Aumente la densidad de integración de PCB rellenando microvías ciegas y orificios pasantes mediante deposición de cobre electrolítico.
La progresiva miniaturización de los circuitos electrónicos exige cada vez más el uso de placas de circuito HDI con microvías ciegas rellenas de cobre. Un electrolito de cobre de nuevo desarrollo, que se está probando actualmente en condiciones de producción, permite el llenado sin defectos de microvías ciegas con una capa de cobre de pequeño espesor en la superficie de la placa. Un electrolito de cobre, actualmente en desarrollo, también debería permitir el llenado fiable de orificios pasantes en el futuro; el trabajo de desarrollo actual ya muestra resultados prometedores.
Relleno de microvías ciegas y orificios pasantes
Aumento de la densidad de empaquetado de PCB mediante el relleno de microvías ciegas y orificios pasantes mediante electrodeposición de cobre.
La creciente miniaturización de los circuitos electrónicos hace que el uso de HDI PCB Las placas de circuito impreso HDI con microvías ciegas rellenas de cobre son cada vez más demandadas. Un electrolito de cobre de nuevo desarrollo, actualmente en pruebas en condiciones de producción simuladas, permitirá el llenado sin defectos de las microvías ciegas, a la vez que reduce el espesor del depósito de cobre en la superficie de la placa. Esto conlleva un uso más eficiente de los materiales y, por consiguiente, una reducción del coste de fabricación de las PCB. Otro electrolito de cobre, actualmente en desarrollo, promete permitir un llenado fiable de los orificios pasantes.
1 Introducción
En microelectrónica, persiste la tendencia hacia la miniaturización, es decir, hacia sistemas más pequeños y potentes que, supuestamente, también son más económicos que los sistemas anteriores. Los ejemplos más conocidos son los teléfonos inteligentes y las tabletas, cuyo rendimiento, a pesar de tener el mismo o incluso menor tamaño, ha aumentado significativamente en los últimos años.
Las placas de circuito impreso HDI (HDI: Interconexión de Alta Densidad) contribuyen significativamente a la miniaturización. Para la conexión eléctrica de las capas individuales de la PCB, se utilizan orificios ciegos (microvías ciegas) que ahorran espacio en lugar de orificios pasantes. La densidad de integración puede aumentarse aún más rellenando las microvías ciegas con cobre depositado electrolíticamente (relleno de microvías ciegas). Actualmente, el uso de las placas de circuito impreso HDI ya no se limita a la electrónica móvil, sino que se está extendiendo cada vez más a otras aplicaciones, por ejemplo, en el sector de la automoción.
Un electrolito de nuevo desarrollo, que en el relleno de microvías ciegas solo deposita un espesor de capa muy pequeño de cobre en comparación con la generación anterior de electrolitos, permite la producción eficiente en cuanto a recursos, energía y costos de placas de circuitos impresos HDI.
Dado que la densidad de integración de las placas de circuito impreso HDI puede aumentarse aún más mediante el uso de materiales de núcleo muy delgados, se está impulsando el desarrollo de electrolitos para el relleno de agujeros pasantes (en inglés: Through Hole Filling). Se presentan los resultados del trabajo de desarrollo en esta área.
2 Miniaturización en el campo de la microelectrónica
Los representantes más conocidos de la progresiva miniaturización en microelectrónica son los dispositivos móviles de alta potencia, como los teléfonos inteligentes y las tabletas. Las elevadas y crecientes cifras de ventas reflejan el gran atractivo de estos dispositivos. En 2013, se vendieron por primera vez más de mil millones de teléfonos inteligentes; se esperan ventas de alrededor de 1 millones en 1.2 y de alrededor de 2014 millones en 1.8 [2017]. En el sector de las tabletas, se prevén ventas de 2 millones de dispositivos para 271, lo que representa un aumento de casi el 2014 % con respecto al año anterior [40].
Estos se instalan en procesadores con carcasas muy pequeñas y una gran cantidad de conexiones cada vez más enrejadas. La parte inferior del procesador cuenta con 976 conexiones en un área de poco menos de 2 cm², lo que equivale a unas cinco conexiones por milímetro cuadrado. La distancia entre las conexiones es de tan solo 400 µm.
3 Miniaturización en el área de placas de circuitos impresos
Se requieren placas de circuito impreso con una densidad de integración correspondientemente alta para una conexión eléctrica fiable y que ahorre espacio en procesadores con densidades de conexión extremadamente altas. Sin embargo, la placa de circuito impreso multicapa clásica no es adecuada para esto, ya que utiliza orificios pasantes para la conexión eléctrica de las capas individuales de la placa. Estos tienen diámetros relativamente grandes y, al perforarse solo después del prensado de las capas individuales, se extienden por todo el espesor de la placa. Como consecuencia, incluso al conectar capas directamente adyacentes, se pierde el espacio por encima y por debajo de la conexión real, lo que impide su uso para otras estructuras, como las pistas conductoras. La baja densidad de integración resultante de las placas de circuito impreso multicapa no satisface los requisitos descritos anteriormente.
Hace unos años, se desarrolló una nueva generación de placas de circuito impreso altamente integradas, la denominada placa de circuito HDI, que inicialmente se utilizó principalmente para la producción de teléfonos móviles. En la fabricación de placas de circuito impreso HDI, las capas individuales se construyen sucesivamente (SBU, construcción secuencial). La conexión eléctrica de las posiciones de ensamblaje adyacentes se realiza mediante microvías ciegas perforadas con láser. La figura 2 muestra esquemáticamente la estructura de una placa de circuito impreso HDI 2-4-2; es decir, la placa consta de un núcleo multicapa de cuatro capas y dos capas a cada lado.
4 microvías ciegas
En comparación con los orificios pasantes, las microvías ciegas tienen diámetros menores, de entre 50 µm y 150 µm, y solo se extienden en la dirección z sobre el espesor de la posición de montaje (normalmente de 50 µm a 150 µm). Ocupan el espacio necesario para la conexión. Por lo tanto, las placas de circuito impreso HDI presentan una densidad de integración mucho mayor que las placas de circuito impreso multicapa, lo que las hace idóneas para la desagregación de señales de componentes electrónicos altamente funcionales en un espacio mínimo.
4.1 Relleno de microvías ciegas
Un aumento adicional en la densidad de integración permite microvías ciegas apiladas. Si se utiliza cobre depositado electrolíticamente para el relleno en lugar de pasta conductora, se obtienen las siguientes ventajas adicionales:
Mayor confiabilidad (las microvías ciegas solo contienen cobre, no hay interfaz adicional)
Mejor gestión del calor (la pérdida de calor se puede disipar a través de microvías ciegas rellenas de cobre y altamente conductoras del calor)
Aumento adicional de la densidad de integración (no se requieren almohadillas adicionales en la superficie de la placa de circuito para los componentes de contacto)
Los principales pasos del proceso en la fabricación de placas de circuito HDI con microvías ciegas rellenas de cobre se muestran esquemáticamente en la figura 4. Si se debe construir una capa adicional, se debe ejecutar de nuevo la secuencia del proceso comenzando con el paso 2.
El apilamiento de microvías ciegas rellenas de cobre permite conectar incluso posiciones de ensamblaje no adyacentes de forma eléctricamente conductora con un mínimo espacio (Fig. 5). El uso de diseños de almohadilla en vía o de vía en almohadilla aumenta aún más la densidad de integración, ya que las conexiones de los componentes se pueden soldar directamente a las microvías ciegas rellenas de cobre, eliminando así la necesidad de superficies de conexión adicionales (Fig. 6).
4.2 Electrolitos previos para el llenado de microvías a ciegas
Normalmente, los electrolitos para el llenado de microvías ciegas contienen una concentración relativamente alta de iones de cobre, de 40 g/l a 60 g/l, en combinación con una baja concentración de ácido sulfúrico, de 10 ml/l a 50 ml/l, así como iones de cloruro. Los aditivos electrolíticos orgánicos necesarios para controlar las propiedades del recubrimiento varían según la empresa especializada, pero generalmente contienen los tres componentes siguientes:
Aditivo básico (inhibidor)
Refinador de grano (activador)
Nivelador (inhibidor)
Además, los métodos de los diferentes proveedores también pueden diferir en las siguientes características:
Tecnología del sistema (sistema vertical estándar, sistema continuo vertical, sistema continuo horizontal)
Tipo de ánodo (ánodo de cobre, ánodo insoluble)
Forma de corriente (corriente continua, corriente de pulso, corriente de pulso inverso)
densidad de corriente aplicable
Los métodos ofrecidos hasta ahora por Schlötter para el llenado de microvías ciegas funcionan exclusivamente con corriente continua en sistemas verticales estándar o sistemas verticales continuos.
En los primeros años del llenado ciego de microvías, existían esencialmente los siguientes requisitos adicionales además de los requisitos estándar para recubrimientos de cobre depositados electrolíticamente para placas de circuitos impresos (por ejemplo, ductilidad, confiabilidad):
Relleno sin defectos de las microvías ciegas sin inclusiones de electrolitos
Nivel mínimo de relleno o profundización máxima permitida (abolladura.
Durante el proceso de llenado, se depositaron 93 µm de cobre (B) en la microvía ciega, mientras que el espesor de la capa en la superficie es de solo 22 µm (C), lo que da como resultado las siguientes cifras clave:
Sangría (AB): 30.4 µm
Grado de llenado (B/A): 75%
Distribución de metales (B/C): 426%
Esto se debe principalmente al modo de acción del nivelador, mediante el cual el cobre no se deposita en la superficie sino en las microvías ciegas, es decir en las zonas de baja densidad de corriente y bajo intercambio de electrolitos.
Para lograr un buen resultado de llenado, los aditivos electrolíticos deben estar perfectamente coordinados. La Figura 8a muestra una microvía ciega antes del proceso de llenado, así como diferentes resultados, que solo pueden obtenerse mediante la variación de los aditivos electrolíticos, manteniendo por lo demás los mismos parámetros de separación (Fig. 8b-e).
4.3 Nuevo electrolito para el llenado de microvías ciegas
La densidad de integración de las placas de circuito impreso puede aumentarse aún más reduciendo el ancho y el espaciado de las pistas. Sin embargo, para el grabado de conductores tan finos, el espesor de la capa de cobre en la superficie debe ser bajo, ya que de lo contrario pueden producirse socavaduras graves y problemas con la sección transversal del conductor.
Como se muestra en la Figura 4, el espesor de la capa de cobre puede reducirse tras el llenado mediante, posiblemente, un adelgazamiento repetido, pero para ello se requieren pasos y sistemas de proceso adicionales. Además, el adelgazamiento del cobre previamente depositado se elimina parcialmente, lo que repercute negativamente en la eficiencia de recursos, energía y costes en la fabricación de placas de circuito impreso. Para evitar por completo, o al menos reducir, el adelgazamiento del cobre, además de los requisitos ya mencionados, en los últimos años se ha añadido el requisito de depositar el menor espesor posible de capa de cobre durante el proceso de llenado.
50-70 mg/l de cloruro
3–10 ml/l de copa adicional SF 31
0.2–1.0 ml/l de copa adicional SF 32
0.2–2.0 ml/l de copa adicional SF 33
El electrolito funciona con densidades de corriente de máximo 2 A/dm² en el rango de temperatura entre 18°C y 22°C.
En comparación con la generación anterior de electrolitos, el espesor de la capa de cobre depositada sobre la superficie se redujo considerablemente. Esto se evidencia en la distribución del metal, que en la prueba de laboratorio muestra un valor extremadamente alto, superior al 2000 % (Fig. 9b).
Actualmente, el Slotocoup SF 30 se está probando en cooperación con el socio taiwanés de Schlötter, AGES, en el Centro de Desarrollo de PCB en Taipei, inaugurado en 2012, en condiciones relacionadas con la producción en un sistema continuo vertical de 7200 litros (Fig. 10).
Profundización: 7.0 µm
Grado de llenado: 91%
Distribución de metales: 740%
La Figura 11b muestra otra Microvía Ciega rellena de cobre, proveniente de la misma placa de circuito que la Microvía Ciega de la Figura 11a. Cabe destacar que, a pesar de la geometría no óptima del BMV, el resultado del relleno es muy bueno.
Slotocup SF 30 también permite el llenado sin defectos de microvías ciegas con poca separación con un espesor de capa bajo en las superficies de cobre. Fig. 12: Resultados de la prueba de Slotocoup SF 30 al llenar microvías ciegas con poca separación
También las microvías ciegas muy planas que se forman cuando se utilizan dieléctricos extremadamente delgados se pueden rellenar sin defectos con el nuevo electrolito, pero esto da como resultado espesores de capa de cobre ligeramente mayores.
5 Relleno de orificios pasantes
Se puede conseguir un aumento adicional de la densidad de integración de las placas de circuito impreso HDI sustituyendo los núcleos multicapa relativamente gruesos que se han utilizado hasta ahora por núcleos significativamente más delgados con espesores entre 100 µm y 200 µm.
Los núcleos muy delgados también pueden tener orificios pasantes en lugar de microvías ciegas. Anteriormente, estos orificios pasantes se rellenaban con pasta después del primer recubrimiento de cobre y luego se recubrían con cobre para producir las almohadillas. Además, el uso de pasta puede causar problemas de fiabilidad.
5.1 Nuevos electrolitos para el relleno de orificios pasantes
Inicialmente, se intentó utilizar los electrolitos de cobre ya probados en el relleno de microvías ciegas en la zona de relleno de orificios pasantes. Sin embargo, se demostró que estos electrolitos no eran adecuados para esta aplicación, por lo que fue necesario un mayor desarrollo. Algunos resultados de laboratorio del trabajo de desarrollo actual se muestran en la Figura 16.
Al modificar la composición del electrolito, se logró mejorar significativamente el llenado de los orificios pasantes (diámetro de orificio de aprox. 85 µm / profundidad de orificio de aprox. 110 µm). Las cuatro deposiciones mostradas en la Figura 16 se realizaron con corriente continua, con el mismo tiempo y densidad de corriente. Además, solo se depositó un electrolito durante todo el período de deposición, es decir, no se produjo ningún cambio de electrolito durante la deposición.
Al aumentar la relación de aspecto, es decir, al disminuir el diámetro del pozo o al aumentar la profundidad, se dificulta el transporte de masa y, por lo tanto, la posterior entrega de iones de cobre. Como resultado, se dificulta cada vez más el llenado sin defectos de los orificios pasantes y sin inclusiones de electrolito. La Figura 17 muestra dos resultados de llenado de orificios pasantes no preamplificados (aprox. 50 µm de diámetro del pozo / aprox. 160 µm de profundidad).
El electrolito contenido en el defecto (Fig. 17a) se expande al calentarse la placa de circuito impreso HDI, lo que puede provocar una grieta en esta conexión durante la soldadura de los componentes o al aumentar la temperatura posteriormente, lo que puede provocar un fallo del sistema. Por lo tanto, el trabajo de desarrollo actual se centra en el llenado fiable y sin defectos de orificios pasantes con diferentes relaciones de aspecto.
6 Conclusión
Gracias a su alta densidad de integración, las placas de circuito impreso HDI permiten una separación fiable de las altas densidades de conexión de estos microprocesadores en el espacio más reducido.
Al rellenar microvías ciegas con cobre depositado electrolíticamente, se puede aumentar aún más la densidad de integración de las placas de circuito impreso HDI. El nuevo electrolito Slotocoup SF 30, que se está probando actualmente en Taiwán en condiciones de producción, permite un relleno sin defectos con un espesor de capa de cobre reducido. Esto se traduce en un mayor aumento de la densidad de integración y en una producción de placas de circuito impreso HDI más eficiente en cuanto a recursos, energía y costes. La primera instalación en un cliente está prevista para el segundo trimestre de 2014.
La densidad de integración puede incrementarse aún más mediante las denominadas estructuras sin núcleo, compuestas por materiales de núcleo muy delgados. Los resultados del trabajo de desarrollo actual muestran que la deposición de cobre mediante corriente continua permite, en principio, rellenar los orificios pasantes de estos núcleos. Dado que el resultado del relleno, y por consiguiente la calidad de la conexión, depende de la relación de aspecto de los orificios pasantes, la consecución de un relleno fiable y sin defectos con diferentes relaciones de aspecto es actualmente una prioridad en el trabajo de desarrollo.
