كثافة تكامل PCB عن طريق ملء الثقوب العمياء والثقوب العابرة باستخدام الترسيب الكهربائي للنحاس.
يتطلب التصغير التدريجي للدوائر الإلكترونية بشكل متزايد استخدام لوحات دوائر HDI المزودة بفتحات دقيقة عمياء مملوءة بالنحاس. يُمكّن إلكتروليت نحاسي مُطوّر حديثًا، قيد الاختبار حاليًا في ظروف الإنتاج، من ملء الفتحات الدقيقة العمياء دون عيوب بطبقة نحاسية صغيرة السُمك على سطح لوحة الدوائر. ومن المتوقع أن يُمكّن إلكتروليت نحاسي قيد التطوير حاليًا من ملء الثقوب النفاذة بشكل موثوق في المستقبل، حيث تُظهر أعمال التطوير الحالية نتائج واعدة بالفعل.
ملء الثقوب الدقيقة العمياء والثقوب العابرة
زيادة كثافة التغليف للوحات الدوائر المطبوعة عن طريق ملء الفتحات الدقيقة العمياء والثقوب العابرة عن طريق الترسيب الكهربائي للنحاس.
إن التصغير المتزايد للدوائر الإلكترونية يجعل الاستخدام HDI PCB لوحات الدوائر المطبوعة (HDI) المزودة بفتحات دقيقة عمياء مملوءة بالنحاس، تزداد شعبيتها. سيُمكّن إلكتروليت نحاسي مُطوّر حديثًا، قيد الاختبار حاليًا في ظروف إنتاج مُحاكاة، من ملء الفتحات الدقيقة العمياء دون عيوب، مع تقليل سماكة رواسب النحاس على سطح اللوحة. هذا يُحسّن كفاءة استخدام المواد، وبالتالي يُقلل من تكلفة تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة. يُتوقع أن يُتيح إلكتروليت نحاسي آخر قيد التطوير ملء الثقوب العابرة بكفاءة.
مقدمة 1
في مجال الإلكترونيات الدقيقة، لا يزال هناك اتجاه نحو التصغير، أي نحو أنظمة أصغر حجمًا وأكثر قوة، ويُفترض أيضًا أن تكون أقل تكلفة من الأنظمة السابقة. ومن أشهر الأمثلة على ذلك الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر اللوحية، التي شهد أداؤها - على الرغم من تساوي حجمها أو صغره - تحسنًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة.
تُسهم لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة (HDI) إسهامًا كبيرًا في تصغير الحجم. للتوصيل الكهربائي لطبقات PCB الفردية، تُستخدم ثقوب عمياء (فتحات دقيقة عمياء) موفرة للمساحة بدلًا من الثقوب البينية. ويمكن زيادة كثافة التكامل عن طريق ملء هذه الثقوب بالنحاس المُترسب كهربائيًا (حشوة الثقوب الدقيقة العمياء). في الوقت نفسه، لم يعد استخدام لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة يقتصر على الإلكترونيات المحمولة، بل أصبح يُستخدم بشكل متزايد في تطبيقات أخرى، مثل قطاع السيارات.
يتيح الإلكتروليت الذي تم تطويره حديثًا، والذي يترسب في Blind Microvia Filling فقط طبقة صغيرة جدًا من سمك النحاس مقارنة بالجيل السابق من الإلكتروليتات، إنتاج لوحات الدوائر المطبوعة HDI بكفاءة من حيث الموارد والطاقة والتكلفة.
نظراً لإمكانية زيادة كثافة تكامل لوحات الدوائر المطبوعة HDI بشكل أكبر باستخدام مواد نواة رقيقة للغاية، يجري حالياً تعزيز تطوير الإلكتروليتات لملء الثقوب العابرة (بالإنجليزية: Through Hole Filling). وتُعرض نتائج أعمال التطوير في هذا المجال.
2 التصغير في مجال الإلكترونيات الدقيقة
تُعدّ الأجهزة المحمولة فائقة الأداء، مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية، من أبرز الأمثلة على التصغير التدريجي في مجال الإلكترونيات الدقيقة. وتعكس أرقام المبيعات المرتفعة والمتنامية باستمرار الجاذبية الكبيرة لهذه الأجهزة. ففي عام ٢٠١٣، بِيعَ أكثر من مليار هاتف ذكي لأول مرة، ومن المتوقع أن تبلغ مبيعاتها حوالي ١.٢ مليار جهاز في عام ٢٠١٤، وحوالي ١.٨ مليار جهاز في عام ٢٠١٧ [٢]. أما في مجال أجهزة الكمبيوتر اللوحية، فمن المتوقع أن تبلغ مبيعاتها ٢٧١ مليون جهاز في عام ٢٠١٤، أي بزيادة قدرها ٤٠٪ تقريبًا مقارنة بالعام السابق [٣].
تُركّب هذه المعالجات في معالجات ذات أحجام أغلفة صغيرة جدًا وعدد كبير جدًا من الوصلات الشبكية المتزايدة. يحتوي الجزء السفلي من المعالج على 976 وصلة على مساحة تقل قليلاً عن 2 سم²، أي ما يعادل حوالي خمس وصلات لكل مليمتر مربع. تبلغ مسافة الوصلات 400 ميكرومتر فقط.
3 التصغير في مجال لوحات الدوائر المطبوعة
تُعدّ لوحات الدوائر المطبوعة ذات كثافة التكامل العالية مُتطلبةً لتوفير المساحة وتوفير التوصيل الكهربائي الموثوق للمعالجات ذات كثافة التوصيل العالية للغاية. ومع ذلك، فإن لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات التقليدية غير مُناسبة لهذا الغرض، نظرًا لاستخدامها ثقوبًا عابرة للتوصيل الكهربائي لطبقات لوحات الدوائر المطبوعة الفردية. تتميز هذه الثقوب بأقطار كبيرة نسبيًا، ولأنها تُثقب فقط بعد ضغط الطبقات الفردية، فإنها تمتد على كامل سُمك لوحة الدوائر. ونتيجةً لذلك، حتى عند توصيل الطبقات المتجاورة مباشرةً، تُفقد المساحة فوق وأسفل التوصيل الفعلي، وبالتالي لا يُمكن استخدامها لهياكل أخرى، مثل مسارات الموصلات. وبالتالي، فإن كثافة التكامل المنخفضة الناتجة عن لوحات الدوائر متعددة الطبقات لا تكفي لتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه.
قبل بضع سنوات، طُوِّر جيل جديد عالي التكامل من لوحات الدوائر المطبوعة، يُسمى لوحة دوائر HDI، والتي استُخدمت في البداية بشكل أساسي لإنتاج الهواتف المحمولة. عند تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة HDI، تُبنى طبقات لوحة الدوائر المطبوعة الفردية بالتتابع (SBU، Sequential Build Up). ويُنفَّذ التوصيل الكهربائي لمواقع التجميع المتجاورة باستخدام فتحات مجهرية عمياء محفورة بالليزر. يوضح الشكل 2 تخطيطيًا بنية لوحة دوائر HDI 2-4-2، أي أنها تتكون من قلب متعدد الطبقات بأربع طبقات وطبقتين على كل جانب.
4 مجهر أعمى
بالمقارنة مع الثقوب البينية، تتميز الفتحات الدقيقة العمياء بأقطار أصغر تتراوح بين 50 و150 ميكرومتر، وتمتد فقط في اتجاه Z على امتداد سمك موضع التركيب (عادةً بين 50 و150 ميكرومتر). ولا تشغل سوى المساحة اللازمة للتوصيل الفعلي. لذا، تتميز لوحات الدوائر المطبوعة HDI بكثافة تكامل أعلى بكثير من لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، وبالتالي فهي مناسبة لفصل إشارات المكونات الإلكترونية عالية الأداء في أصغر مساحة.
4.1 ملء المجهر الأعمى
تُمكّن زيادة كثافة التكامل من إنشاء فتحات دقيقة عمياء مكدسة. وإذا استُخدم النحاس المُترسب كهربائيًا للحشو بدلًا من المعجون الموصل، فإن ذلك يُؤدي إلى المزايا الإضافية التالية:
زيادة الموثوقية (تحتوي الفتحات الدقيقة العمياء على النحاس فقط، ولا توجد واجهة إضافية)
إدارة أفضل للحرارة (يمكن تبديد فقدان الحرارة من خلال الفتحات الدقيقة العمياء المملوءة بالنحاس عالية التوصيل للحرارة)
زيادة إضافية في كثافة التكامل (لا توجد حاجة إلى وسادات إضافية على سطح لوحة الدائرة للاتصال بالمكونات)
تظهر الخطوات الرئيسية في عملية تصنيع لوحات الدوائر HDI باستخدام فتحات مجهرية عمياء مملوءة بالنحاس بشكل تخطيطي في الشكل 4. إذا كان من المقرر بناء طبقة أخرى، فيجب تشغيل تسلسل العملية مرة أخرى بدءًا من الخطوة 2 من العملية.
يتيح تكديس الفتحات الدقيقة العمياء المملوءة بالنحاس فوق بعضها البعض إمكانية توصيل حتى مواضع التجميع غير المتجاورة بطريقة موصلة للكهرباء مع الحد الأدنى من المساحة المطلوبة (الشكل 5). يؤدي استخدام تصميمات "الوسادة داخل الفتحة" أو "الوسادة داخل الفتحة" إلى زيادة كثافة التكامل، حيث يمكن لحام وصلات المكونات مباشرةً على الفتحات الدقيقة العمياء المملوءة بالنحاس، مما يُغني عن الحاجة إلى أسطح توصيل إضافية (الشكل 6).
4.2 الإلكتروليتات السابقة لملء الميكروفيا العمياء
عادةً، تحتوي محاليل الإلكتروليت المستخدمة في حشو الميكروفيا العمياء على تركيز عالٍ نسبيًا من أيونات النحاس يتراوح بين 40 و60 غ/لتر، بالإضافة إلى تركيز منخفض من حمض الكبريتيك يتراوح بين 10 و50 مل/لتر، بالإضافة إلى أيونات الكلوريد. تختلف إضافات الإلكتروليت العضوية اللازمة للتحكم في خصائص الطلاء من شركة متخصصة إلى أخرى، ولكن غالبًا ما تحتوي إضافات الإلكتروليت على المكونات الثلاثة التالية:
مادة مضافة أساسية (مثبطة)
مُنقّي الحبوب (المنشط)
المسوي (المثبط)
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تختلف أساليب مقدمي الخدمة المختلفين أيضًا في الميزات التالية:
تكنولوجيا النظام (النظام الرأسي القياسي، النظام الرأسي المستمر، النظام الأفقي المستمر)
نوع الأنود (أنود نحاسي، أنود غير قابل للذوبان)
شكل التيار (تيار مستمر، تيار نبضي، تيار نبضي عكسي)
كثافة التيار المطبقة
تعمل الطرق التي قدمتها شركة Schlötter سابقًا لملء الميكروفيا العمياء حصريًا بالتيار المستمر في الأنظمة الرأسية القياسية أو الأنظمة الرأسية المستمرة.
في السنوات الأولى لملء الميكروفيا العمياء، كانت هناك بشكل أساسي المتطلبات الإضافية التالية بالإضافة إلى المتطلبات القياسية لطلاءات النحاس المترسبة كهربائيًا للوحات الدوائر المطبوعة (على سبيل المثال اللدونة والموثوقية):
ملء خالي من العيوب للفتحات الدقيقة العمياء دون شوائب إلكتروليتية
الحد الأدنى لمستوى الملء أو الحد الأقصى المسموح به للتعميق (الانبعاج).
أثناء عملية التعبئة، تم ترسيب 93 ميكرومتر من النحاس (ب) في المجهر الأعمى، في حين أن سمك الطبقة على السطح هو 22 ميكرومتر فقط (ج)، مما أدى إلى الأرقام الرئيسية التالية:
المسافة البادئة (AB): 30.4 ميكرومتر
درجة الملء (ب/أ): 75%
توزيع المعادن (ب/ج): 426%
يرجع ذلك في المقام الأول إلى طريقة عمل المستوي، والتي من خلالها لا يتم ترسيب النحاس على السطح ولكن في الفتحات الدقيقة العمياء، أي في مناطق كثافة التيار المنخفضة وتبادل الإلكتروليت المنخفض.
لتحقيق نتيجة تعبئة جيدة، يجب تنسيق إضافات الإلكتروليت بشكل جيد. يوضح الشكل 8أ مجهرًا دقيقًا قبل عملية التعبئة، بالإضافة إلى نتائج مختلفة، والتي لا يمكن تحقيقها إلا من خلال تغيير إضافات الإلكتروليت - مع نفس معايير الفصل الأخرى (الشكل 8ب - هـ).
4.3 إلكتروليت جديد لملء الميكروفيا العمياء
يمكن زيادة كثافة تكامل لوحات الدوائر الإلكترونية بشكل أكبر عن طريق تقليل عرض المسارات والتباعد بينها. ولكن، لنقش هذه الموصلات الدقيقة، يجب أن يكون سمك طبقة النحاس على السطح منخفضًا، وإلا فقد يحدث تقويض شديد ومشاكل في المقطع العرضي للموصل.
كما هو موضح في الشكل 4، يمكن تقليل سماكة طبقة النحاس بعد التعبئة - ربما بشكل متكرر - باستخدام ترقيق النحاس، ولكن يتطلب ذلك خطوات وأنظمة عملية إضافية. بالإضافة إلى ذلك، يُزال ترقيق النحاس المُترسب سابقًا جزئيًا، مما يؤثر سلبًا على كفاءة الموارد والطاقة والتكلفة في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة. لتجنب ترقيق النحاس تمامًا - أو على الأقل تقليله - بالإضافة إلى المتطلبات المذكورة سابقًا، أُضيف في السنوات الأخيرة شرط ترسيب أقل سماكة ممكنة لطبقة النحاس أثناء عملية التعبئة.
50-70 ملغم/لتر كلوريد
3-10 مل/ل إضافي من سلوتوكوب SF 31
0.2-1.0 مل/ل إضافي من سلوتوكوب SF 32
0.2-2.0 مل/ل إضافي من سلوتوكوب SF 33
يتم تشغيل الإلكتروليت عند كثافات تيار تصل إلى 2 أمبير / ديسيمتر مربع كحد أقصى في نطاق درجة الحرارة بين 18 درجة مئوية و 22 درجة مئوية.
مقارنةً بالجيل السابق من الإلكتروليتات، يُمكن أن يكون سُمك طبقة النحاس المُترسبة على السطح أقل بكثير. ويتجلى ذلك في توزيع المعادن، الذي أظهر في الاختبار المعملي قيمة عالية جدًا تتجاوز 2000% (الشكل 9ب).
يتم اختبار Slotocoup SF 30 حاليًا بالتعاون مع شريك شركة Schlötter التايواني AGES في مركز تطوير PCB في تايبيه الذي تم افتتاحه في عام 2012 في ظل ظروف متعلقة بالإنتاج في نظام عمودي مستمر بسعة 7200 لتر (الشكل 10).
التعميق: 7.0 ميكرومتر
درجة الملء: 91%
توزيع المعادن: 740%
يوضح الشكل 11ب ميكروفيا عمياء أخرى مملوءة بالنحاس، وهي مصنوعة من نفس لوحة الدوائر المستخدمة في الميكروفيا العمياء في الشكل 11أ. تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من عدم تطابق هندسة BMV، إلا أن نتيجة الملء ممتازة.
يتيح Slotocup SF 30 أيضًا ملء الفتحات الدقيقة العمياء المتقاربة بدون عيوب مع سماكة طبقة منخفضة من أسطح النحاس. الشكل 12: نتائج اختبار Slotocoup SF 30 عند ملء الفتحات الدقيقة العمياء المتقاربة
يمكن أيضًا ملء الفتحات الدقيقة العمياء المسطحة للغاية، والتي تنتج عند استخدام مواد عازلة رقيقة للغاية، خالية من العيوب باستخدام الإلكتروليت الجديد، ولكن هذا يؤدي إلى زيادة سماكة طبقة النحاس إلى حد ما.
5 ملء الثقوب
يمكن تحقيق زيادة أخرى في كثافة تكامل لوحات الدوائر المطبوعة HDI عن طريق استبدال الأنوية متعددة الطبقات السميكة نسبيًا والتي تم استخدامها حتى الآن بأنوية أرق بشكل ملحوظ بسمك يتراوح بين 100 ميكرومتر و200 ميكرومتر.
يمكن أن تحتوي الأنوية الرقيقة جدًا على ثقوب مرورية بدلاً من الفتحات الدقيقة العمياء. في السابق، كانت هذه الثقوب المرورية تُملأ بالمعجون بعد طلاء النحاس لأول مرة، ثم تُطلى بالنحاس مرة أخرى لإنتاج الوسادات. إضافةً إلى ذلك، قد يؤدي استخدام المعجون إلى مشاكل في الموثوقية.
5.1 إلكتروليتات جديدة لملء الفتحة
في البداية، بُذلت محاولات لاستخدام إلكتروليتات النحاس التي جُرِّبت واختُبرت في حشو الثقوب الدقيقة العمياء في منطقة حشو الثقوب. ومع ذلك، تبيّن أن هذه الإلكتروليتات غير مناسبة لهذا التطبيق، مما استدعى إجراء المزيد من التطوير. يوضح الشكل 16 بعض النتائج المخبرية لأعمال التطوير الحالية.
بتعديل تركيبة الإلكتروليت، أمكن تحسين ملء الثقوب النفاذة بشكل ملحوظ (قطر البئر حوالي 85 ميكرومتر / عمق البئر حوالي 110 ميكرومتر). أُجريت جميع عمليات الترسيب الأربع الموضحة في الشكل 16 باستخدام تيار مستمر بنفس زمن الترسيب وكثافة التيار. بالإضافة إلى ذلك، تم ترسيب إلكتروليت واحد فقط خلال فترة الترسيب بأكملها، أي أنه لم يحدث أي تغيير في الإلكتروليت أثناء الترسيب.
مع زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع، أي انخفاض قطر البئر و/أو زيادة عمقه، يصبح نقل الكتلة، وبالتالي توصيل أيونات النحاس، أكثر صعوبة. ونتيجةً لذلك، تزداد صعوبة ملء الثقوب النفاذة دون أي شوائب إلكتروليتية. يوضح الشكل 17 نتيجتي ملء لثقوب نفاذة غير مُضخّمة مسبقًا (قطر البئر حوالي 50 ميكرومتر / عمق البئر حوالي 160 ميكرومتر).
يتمدد الإلكتروليت المُحاط بالعيب (الشكل 17أ) عند تسخين لوحة دوائر HDI، مما قد يؤدي إلى حدوث شرخ في هذه الوصلة أثناء لحام المكونات أو عند ارتفاع درجة الحرارة لاحقًا، مما قد يؤدي إلى تعطل النظام. لذلك، ينصب تركيز أعمال التطوير الحالية على ملء الثقوب العابرة بنسب أبعاد مختلفة بشكل موثوق وخالٍ من العيوب.
6 الاستنتاج
بفضل كثافة التكامل العالية، تتيح لوحات الدوائر المطبوعة HDI إمكانية فصل كثافات الاتصال العالية لهذه المعالجات الدقيقة بشكل موثوق في أصغر مساحة.
من خلال ملء الفتحات الدقيقة العمياء بالنحاس المترسب كهربائيًا، يمكن زيادة كثافة تكامل لوحات الدوائر المطبوعة HDI بشكل أكبر. يتيح الإلكتروليت Slotocoup SF 30 المُطوّر حديثًا، والذي يُختبر حاليًا في تايوان في ظروف الإنتاج، ملءً خاليًا من العيوب بسماكة طبقة نحاسية منخفضة. هذا يؤدي إلى زيادة كثافة التكامل، وإلى إنتاج أكثر كفاءة من حيث الموارد والطاقة والتكلفة للوحات الدوائر المطبوعة HDI. من المقرر أن يبدأ التركيب لدى أحد العملاء في الربع الثاني من عام 2014.
يمكن زيادة كثافة التكامل بشكل أكبر باستخدام ما يُسمى بالهياكل عديمة النواة، والتي تتكون من مواد نواة رقيقة جدًا. تُظهر نتائج أعمال التطوير الحالية أن ترسيب النحاس بالتيار المستمر يُتيح مبدئيًا ملء الثقوب العابرة في هذه النوى. ونظرًا لأن نتيجة الملء، وبالتالي جودة التوصيل، تعتمد على نسبة أبعاد الثقوب العابرة، فإن تحقيق ملء موثوق وخالٍ من العيوب بنسب أبعاد مختلفة يُعد حاليًا في مقدمة أعمال التطوير.
