Erhöhen Sie die Integrationsdichte von Leiterplatten, indem Sie blinde Mikrovias und Durchgangslöcher mittels elektrolytischer Kupferabscheidung füllen.
Die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Schaltungen erfordert zunehmend den Einsatz von HDI-Leiterplatten mit kupfergefüllten Blind Microvias. Ein neu entwickelter Kupferelektrolyt, der derzeit unter produktionsnahen Bedingungen getestet wird, ermöglicht das fehlerfreie Füllen von Blind Microvias mit geringer Kupferschichtdicke auf der Leiterplattenoberfläche. Ein in der Entwicklung befindlicher Kupferelektrolyt soll zukünftig auch das zuverlässige Füllen von Durchgangslöchern ermöglichen – die aktuellen Entwicklungsarbeiten zeigen bereits vielversprechende Ergebnisse.
Füllen von Blind Microvias und Durchgangslöchern
Erhöhung der Packungsdichte von Leiterplatten durch Füllen von blinden Mikrovias und Durchgangslöchern durch galvanische Kupferabscheidung.
Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Schaltungen macht den Einsatz von HDI PCB (HDI-Leiterplatten) mit kupfergefüllten Blind-Microvias werden zunehmend gefragt. Ein neu entwickelter Kupferelektrolyt, der derzeit unter simulierten Produktionsbedingungen getestet wird, ermöglicht das fehlerfreie Füllen von Blind-Microvias bei gleichzeitig reduzierter Kupferschichtdicke auf der Leiterplattenoberfläche. Dies ermöglicht eine effizientere Materialnutzung und damit geringere Kosten bei der Leiterplattenherstellung. Ein weiterer Kupferelektrolyt, der sich derzeit in der Entwicklung befindet, verspricht die zuverlässige Füllung von Durchgangslöchern.
1 Beidhändige Rückhand: Einleitung
In der Mikroelektronik ist weiterhin ein Trend zur Miniaturisierung zu beobachten, also zu kleineren und leistungsfähigeren Systemen, die zugleich kostengünstiger sein sollen als bisherige Systeme. Bekannteste Beispiele hierfür sind Smartphones und Tablet-PCs, deren Leistungsfähigkeit – trotz gleicher oder sogar kleinerer Gerätegröße – in den letzten Jahren deutlich zugenommen hat.
HDI-Leiterplatten (HDI: High-Density Interconnect) tragen maßgeblich zur Miniaturisierung bei. Zur elektrischen Verbindung der einzelnen Leiterplattenlagen werden anstelle von Durchgangslöchern platzsparende Sacklöcher (Blind Microvias) verwendet. Durch das Füllen der Blind Microvias mit elektrolytisch abgeschiedenem Kupfer (Blind Microvia Filling) lässt sich die Integrationsdichte weiter erhöhen. Mittlerweile beschränkt sich der Einsatz von HDI-Leiterplatten nicht mehr nur auf die Mobilelektronik, sondern hält zunehmend auch in anderen Anwendungen Einzug, beispielsweise im Automobilbereich.
Ein neu entwickelter Elektrolyt, der beim Blind Microvia Filling im Vergleich zur vorherigen Elektrolytgeneration nur eine sehr geringe Schichtdicke Kupfer abscheidet, ermöglicht die ressourcen-, energie- und kosteneffiziente Herstellung von HDI-Leiterplatten.
Da sich die Integrationsdichte von HDI-Leiterplatten durch die Verwendung sehr dünner Kernmaterialien weiter steigern lässt, wird die Entwicklung von Elektrolyten zum Füllen von Durchgangslöchern (englisch: Through Hole Filling) derzeit verstärkt. Ergebnisse der Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich werden vorgestellt.
2 Miniaturisierung in der Mikroelektronik
Die bekanntesten Vertreter der fortschreitenden Miniaturisierung in der Mikroelektronik sind sehr leistungsfähige Mobilgeräte wie Smartphones und Tablets. Die hohen und stetig wachsenden Verkaufszahlen spiegeln die große Attraktivität dieser Geräte wider. Im Jahr 2013 wurden erstmals über 1 Milliarde Smartphones verkauft, für 1.2 werden rund 2014 Milliarden und für 1.8 rund 2017 Milliarden erwartet [2]. Im Bereich der Tablet-PCs wird für 271 ein Absatz von 2014 Millionen Geräten prognostiziert, was einem Anstieg von knapp 40 % gegenüber dem Vorjahr entspricht [3].
Verbaut werden diese in Prozessoren mit sehr kleinen Gehäusegrößen und einer sehr großen Anzahl zunehmend rasterförmig angeordneter Anschlüsse. Die Prozessorunterseite weist auf einer Fläche von knapp 976 cm² 2 Anschlüsse auf, dies entspricht rund fünf Anschlüssen pro Quadratmillimeter. Der Abstand der Anschlüsse beträgt dabei lediglich 400 µm.
3 Miniaturisierung im Bereich Leiterplatten
Für die platzsparende und zuverlässige elektrische Verbindung von Prozessoren mit extrem hoher Anschlussdichte werden Leiterplatten mit entsprechend hoher Integrationsdichte benötigt. Die klassische Mehrlagenleiterplatte ist hierfür jedoch ungeeignet, da sie zur elektrischen Verbindung der einzelnen Leiterplattenlagen Durchgangslöcher verwendet. Diese haben relativ große Durchmesser und erstrecken sich, da sie erst nach dem Verpressen der einzelnen Lagen gebohrt werden, über die gesamte Leiterplattendicke. Dies hat zur Folge, dass selbst beim Verbinden direkt benachbarter Lagen der Raum oberhalb und unterhalb der eigentlichen Verbindung verloren geht und somit nicht für andere Strukturen, beispielsweise Leiterbahnen, genutzt werden kann. Die daraus resultierende geringe Integrationsdichte von Mehrlagenleiterplatten reicht für die oben beschriebenen Anforderungen nicht aus.
Vor einigen Jahren wurde daher eine neue, hochintegrierte Generation von Leiterplatten, die sogenannte HDI-Leiterplatte, entwickelt, die zunächst vor allem für die Produktion von Mobiltelefonen eingesetzt wurde. Bei der Herstellung von HDI-Leiterplatten werden die einzelnen Leiterplattenlagen sukzessive aufgebaut (SBU, Sequential Build Up). Die elektrische Verbindung benachbarter Baugruppenpositionen wird über lasergebohrte Blind Microvias realisiert. Abbildung 2 zeigt schematisch den Aufbau einer 2-4-2-HDI-Leiterplatte, d. h. die Leiterplatte besteht aus einem vierlagigen Multilayer-Kern und je zwei Lagen auf jeder Seite.
4 Blinde Mikrovia
Im Vergleich zu Durchgangslöchern haben Blind Microvias kleinere Durchmesser im Bereich von 50 µm bis 150 µm und erstrecken sich in z-Richtung nur über die Dicke einer Montageposition (typischerweise 50 µm bis 150 µm). Sie beanspruchen nur so viel Platz, wie für die eigentliche Verbindung tatsächlich benötigt wird. HDI-Leiterplatten weisen dadurch eine deutlich höhere Integrationsdichte als Mehrschichtleiterplatten auf und eignen sich daher für die Signalentflechtung hochfunktionaler elektronischer Komponenten auf kleinstem Raum.
4.1 Blinde Mikrovia füllen
Eine weitere Erhöhung der Integrationsdichte ermöglichen gestapelte Blind Microvias (Stacked Blind Microvias). Wird zum Füllen anstelle von Leitpaste elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer verwendet, ergeben sich folgende weitere Vorteile:
Erhöhte Zuverlässigkeit (die blinden Microvias bestehen nur aus Kupfer, es gibt keine zusätzliche Schnittstelle)
besseres Wärmemanagement (Wärmeverluste können über die hochwärmeleitenden, kupfergefüllten Blind Microvias abgeführt werden)
Weitere Erhöhung der Integrationsdichte (es werden keine zusätzlichen Pads (Anschlussflächen) auf der Leiterplattenoberfläche zur Kontaktierung von Bauteilen benötigt)
Die wesentlichen Prozessschritte bei der Herstellung von HDI-Leiterplatten mit kupfergefüllten Blind Microvias sind in Abbildung 4 schematisch dargestellt. Soll eine weitere Schicht aufgebaut werden, muss die Prozesssequenz beginnend mit Prozessschritt 2 erneut durchlaufen werden.
Durch das Übereinanderstapeln kupfergefüllter Blind Microvias können auch nicht benachbarte Bestückungspositionen bei minimalem Platzbedarf elektrisch leitend verbunden werden (Abb. 5). Der Einsatz von Pad-in-Via- bzw. Via-in-Pad-Designs führt zu einer weiteren Erhöhung der Integrationsdichte, da Bauteilanschlüsse direkt auf die kupfergefüllten Blind Microvias gelötet werden können und somit keine zusätzlichen Anschlussflächen notwendig sind (Abb. 6).
4.2 Bisherige Elektrolyte für die Blind-Microvia-Füllung
Typische Elektrolyte für die Blind-Microvia-Füllung enthalten eine relativ hohe Konzentration an Kupferionen im Bereich von 40 g/l bis 60 g/l in Kombination mit einer niedrigen Schwefelsäurekonzentration im Bereich von 10 ml/l bis 50 ml/l sowie Chloridionen. Die zur Steuerung der Beschichtungseigenschaften erforderlichen organischen Elektrolytzusätze unterscheiden sich von Fachbetrieb zu Fachbetrieb, meist sind jedoch die folgenden drei Komponenten in den Elektrolytzusätzen enthalten:
Basisadditiv (Inhibitor)
Kornverfeinerer (Aktivator)
Leveler (Inhibitor)
Darüber hinaus können sich die Methoden der verschiedenen Anbieter auch in folgenden Merkmalen unterscheiden:
Systemtechnik (Standard-Vertikalsystem, Vertikal-Durchlaufsystem, Horizontal-Durchlaufsystem)
Anodentyp (Kupferanode, unlösliche Anode)
Stromform (Gleichstrom, Pulsstrom, Rückwärtspulsstrom)
anwendbare Stromdichte
Die bisher von Schlötter angebotenen Verfahren zur Blind Microvia-Füllung arbeiten ausschließlich mit Gleichstrom in Standard-Vertikalanlagen bzw. Vertikal-Durchlaufanlagen.
In den Anfangsjahren der Blind Microvia-Füllung gab es neben den Standardanforderungen an elektrolytisch abgeschiedene Kupferbeschichtungen für Leiterplatten (z. B. Duktilität, Zuverlässigkeit) im Wesentlichen folgende zusätzliche Anforderungen:
Defektfreies Füllen der blinden Microvias ohne Elektrolyteinschlüsse
Minimaler Füllgrad bzw. maximal zulässige Vertiefung (Delle).
Beim Füllvorgang wurden in der Blind Microvia 93 µm Kupfer (B) abgeschieden, während die Schichtdicke an der Oberfläche lediglich 22 µm beträgt (C). Daraus ergeben sich folgende Kennzahlen:
Eindruck (AB): 30.4 µm
Füllgrad (B/A): 75%
Metallverteilung (B/C): 426 %
Dies liegt vor allem an der Wirkungsweise des Levelers, durch den sich das Kupfer nicht auf der Oberfläche ablagert, sondern in den blinden Microvias, also in den Bereichen geringer Stromdichte und geringen Elektrolytaustauschs.
Um ein gutes Füllergebnis zu erzielen, müssen die Elektrolytzusätze sehr gut aufeinander abgestimmt sein. Abbildung 8a zeigt eine blinde Mikrovia vor dem Füllvorgang sowie unterschiedliche Ergebnisse, die nur durch Variation der Elektrolytzusätze – bei ansonsten gleichen Trennparametern – entstehen können (Abb. 8b – e).
4.3 Neuer Elektrolyt für die Blind-Microvia-Füllung
Die Integrationsdichte der Leiterplatten lässt sich durch Reduzierung der Leiterbahnbreite und des Leiterbahnabstands noch weiter erhöhen. Für das Ätzen solch feiner Leiterbahnen muss die Kupferschichtdicke an der Oberfläche allerdings gering sein, da es sonst zu starken Unterätzungen und Problemen mit dem Leiterquerschnitt kommen kann.
Wie in Abbildung 4 dargestellt, kann die Kupferschichtdicke nach dem Füllen durch – gegebenenfalls wiederholtes – Kupferdünnen reduziert werden, wofür jedoch zusätzliche Prozessschritte und Anlagen notwendig sind. Zudem wird die Kupferdünnung des zuvor abgeschiedenen Kupfers teilweise entfernt, was sich negativ auf die Ressourcen-, Energie- und Kosteneffizienz bei der Herstellung von Leiterplatten auswirkt. Um die Kupferdünnung vollständig zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, ist in den letzten Jahren neben den bereits genannten Anforderungen die Anforderung hinzugekommen, während des Füllprozesses möglichst geringe Kupferschichtdicken abzuscheiden.
50-70 mg/l Chlorid
3–10 ml / l zusätzliches Slotocoup SF 31
0.2–1.0 ml / l zusätzliches Slotocoup SF 32
0.2–2.0 ml / l zusätzliches Slotocoup SF 33
Der Elektrolyt wird bei Stromdichten von maximal 2 A/dm² im Temperaturbereich zwischen 18 °C und 22 °C betrieben.
Im Vergleich zur vorherigen Elektrolytgeneration konnte die auf der Oberfläche abgeschiedene Kupferschichtdicke extrem reduziert werden. Dies zeigt sich an der Metallverteilung, die im gezeigten Laborversuch einen extrem hohen Wert von über 2000 % aufweist (Abb. 9b).
Slotocoup SF 30 wird derzeit in Kooperation mit dem taiwanesischen Schlötter-Partner AGES im 2012 eröffneten PCB Development Center in Taipeh unter produktionsnahen Bedingungen in einer 7200 Liter fassenden vertikalen Durchlaufanlage getestet (Abb. 10).
Vertiefung: 7.0 µm
Füllgrad: 91%
Metallverteilung: 740 %
Abbildung 11b zeigt eine weitere kupfergefüllte Blind Microvia, die von derselben Leiterplatte stammt wie die Blind Microvia in Abbildung 11a. Bemerkenswert ist, dass das Füllergebnis trotz der nicht optimalen BMV-Geometrie sehr gut ist.
Slotocup SF 30 ermöglicht auch bei geringer Schichtdicke der Kupferoberflächen das fehlerfreie Füllen eng beieinander liegender blinder Microvias. Abb. 12: Testergebnisse von Slotocoup SF 30 beim Füllen eng beieinander liegender blinder Microvias
Auch sehr flache blinde Microvias, die bei der Verwendung extrem dünner Dielektrika entstehen, lassen sich mit dem neuen Elektrolyten defektfrei füllen, allerdings sind dabei etwas höhere Kupferschichtdicken erforderlich.
5 Durchgangslochfüllung
Eine weitere Steigerung der Integrationsdichte von HDI-Leiterplatten kann durch den Ersatz der bislang verwendeten, relativ dicken Mehrschichtkerne durch deutlich dünnere Kerne mit Dicken zwischen 100 µm und 200 µm erreicht werden.
Sehr dünne Kerne können anstelle von blinden Mikrovias auch Durchgangslöcher aufweisen. Bisher wurden diese Durchgangslöcher nach der ersten Verkupferung zunächst mit Paste gefüllt und anschließend erneut verkupfert, um die Pads zu erzeugen. Zudem kann die Verwendung von Paste zu Zuverlässigkeitsproblemen führen.
5.1 Neue Elektrolyte für die Durchgangslochfüllung
Zunächst wurde versucht, die bereits in der Blind-Microvia-Füllung bewährten Kupferelektrolyte auch im Bereich der Durchkontaktierung einzusetzen. Es zeigte sich jedoch, dass diese Elektrolyte für diese Anwendung nicht geeignet sind, sodass weitere Entwicklungsarbeiten notwendig waren. Einige Laborergebnisse aus den aktuellen Entwicklungsarbeiten sind in Abbildung 16 dargestellt.
Durch eine Modifikation der Elektrolytzusammensetzung konnte die Füllung von Durchgangslöchern (ca. 85 µm Bohrlochdurchmesser / ca. 110 µm Bohrlochtiefe) deutlich verbessert werden. Alle vier in Abbildung 16 dargestellten Abscheidungen wurden jeweils mit Gleichstrom bei gleicher Abscheidungszeit und Stromdichte durchgeführt. Zudem wurde während der gesamten Abscheidungsdauer nur ein Elektrolyt abgeschieden, d. h. es erfolgte im Verlauf der Abscheidung kein Elektrolytwechsel.
Mit zunehmendem Aspektverhältnis, d. h. abnehmendem Bohrlochdurchmesser und/oder zunehmender Bohrlochtiefe, wird der Massentransport und damit die Nachlieferung von Kupferionen erschwert. Dadurch wird ein defektfreies Füllen der Durchgangslöcher ohne Elektrolyteinschlüsse zunehmend schwieriger. Abbildung 17 zeigt zwei Füllergebnisse von nicht vorverstärkten Durchgangslöchern (ca. 50 µm Bohrlochdurchmesser / ca. 160 µm Bohrlochtiefe).
Der im Defekt eingeschlossene Elektrolyt (Abb. 17a) dehnt sich bei Erwärmung der HDI-Leiterplatte aus und kann daher bereits beim Löten von Bauteilen oder bei nachträglicher Temperaturerhöhung zu einem Riss in dieser Verbindung führen, der einen Systemausfall zur Folge haben kann. Der Fokus der aktuellen Entwicklungsarbeiten liegt daher auf der zuverlässig defektfreien Füllung von Durchgangslöchern mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen.
6 Fazit
HDI-Leiterplatten ermöglichen aufgrund ihrer hohen Integrationsdichte eine zuverlässige Entflechtung der hohen Anschlussdichten dieser Mikroprozessoren auf kleinstem Raum.
Durch das Füllen von blinden Mikrovias mit elektrolytisch abgeschiedenem Kupfer lässt sich die Integrationsdichte von HDI-Leiterplatten weiter erhöhen. Der neu entwickelte Elektrolyt Slotocoup SF 30, der derzeit in Taiwan unter produktionsnahen Bedingungen getestet wird, ermöglicht eine fehlerfreie Füllung bei geringer Kupferschichtdicke. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Integrationsdichte und einer ressourcen-, energie- und kosteneffizienteren Produktion von HDI-Leiterplatten. Die erste Installation bei einem Kunden ist für das zweite Quartal 2014 geplant.
Die Integrationsdichte lässt sich durch sogenannte kernlose Strukturen, die aus sehr dünnen Kernmaterialien bestehen, noch weiter steigern. Ergebnisse aktueller Entwicklungsarbeiten zeigen, dass die direkte Stromabscheidung von Kupfer das Füllen der Durchgangslöcher in diesen Kernen prinzipiell ermöglicht. Da das Füllergebnis und damit die Qualität der Verbindung vom Aspektverhältnis der Durchgangslöcher abhängt, steht die Realisierung einer zuverlässigen, defektfreien Füllung bei unterschiedlichen Aspektverhältnissen derzeit im Vordergrund der Entwicklungsarbeiten.
