Aumentare la densità di integrazione del PCB riempiendo i microvia ciechi e i fori passanti mediante deposizione elettrolitica di rame.
La progressiva miniaturizzazione dei circuiti elettronici richiede sempre più l'utilizzo di circuiti stampati HDI con microvia cieche riempite di rame. Un elettrolita di rame di nuova concezione, attualmente in fase di test in condizioni di produzione, consente il riempimento senza difetti delle microvia cieche con uno spessore ridotto dello strato di rame sulla superficie del circuito stampato. Un elettrolita di rame attualmente in fase di sviluppo dovrebbe consentire anche il riempimento affidabile dei fori passanti in futuro: l'attuale lavoro di sviluppo sta già mostrando risultati promettenti.
Riempimento di microvie cieche e fori passanti
Aumento della densità di confezionamento dei PCB mediante il riempimento di microvia cieche e fori passanti mediante elettrodeposizione di rame.
La crescente miniaturizzazione dei circuiti elettronici rende l'uso di PCB HDI (Circuiti stampati HDI) con micro-via cieche riempite di rame, sempre più richiesti. Un elettrolita di rame di nuova concezione, attualmente in fase di test in condizioni di produzione simulate, consentirà il riempimento senza difetti delle micro-via cieche, consentendo al contempo di ridurre lo spessore del deposito di rame sulla superficie della scheda. Ciò comporta un utilizzo più efficiente dei materiali e quindi una riduzione dei costi di produzione dei PCB. Un altro elettrolita di rame, attualmente in fase di sviluppo, promette di consentire un riempimento affidabile dei fori passanti.
1 Introduzione
Nella microelettronica, si assiste ancora a una tendenza alla miniaturizzazione, ovvero verso sistemi più piccoli e potenti, che si suppone siano anche meno costosi rispetto ai sistemi precedenti. Gli esempi più noti sono gli smartphone e i tablet PC, le cui prestazioni, nonostante le dimensioni invariate o addirittura inferiori, sono aumentate significativamente negli ultimi anni.
I circuiti stampati HDI (High-Density Interconnect) contribuiscono in modo significativo alla miniaturizzazione. Per la connessione elettrica dei singoli strati del PCB, vengono utilizzati fori ciechi salvaspazio (blind microvia) al posto dei fori passanti. La densità di integrazione può essere ulteriormente aumentata riempiendo i microvia ciechi con rame depositato elettroliticamente (blind microvia filling). Nel frattempo, l'utilizzo dei circuiti stampati HDI non è più limitato all'elettronica mobile, ma viene sempre più utilizzato anche in altre applicazioni, ad esempio nel settore automobilistico.
Un elettrolita di nuova concezione, che nel riempimento di microvia cieche deposita solo uno spessore di strato di rame molto ridotto rispetto alla precedente generazione di elettroliti, consente la produzione di circuiti stampati HDI efficiente in termini di risorse, energia e costi.
Poiché la densità di integrazione dei circuiti stampati HDI può essere ulteriormente aumentata utilizzando materiali di base molto sottili, lo sviluppo di elettroliti per il riempimento di fori passanti (in inglese: Through Hole Filling) è attualmente in fase di sviluppo. Vengono presentati i risultati del lavoro di sviluppo in questo ambito.
2 La miniaturizzazione nel campo della microelettronica
I rappresentanti più noti della progressiva miniaturizzazione nella microelettronica sono dispositivi mobili molto potenti come smartphone e tablet. Le cifre di vendita elevate e in costante crescita riflettono la grande attrattività di questi dispositivi. Nel 2013 sono stati venduti per la prima volta oltre 1 miliardo di smartphone, si prevedono vendite di circa 1.2 miliardi nel 2014 e circa 1.8 miliardi nel 2017 [2]. Nel settore dei tablet PC, si prevede una vendita di 271 milioni di dispositivi per il 2014, che corrisponde a un aumento di quasi il 40% rispetto all'anno precedente [3].
Questi sono installati in processori con dimensioni del case molto ridotte e un numero molto elevato di connessioni sempre più simili a una griglia. La parte inferiore del processore presenta 976 connessioni su una superficie di poco inferiore a 2 cm², il che corrisponde a circa cinque connessioni per millimetro quadrato. Il passo delle connessioni è di soli 400 µm.
3 Miniaturizzazione nel settore dei circuiti stampati
Per un collegamento elettrico affidabile e salvaspazio di processori con densità di connessione estremamente elevate, sono necessarie schede a circuito stampato con una densità di integrazione corrispondentemente elevata. Il classico circuito stampato multistrato non è tuttavia adatto a questo scopo, poiché utilizza fori passanti per il collegamento elettrico dei singoli strati del circuito stampato. Questi hanno diametri relativamente grandi e, poiché vengono forati solo dopo la pressatura dei singoli strati, si estendono per l'intero spessore del circuito stampato. La conseguenza è che, anche quando si collegano strati direttamente adiacenti, lo spazio sopra e sotto la connessione effettiva viene perso e quindi non può essere utilizzato per altre strutture, ad esempio piste conduttrici. La conseguente bassa densità di integrazione dei circuiti stampati multistrato non è sufficiente a soddisfare i requisiti sopra descritti.
Alcuni anni fa è stata quindi sviluppata una nuova generazione di circuiti stampati altamente integrati, i cosiddetti circuiti stampati HDI, inizialmente utilizzati principalmente per la produzione di telefoni cellulari. Nella produzione di circuiti stampati HDI, i singoli strati del circuito stampato vengono costruiti in successione (SBU, Sequential Build Up). Il collegamento elettrico delle posizioni di assemblaggio adiacenti viene realizzato utilizzando microvia cieche forate al laser. La Figura 2 mostra schematicamente la struttura di un circuito stampato HDI 2-4-2, ovvero il circuito stampato è costituito da un nucleo multistrato a quattro strati e due strati su ciascun lato.
4 Microvia cieca
Rispetto ai fori passanti, le microvia cieche hanno diametri inferiori, compresi tra 50 µm e 150 µm, e si estendono in direzione z solo per lo spessore della posizione di montaggio (tipicamente tra 50 µm e 150 µm). Occupano solo lo spazio effettivamente necessario per la connessione. I circuiti stampati HDI presentano quindi una densità di integrazione molto più elevata rispetto ai circuiti stampati multistrato e sono quindi adatti per la separazione dei segnali di componenti elettronici altamente funzionali in spazi ridotti.
4.1 Riempimento di microvia cieca
Un ulteriore aumento della densità di integrazione consente la creazione di microvie cieche impilate (stacked blind microvias). L'utilizzo di rame depositato elettroliticamente per il riempimento al posto della pasta conduttiva comporta i seguenti ulteriori vantaggi:
Maggiore affidabilità (i microvia ciechi contengono solo rame, non c'è alcuna interfaccia aggiuntiva)
migliore gestione del calore (la perdita di calore può essere dissipata tramite microvia cieche riempite di rame e altamente conduttive al calore)
Ulteriore aumento della densità di integrazione (non sono necessari pad aggiuntivi sulla superficie del circuito stampato per il contatto dei componenti)
Le principali fasi del processo di produzione di circuiti stampati HDI con microvia cieche riempite di rame sono illustrate schematicamente nella Figura 4. Se è necessario realizzare un ulteriore strato, la sequenza del processo deve essere ripetuta a partire dalla fase 2.
L'impilamento di microvia cieche riempite di rame una sopra l'altra consente di collegare elettricamente anche posizioni di assemblaggio non adiacenti con il minimo ingombro (Fig. 5). L'utilizzo di configurazioni pad-in-via o via-in-pad aumenta ulteriormente la densità di integrazione, poiché le connessioni dei componenti possono essere saldate direttamente sulle microvia cieche riempite di rame, eliminando così la necessità di superfici di collegamento aggiuntive (Fig. 6).
4.2 Elettroliti precedenti per il riempimento di microvie cieche
In genere, gli elettroliti per il riempimento di microvie cieche contengono una concentrazione relativamente elevata di ioni rame, compresa tra 40 g/l e 60 g/l, in combinazione con una bassa concentrazione di acido solforico, compresa tra 10 ml/l e 50 ml/l, e ioni cloruro. Gli additivi elettrolitici organici necessari per controllare le proprietà del rivestimento variano da un'azienda specializzata all'altra, ma in genere i seguenti tre componenti sono contenuti negli additivi elettrolitici:
Additivo basico (inibitore)
Raffinatore di cereali (attivatore)
Livellatore (inibitore)
Inoltre, i metodi dei diversi provider possono differire anche nelle seguenti caratteristiche:
Tecnologia di sistema (sistema verticale standard, sistema continuo verticale, sistema continuo orizzontale)
Tipo di anodo (anodo di rame, anodo insolubile)
Forma corrente (corrente continua, corrente pulsata, corrente pulsata inversa)
densità di corrente applicabile
I metodi finora proposti da Schlötter per il riempimento di microvie cieche funzionano esclusivamente con corrente continua in sistemi verticali standard o sistemi verticali continui.
Nei primi anni del riempimento cieco di microvia, oltre ai requisiti standard per i rivestimenti in rame depositati elettroliticamente per circuiti stampati (ad esempio duttilità, affidabilità), erano essenzialmente previsti i seguenti requisiti aggiuntivi:
riempimento senza difetti delle microvie cieche senza inclusioni elettrolitiche
Livello minimo di riempimento o massimo approfondimento consentito (dent.
Durante il processo di riempimento, nella microvia cieca sono stati depositati 93 µm di rame (B), mentre lo spessore dello strato sulla superficie è di soli 22 µm (C), con i seguenti risultati chiave:
Indentazione (AB): 30.4 µm
Grado di riempimento (B/A): 75%
Distribuzione dei metalli (B/C): 426%
Ciò è dovuto principalmente al meccanismo d'azione del livellatore, mediante il quale il rame non si deposita sulla superficie ma nelle microvie cieche, cioè nelle zone a bassa densità di corrente e basso scambio elettrolitico.
Per ottenere un buon risultato di riempimento, gli additivi elettrolitici devono essere ben coordinati. La Figura 8a mostra una microvia cieca prima del processo di riempimento e risultati diversi, che possono essere ottenuti solo variando gli additivi elettrolitici, mantenendo altrimenti invariati i parametri di separazione (Fig. 8b – e).
4.3 Nuovo elettrolita per il riempimento di microvie cieche
La densità di integrazione dei circuiti stampati può essere ulteriormente aumentata riducendo la larghezza e la spaziatura delle tracce. Per l'incisione di conduttori così sottili, tuttavia, lo spessore dello strato di rame sulla superficie deve essere ridotto, altrimenti si possono verificare gravi sottosquadri e problemi con la sezione trasversale del conduttore.
Come mostrato in Figura 4, lo spessore dello strato di rame può essere ridotto dopo il riempimento con un assottigliamento del rame, eventualmente ripetuto, ma a questo scopo sono necessari ulteriori passaggi di processo e sistemi. Inoltre, l'assottigliamento del rame precedentemente depositato viene parzialmente rimosso, il che ha un impatto negativo sull'efficienza di risorse, energia ed economici nella produzione di circuiti stampati. Per evitare completamente, o almeno ridurre, l'assottigliamento del rame, negli ultimi anni è stato aggiunto, oltre ai requisiti già menzionati, anche quello di depositare lo spessore di strato di rame più piccolo possibile durante il processo di riempimento.
50-70 mg/l di cloruro
3–10 ml / l di slotocoup SF 31 aggiuntivo
0.2–1.0 ml / l di slotocoup SF 32 aggiuntivo
0.2–2.0 ml / l di slotocoup SF 33 aggiuntivo
L'elettrolita funziona a densità di corrente massime di 2 A/dm² nell'intervallo di temperatura compreso tra 18 °C e 22 °C.
Rispetto alla precedente generazione di elettroliti, lo spessore dello strato di rame depositato sulla superficie è stato notevolmente ridotto. Ciò è dimostrato dalla distribuzione del metallo, che nel test di laboratorio ha raggiunto un valore estremamente elevato, superiore al 2000% (Fig. 9b).
Attualmente, Slotocoup SF 30 viene testato in collaborazione con il partner taiwanese Schlötter AGES nel PCB Development Center di Taipei, inaugurato nel 2012, in condizioni di produzione in un sistema continuo verticale da 7200 litri (Fig. 10).
Approfondimento: 7.0 µm
Grado di riempimento: 91%
Distribuzione dei metalli: 740%
La Figura 11b mostra un'altra Microvia cieca riempita di rame, proveniente dallo stesso circuito stampato della Microvia cieca in Figura 11a. È interessante notare che, nonostante la geometria non ottimale della BMV, il risultato di riempimento è molto buono.
Slotocup SF 30 consente inoltre il riempimento senza difetti di microvia cieche ravvicinate con uno spessore ridotto dello strato delle superfici in rame.Fig. 12: Risultati del test Slotocoup SF 30 durante il riempimento di microvia cieche ravvicinate
Anche le microvia cieche molto piatte, che si formano quando si utilizzano dielettrici estremamente sottili, possono essere riempite senza difetti con il nuovo elettrolita, ma ciò comporta spessori degli strati di rame leggermente maggiori.
5 Riempimento passante
Un ulteriore aumento della densità di integrazione dei circuiti stampati HDI può essere ottenuto sostituendo i nuclei multistrato relativamente spessi finora utilizzati con nuclei significativamente più sottili, con spessori compresi tra 100 µm e 200 µm.
Anche i core molto sottili possono presentare fori passanti al posto delle microvie cieche. In precedenza, questi fori passanti venivano riempiti con pasta dopo la prima ramatura e poi nuovamente ramati per produrre i pad. Inoltre, l'uso di pasta può causare problemi di affidabilità.
5.1 Nuovi elettroliti per il riempimento passante
Inizialmente, si è tentato di utilizzare gli elettroliti di rame già sperimentati e testati nel riempimento di microvie cieche nell'ambito del riempimento di fori passanti. Tuttavia, si è dimostrato che questi elettroliti non sono adatti a questa applicazione, rendendo necessari ulteriori studi di sviluppo. Alcuni risultati di laboratorio derivanti dall'attuale lavoro di sviluppo sono mostrati in Figura 16.
Modificando la composizione dell'elettrolita, è stato possibile migliorare significativamente il riempimento dei fori passanti (diametro del foro di circa 85 µm / profondità del foro di circa 110 µm). Tutte e quattro le deposizioni mostrate in Figura 16 sono state eseguite con corrente continua, con lo stesso tempo di deposizione e la stessa densità di corrente. Inoltre, è stato depositato un solo elettrolita durante l'intero periodo di deposizione, ovvero non si è verificata alcuna variazione dell'elettrolita nel corso della deposizione.
Con l'aumento del rapporto d'aspetto, ovvero con la diminuzione del diametro del foro e/o l'aumento della profondità del foro, il trasporto di massa e quindi il successivo rilascio di ioni di rame diventano più difficoltosi. Di conseguenza, il riempimento dei fori passanti senza difetti e inclusioni elettrolitiche diventa sempre più difficile. La Figura 17 mostra due risultati di riempimento di fori passanti non preamplificati (diametro del foro di circa 50 µm / profondità del foro di circa 160 µm).
L'elettrolita racchiuso nel difetto (Fig. 17a) si espande quando il circuito stampato HDI viene riscaldato e può quindi causare una cricca in questa connessione già durante la saldatura dei componenti o in caso di successivo aumento della temperatura, con conseguente possibile guasto del sistema. L'obiettivo dell'attuale lavoro di sviluppo è quindi il riempimento affidabile e privo di difetti di fori passanti con diversi rapporti d'aspetto.
6 Inconclusion
Grazie alla loro elevata densità di integrazione, i circuiti stampati HDI consentono di separare in modo affidabile le elevate densità di connessione di questi microprocessori nel minimo spazio.
Riempiendo i microfori ciechi con rame depositato elettroliticamente, è possibile aumentare ulteriormente la densità di integrazione dei circuiti stampati HDI. Il nuovo elettrolita Slotocoup SF 30, attualmente in fase di test a Taiwan in condizioni di produzione, consente un riempimento privo di difetti con uno spessore ridotto dello strato di rame. Ciò consente un ulteriore aumento della densità di integrazione e una produzione di circuiti stampati HDI più efficiente in termini di risorse, energia e costi. La prima installazione presso un cliente è prevista per il secondo trimestre del 2014.
La densità di integrazione può essere ulteriormente aumentata mediante le cosiddette strutture senza nucleo, costituite da materiali di nucleo molto sottili. I risultati degli attuali studi di sviluppo mostrano che la deposizione di rame in corrente continua consente, in linea di principio, di riempire i fori passanti in questi nuclei. Poiché il risultato del riempimento e, di conseguenza, la qualità della connessione dipendono dal rapporto d'aspetto dei fori passanti, la realizzazione di un riempimento affidabile e privo di difetti con diversi rapporti d'aspetto è attualmente in primo piano negli studi di sviluppo.
