Augmentez la densité d'intégration du PCB en remplissant les microvias borgnes et les trous traversants à l'aide d'un dépôt électrolytique de cuivre.
La miniaturisation progressive des circuits électroniques nécessite de plus en plus l'utilisation de circuits imprimés HDI avec microvias borgnes remplis de cuivre. Un nouvel électrolyte au cuivre, actuellement testé en conditions de production, permet un remplissage impeccable des microvias borgnes grâce à une faible épaisseur de couche de cuivre à la surface du circuit imprimé. Un électrolyte au cuivre en cours de développement devrait également permettre un remplissage fiable des trous traversants à l'avenir ; les travaux de développement actuels donnent déjà des résultats prometteurs.
Remplissage de microvias borgnes et de trous traversants
Augmentation de la densité d'emballage des PCB par remplissage de micro-vias borgnes et de trous traversants par électrodéposition de cuivre.
La miniaturisation croissante des circuits électroniques rend l’utilisation de PCB HDI Les circuits imprimés HDI (cartes de circuits imprimés HDI) avec micro-vias borgnes remplis de cuivre sont de plus en plus recherchés. Un nouvel électrolyte au cuivre, actuellement testé en conditions de production simulées, permettra un remplissage sans défaut des micro-vias borgnes tout en réduisant l'épaisseur du dépôt de cuivre à la surface de la carte. Cela permettra une utilisation plus efficace des matériaux et donc une réduction des coûts de fabrication des circuits imprimés. Un autre électrolyte au cuivre, actuellement en cours de développement, promet un remplissage fiable des trous traversants.
1 Présentation
En microélectronique, la tendance à la miniaturisation persiste, c'est-à-dire à des systèmes plus petits et plus puissants, censés être moins coûteux que les systèmes précédents. Les exemples les plus connus sont les smartphones et les tablettes, dont les performances, malgré une taille identique, voire inférieure, ont considérablement augmenté ces dernières années.
Les circuits imprimés HDI (HDI : High-Density Interconnect) contribuent significativement à la miniaturisation. Pour la connexion électrique des différentes couches de circuits imprimés, des trous borgnes peu encombrants (microvias borgnes) remplacent les trous traversants. La densité d'intégration peut être encore augmentée en remplissant les microvias borgnes avec du cuivre déposé électrolytiquement (remplissage de microvias borgnes). Aujourd'hui, l'utilisation des circuits imprimés HDI ne se limite plus à l'électronique mobile, mais s'étend de plus en plus à d'autres applications, notamment dans le secteur automobile.
Un électrolyte nouvellement développé, qui dans le remplissage Blind Microvia ne dépose qu'une très faible épaisseur de couche de cuivre par rapport à la génération précédente d'électrolytes, permet la production de cartes de circuits imprimés HDI de manière économe en ressources, en énergie et en coûts.
La densité d'intégration des circuits imprimés HDI pouvant être encore augmentée grâce à l'utilisation de matériaux de base très fins, le développement d'électrolytes pour le remplissage des trous traversants (Through Hole Filling) est actuellement renforcé. Les résultats des travaux de développement dans ce domaine sont présentés.
2 Miniaturisation dans le domaine de la microélectronique
Les représentants les plus connus de la miniaturisation progressive en microélectronique sont les appareils mobiles très puissants tels que les smartphones et les tablettes. Leurs chiffres de vente élevés et en constante croissance reflètent leur fort attrait. En 2013, plus d'un milliard de smartphones ont été vendus pour la première fois ; des ventes d'environ 1 milliard sont attendues en 1.2 et d'environ 2014 milliard en 1.8 [2017]. Dans le domaine des tablettes PC, les ventes devraient atteindre 2 millions d'appareils en 271, soit une augmentation de près de 2014 % par rapport à l'année précédente [40].
Ces connecteurs sont installés dans des processeurs aux boîtiers très compacts et dotés d'un très grand nombre de connexions de plus en plus en grille. La face inférieure du processeur comporte 976 connexions sur une surface d'un peu moins de 2 cm², soit environ cinq connexions par millimètre carré. Le pas des connexions est de seulement 400 µm.
3 Miniaturisation dans le domaine des circuits imprimés
Des circuits imprimés présentant une densité d'intégration élevée sont nécessaires pour une connexion électrique fiable et peu encombrante des processeurs à densité de connexion extrêmement élevée. Cependant, les circuits imprimés multicouches classiques ne sont pas adaptés à cette utilisation, car ils utilisent des trous traversants pour la connexion électrique des différentes couches. Ces trous présentent des diamètres relativement importants et, comme ils ne sont percés qu'après pressage des couches individuelles, ils s'étendent sur toute l'épaisseur du circuit imprimé. Par conséquent, même lorsque des couches adjacentes sont connectées, l'espace au-dessus et en dessous de la connexion est perdu et ne peut donc pas être utilisé pour d'autres structures, par exemple des pistes conductrices. La faible densité d'intégration des circuits imprimés multicouches qui en résulte ne suffit pas à répondre aux exigences décrites ci-dessus.
Il y a quelques années, une nouvelle génération de circuits imprimés hautement intégrés, dits circuits HDI, a été développée. Initialement destinée principalement à la fabrication de téléphones portables. Lors de la fabrication de circuits imprimés HDI, les différentes couches sont assemblées successivement (SBU, Sequential Build Up). La connexion électrique des positions d'assemblage adjacentes est réalisée à l'aide de microvias borgnes percés au laser. La figure 2 illustre schématiquement la structure d'un circuit imprimé HDI 2-4-2, c'est-à-dire qu'il est constitué d'un noyau multicouche à quatre couches et de deux couches de chaque côté.
4 microvias aveugles
Comparés aux trous traversants, les microvias borgnes présentent des diamètres plus petits, compris entre 50 et 150 µm, et ne s'étendent que dans la direction z sur l'épaisseur d'une position de montage (généralement entre 50 et 150 µm). Ils occupent donc uniquement l'espace nécessaire à la connexion. Les circuits imprimés HDI présentent ainsi une densité d'intégration bien supérieure à celle des circuits imprimés multicouches et conviennent donc parfaitement au dégroupage des signaux de composants électroniques hautement fonctionnels dans un espace réduit.
4.1 Remplissage des microvias borgnes
Une augmentation supplémentaire de la densité d'intégration permet d'obtenir des microvias borgnes empilés. L'utilisation de cuivre déposé électrolytiquement pour le remplissage plutôt que de pâte conductrice présente les avantages suivants :
Fiabilité accrue (les microvias borgnes ne contiennent que du cuivre, il n'y a pas d'interface supplémentaire)
meilleure gestion de la chaleur (la perte de chaleur peut être dissipée via les microvias borgnes remplis de cuivre hautement conducteurs de chaleur)
Augmentation supplémentaire de la densité d'intégration (aucun plot supplémentaire (pads) n'est requis sur la surface du circuit imprimé pour contacter les composants)
Les principales étapes du processus de fabrication de cartes de circuits imprimés HDI avec microvias borgnes remplis de cuivre sont représentées schématiquement dans la figure 4. Si une couche supplémentaire doit être construite, la séquence du processus doit être répétée à partir de l'étape 2 du processus.
L'empilement de microvias borgnes remplis de cuivre permet de connecter des positions d'assemblage non adjacentes de manière conductrice avec un encombrement minimal (Fig. 5). L'utilisation de conceptions « pad-in-via » ou « via-in-pad » permet d'augmenter encore la densité d'intégration, car les connexions des composants peuvent être soudées directement sur les microvias borgnes remplis de cuivre, évitant ainsi le recours à des surfaces de connexion supplémentaires (Fig. 6).
4.2 Électrolytes précédents pour le remplissage des microvias aveugles
Généralement, les électrolytes destinés au remplissage de microvias borgnes contiennent une concentration relativement élevée d'ions cuivre, comprise entre 40 et 60 g/l, associée à une faible concentration d'acide sulfurique, comprise entre 10 et 50 ml/l, ainsi qu'à des ions chlorure. Les additifs organiques nécessaires au contrôle des propriétés du revêtement varient d'un spécialiste à l'autre, mais ils contiennent principalement les trois composants suivants :
Additif basique (inhibiteur)
Raffineur de grains (activateur)
Niveleur (inhibiteur)
De plus, les méthodes des différents fournisseurs peuvent également différer dans les caractéristiques suivantes :
Technologie du système (système vertical standard, système continu vertical, système continu horizontal)
Type d'anode (anode en cuivre, anode insoluble)
Forme du courant (courant continu, courant pulsé, courant pulsé inverse)
densité de courant applicable
Les méthodes proposées jusqu'à présent par Schlötter pour le remplissage de microvias aveugles fonctionnent exclusivement avec du courant continu dans des systèmes verticaux standard ou des systèmes verticaux continus.
Au cours des premières années du remplissage des microvias aveugles, il y avait essentiellement les exigences supplémentaires suivantes en plus des exigences standard pour les revêtements de cuivre déposés électrolytiquement pour les cartes de circuits imprimés (par exemple, ductilité, fiabilité) :
remplissage sans défaut des microvias borgnes sans inclusions d'électrolyte
Niveau de remplissage minimum ou approfondissement maximum autorisé (dent.
Au cours du processus de remplissage, 93 µm de cuivre (B) ont été déposés dans le microvia borgne, tandis que l'épaisseur de la couche sur la surface n'est que de 22 µm (C), ce qui donne les chiffres clés suivants :
Indentation (AB) : 30.4 µm
Degré de remplissage (B/A) : 75%
Répartition des métaux (B/C) : 426%
Cela est dû principalement au mode d'action du niveleur, grâce auquel le cuivre ne se dépose pas en surface mais plutôt dans les microvias aveugles, c'est-à-dire dans les zones de faible densité de courant et de faible échange électrolytique.
Pour obtenir un bon remplissage, les additifs électrolytiques doivent être parfaitement coordonnés. La figure 8a illustre un microvia aveugle avant le remplissage, ainsi que des résultats différents, obtenus uniquement par variation des additifs électrolytiques, avec des paramètres de séparation identiques (figures 8b à e).
4.3 Nouvel électrolyte pour le remplissage de microvias aveugles
La densité d'intégration des circuits imprimés peut être encore augmentée en réduisant la largeur et l'espacement des pistes. Cependant, pour la gravure de conducteurs aussi fins, l'épaisseur de la couche de cuivre en surface doit être faible, sous peine de provoquer une forte sous-découpe et des problèmes de section du conducteur.
Comme le montre la figure 4, l'épaisseur de la couche de cuivre peut être réduite après le remplissage par amincissement, éventuellement répété, mais des étapes et des systèmes supplémentaires sont nécessaires. De plus, l'amincissement du cuivre précédemment déposé est partiellement éliminé, ce qui a un impact négatif sur l'efficacité des ressources, de l'énergie et des coûts lors de la fabrication des circuits imprimés. Afin d'éviter complètement, ou du moins de réduire, l'amincissement du cuivre, outre les exigences déjà mentionnées, l'exigence de déposer la couche de cuivre la plus fine possible lors du remplissage a été ajoutée ces dernières années.
50-70 mg/l de chlorure
3–10 ml/l supplémentaires de slotocoup SF 31
0.2–1.0 ml/l supplémentaires de slotocoup SF 32
0.2–2.0 ml/l supplémentaires de slotocoup SF 33
L'électrolyte fonctionne à des densités de courant maximales de 2 A/dm² dans la plage de température comprise entre 18°C et 22°C.
Par rapport à la génération précédente d'électrolytes, l'épaisseur de la couche de cuivre déposée à la surface a pu être considérablement réduite. Ceci est démontré par la répartition du métal, qui, lors des tests en laboratoire, atteint une valeur extrêmement élevée, supérieure à 2000 9 % (Fig. XNUMXb).
Le Slotocoup SF 30 est actuellement testé en coopération avec le partenaire taïwanais de Schlötter AGES dans le centre de développement de PCB de Taipei ouvert en 2012 dans des conditions de production dans un système continu vertical de 7200 10 litres (Fig. XNUMX).
Approfondissement : 7.0 µm
Degré de remplissage : 91%
Répartition des métaux : 740 %
La figure 11b montre un autre microvia borgne rempli de cuivre, provenant du même circuit imprimé que celui de la figure 11a. Il est à noter que, malgré une géométrie BMV non optimale, le remplissage est très bon.
Slotocup SF 30 permet également un remplissage sans défaut de microvias borgnes rapprochés avec une faible épaisseur de couche des surfaces de cuivre.Fig. 12 : Résultats des tests Slotocoup SF 30 lors du remplissage de microvias borgnes rapprochés
Les microvias borgnes très plats, qui apparaissent lorsque des diélectriques extrêmement fins sont utilisés, peuvent également être remplis sans défaut avec le nouvel électrolyte, mais cela entraîne des épaisseurs de couche de cuivre légèrement plus élevées.
5 Remplissage traversant
Une augmentation supplémentaire de la densité d'intégration des cartes de circuits imprimés HDI peut être obtenue en remplaçant les noyaux multicouches relativement épais utilisés jusqu'à présent par des noyaux nettement plus fins avec des épaisseurs comprises entre 100 µm et 200 µm.
Les cœurs très fins peuvent également comporter des trous traversants au lieu de microvias borgnes. Auparavant, ces trous traversants étaient d'abord remplis de pâte après le premier cuivrage, puis cuivrés à nouveau pour produire les pastilles. De plus, l'utilisation de pâte peut entraîner des problèmes de fiabilité.
5.1 Nouveaux électrolytes pour le remplissage des trous traversants
Dans un premier temps, des tentatives ont été faites pour utiliser les électrolytes de cuivre déjà testés pour le remplissage de microvias aveugles dans le domaine du remplissage de trous traversants. Cependant, il s'est avéré que ces électrolytes ne convenaient pas à cette application, nécessitant des travaux de développement supplémentaires. Certains résultats de laboratoire issus des travaux de développement actuels sont présentés à la figure 16.
En modifiant la composition de l'électrolyte, il a été possible d'améliorer significativement le remplissage des trous traversants (diamètre de forage d'environ 85 µm / profondeur de forage d'environ 110 µm). Les quatre dépôts présentés dans la figure 16 ont été réalisés en courant continu, avec la même durée et la même densité de courant. De plus, un seul électrolyte a été déposé pendant toute la durée du dépôt, ce qui signifie qu'aucun changement d'électrolyte n'a eu lieu au cours du dépôt.
Avec l'augmentation du rapport d'aspect, c'est-à-dire la diminution du diamètre du trou et/ou son augmentation en profondeur, le transport de masse et donc l'apport ultérieur d'ions cuivre deviennent plus difficiles. Par conséquent, le remplissage sans défaut des trous traversants, sans inclusions d'électrolyte, devient de plus en plus difficile. La figure 17 présente deux résultats de remplissage de trous traversants non préamplifiés (diamètre du trou d'environ 50 µm / profondeur du trou d'environ 160 µm).
L'électrolyte contenu dans le défaut (Fig. 17a) se dilate lorsque la carte HDI est chauffée et peut donc provoquer une fissure lors du soudage des composants ou lors d'une augmentation ultérieure de la température, ce qui peut entraîner une défaillance du système. Les travaux de développement actuels visent donc à combler de manière fiable et sans défaut les trous traversants de différents rapports d'aspect.
6 Inconclusion
Grâce à leur densité d'intégration élevée, les circuits imprimés HDI permettent de dégrouper de manière fiable les densités de connexion élevées de ces microprocesseurs dans le plus petit espace.
Le remplissage des microvias borgnes avec du cuivre déposé électrolytiquement permet d'augmenter encore la densité d'intégration des circuits imprimés HDI. Le nouvel électrolyte Slotocoup SF 30, actuellement testé à Taïwan dans des conditions de production, permet un remplissage sans défaut avec une faible épaisseur de couche de cuivre. Cela permet d'augmenter encore la densité d'intégration et de produire des circuits imprimés HDI de manière plus économe en ressources, en énergie et en coûts. La première installation chez un client est prévue pour le deuxième trimestre 2014.
La densité d'intégration peut être encore augmentée grâce à des structures dites « sans noyau », constituées de matériaux de noyau très fins. Les résultats des travaux de développement actuels montrent que le dépôt de cuivre par courant continu permet en principe de remplir les trous traversants de ces noyaux. Le résultat du remplissage, et donc la qualité de la connexion, dépendant du rapport d'aspect des trous traversants, la réalisation d'un remplissage fiable et sans défaut avec différents rapports d'aspect est actuellement au cœur des travaux de développement.
