電解銅めっきを使用してブラインドマイクロビアとスルーホールを埋めることで、PCB の集積密度を高めます。
電子回路の小型化が進むにつれ、銅充填ブラインドマイクロビアを備えたHDI回路基板の使用がますます求められています。現在、生産環境下で試験中の新開発の銅電解液は、回路基板表面の薄い銅層厚でもブラインドマイクロビアを欠陥なく充填することを可能にします。現在開発中の銅電解液は、将来的にはスルーホールの確実な充填も可能にする見込みで、既に開発作業は有望な成果を示しています。
ブラインドマイクロビアとスルーホールの充填
銅の電気めっきによるブラインドマイクロビアとスルーホールの充填により PCB の実装密度を向上します。
電子回路の小型化が進むにつれて、 HDI PCB 銅充填ブラインドマイクロビア（HDIプリント基板）の需要が高まっています。現在、生産環境を模擬した試験を実施中の新開発の銅電解液は、ブラインドマイクロビアを欠陥なく充填すると同時に、基板表面の銅堆積厚を低減することを可能にします。これにより、材料使用効率が向上し、プリント基板製造コストの削減につながります。また、現在開発中の別の銅電解液は、スルーホールを確実に充填することを約束します。
1はじめに
マイクロエレクトロニクス分野では、小型化、つまり、従来システムよりも小型で高性能でありながら、より低価格なシステムへの流れが依然として続いています。その最もよく知られた例はスマートフォンやタブレットPCで、デバイスサイズは同じ、あるいはさらに小型化されているにもかかわらず、近年その性能は飛躍的に向上しています。
HDIプリント基板（HDI：高密度相互接続）は、小型化に大きく貢献します。各PCB層の電気接続には、スルーホールの代わりに省スペースのブラインドホール（ブラインドマイクロビア）が用いられます。ブラインドマイクロビアを電解銅で充填することで（ブラインドマイクロビア充填）、集積密度をさらに高めることができます。HDI基板の用途は、モバイルエレクトロニクスに限らず、自動車分野など、他の用途でもますます広がっています。
新開発の電解液は、ブラインド マイクロビア フィリングにおいて、前世代の電解液と比較して非常に薄い層厚の銅のみを堆積するため、資源、エネルギー、コスト効率に優れた HDI プリント回路基板の製造が可能になります。
HDIプリント基板の集積密度は、極薄コア材を用いることでさらに向上させることができるため、現在、スルーホール充填用電解液（英語：Through Hole Filling）の開発を強化しています。本稿では、この分野における開発成果について紹介します。
2 マイクロエレクトロニクス分野における小型化
マイクロエレクトロニクスにおける小型化の進展を最もよく表しているのは、スマートフォンやタブレットといった高性能モバイルデバイスです。高い販売台数と継続的な成長は、これらのデバイスの魅力の高さを反映しています。2013年にはスマートフォンの販売台数が初めて1億台を超え、1.2年には約2014億台、1.8年には約2017億台に達すると予測されています[2]。タブレットPCの分野では、271年には2014億40万台の販売台数が予測されており、これは前年比で約3%の増加に相当します[XNUMX]。
これらは、非常に小型の筐体と、ますます格子状に配列された多数の接続部を備えたプロセッサに搭載されています。プロセッサの底面には、わずか976平方センチメートル弱の面積に2個の接続部があり、これは400平方ミリメートルあたり約XNUMX個の接続部に相当します。接続ピッチはわずかXNUMXマイクロメートルです。
3 プリント基板の小型化
極めて高い接続密度を持つプロセッサを省スペースかつ確実に電気的に接続するには、それに応じた高い集積密度を備えたプリント基板が必要です。しかし、従来の多層プリント基板は、個々のプリント基板層の電気的接続にスルーホールを使用するため、この用途には適していません。スルーホールの直径は比較的大きく、個々の層をプレスした後にのみ穴あけされるため、基板の厚み全体にわたって貫通穴が設けられています。その結果、隣接する層を直接接続した場合でも、実際の接続部分の上下のスペースが失われ、導体トラックなどの他の構造に使用することができません。結果として、多層プリント基板の集積密度は低くなり、上記の要件を満たすには不十分です。
数年前、高度に統合された新世代のプリント基板、いわゆるHDI基板が開発され、当初は主に携帯電話の製造に使用されました。HDIプリント基板の製造では、プリント基板の各層を順次積層していきます（SBU、Sequential Build Up）。隣接する組立位置間の電気的接続は、レーザードリル加工されたブラインドマイクロビアによって実現されます。図2は、2-4-2 HDI基板の構造を模式的に示しています。この基板は、XNUMX層の多層コアと、その両側にXNUMX層ずつの層で構成されています。
4 ブラインドマイクロビア
ブラインドマイクロビアは、スルーホールと比較して直径が50µm～150µmと小さく、Z方向には実装位置の厚さ（通常50µm～150µm）のみに伸びています。そのため、実際の接続に必要なスペースのみを占有します。そのため、HDIプリント基板は多層プリント基板よりもはるかに高い集積密度を有し、高機能電子部品の信号分離を最小限のスペースで行うのに適しています。
4.1 ブラインドマイクロビアの充填
集積密度をさらに高めることで、積層型ブラインドマイクロビア（スタックドブラインドマイクロビア）が可能になります。導電性ペーストの代わりに電解銅を充填材として使用すると、以下のさらなる利点が得られます。
信頼性の向上（ブラインドマイクロビアには銅のみが含まれ、追加のインターフェースはありません）
より優れた熱管理（熱損失は、熱伝導率の高い銅充填ブラインドマイクロビアを介して放散されます）
集積密度のさらなる向上（部品と接触するための回路基板表面に追加のパッドは不要）
銅充填ブラインドマイクロビアを備えた HDI 回路基板の製造における主なプロセス手順を図 4 に概略的に示します。さらに層を構築する場合は、プロセス手順 2 からプロセス シーケンスを再度実行する必要があります。
銅充填ブラインドマイクロビアを積み重ねることで、隣接していないアセンブリ位置であっても、最小限のスペースで導電性を確保しながら接続できます（図5）。パッドインビアまたはビアインパッド設計を採用することで、部品接続部を銅充填ブラインドマイクロビアに直接はんだ付けできるため、追加の接続面が不要となり、集積密度がさらに向上します（図6）。
4.2 ブラインドマイクロビア充填用の従来の電解質
ブラインドマイクロビア充填用の電解液には、通常、40 g/l～60 g/lの比較的高濃度の銅イオンと、10 ml/l～50 ml/lの低濃度硫酸、そして塩化物イオンが含まれています。コーティング特性を制御するために必要な有機電解添加剤は専門会社によって異なりますが、一般的には以下のXNUMXつの成分が含まれています。
塩基性添加剤（阻害剤）
穀物精製剤（活性剤）
レベラー（阻害剤）
さらに、異なるプロバイダーのメソッドでは、次の機能も異なる場合があります。
システム技術（標準垂直システム、垂直連続システム、水平連続システム）
陽極の種類（銅陽極、不溶性陽極）
電流形態（直流、パルス電流、逆パルス電流）
適用可能な電流密度
Schlötter がこれまでブラインド マイクロビアの充填に提供してきた方法は、標準の垂直システムまたは垂直連続システムで直流のみで動作します。
ブラインド マイクロビア充填の初期の頃は、プリント回路基板の電解銅コーティングの標準要件 (延性、信頼性など) に加えて、基本的に次の追加要件がありました。
電解質の混入のないブラインドマイクロビアの欠陥のない充填
最小充填レベルまたは最大許容深さ（へこみ）。
充填プロセス中に、ブラインド マイクロビアに 93 µm の銅 (B) が堆積されましたが、表面の層の厚さはわずか 22 µm (C) であり、次の主要な数値が得られました。
インデント（AB）：30.4µm
充填率（B / A）：75％
金属分布（B / C）：426%
これは主にレベラーの作用モードによるもので、これにより銅は表面に堆積されるのではなく、ブラインドマイクロビア、つまり電流密度が低く電解質交換が少ない領域に堆積されます。
良好な充填結果を得るには、電解質添加剤を綿密に調整する必要があります。図8aは、充填プロセス前のブラインドマイクロビアと、電解質添加剤の配合を変えることでのみ得られる異なる結果を示しています（図8b～e）。これは、分離パラメータが同一であるにもかかわらず、電解質添加剤の配合を変えることでのみ得られる結果です。
4.3 ブラインドマイクロビア充填用の新しい電解質
回路基板の集積密度は、トラック幅と間隔を狭くすることでさらに高めることができます。しかし、このような細い導体をエッチングする場合、表面の銅層の厚さを薄くする必要があります。そうでないと、深刻なアンダーカットや導体断面積の問題が発生する可能性があります。
図4に示すように、充填後に銅層の厚さを薄くすることは可能ですが、場合によっては銅の薄化を繰り返すことで可能です。ただし、そのためには追加のプロセスステップとシステムが必要です。さらに、銅の薄化により、以前に堆積された銅が部分的に除去されるため、プリント基板の製造における資源、エネルギー、およびコスト効率に悪影響を及ぼします。銅の薄化を完全に回避する、あるいは少なくとも低減するために、既に述べた要件に加えて、近年、充填プロセス中に可能な限り薄い銅層の厚さを堆積するという要件が追加されました。
50～70 mg / l塩化物
3～10 ml / l 追加スロトクープSF 31
0.2～1.0 ml / l 追加スロトクープSF 32
0.2～2.0 ml / l 追加スロトクープSF 33
電解質は、2 °C ～ 18 °C の温度範囲で最大 22 A/dm² の電流密度で動作します。
前世代の電解液と比較して、表面に析出する銅層の厚さは大幅に低減されました。これは金属分布からも明らかで、実験室試験では2000%を超える非常に高い値を示しました（図9b）。
Slotocoup SF 30は現在、台湾のSchlötterパートナーAGESと協力し、2012年に台北に開設されたPCB開発センターで、7200リットルの垂直連続システムの生産関連条件下でテストされています（図10）。
深化: 7.0 µm
充填率：91％
金属分布：740%
図11bは、図11aのブラインドマイクロビアと同じ基板から得られた、銅充填された別のブラインドマイクロビアを示しています。BMVの形状が最適ではないにもかかわらず、充填結果が非常に良好であることは注目に値します。
Slotocup SF 30は、銅表面の層厚が薄くても、近接したブラインドマイクロビアを欠陥なく充填することができます。図12：近接したブラインドマイクロビアを充填する際のSlotocup SF 30のテスト結果
非常に薄い誘電体を使用した場合に生じる非常に平坦なブラインド マイクロビアも、新しい電解質で欠陥なく埋めることができますが、これにより銅層の厚さがいくらか高くなります。
5 スルーホール充填
これまで使用されてきた比較的厚い多層コアを、厚さ 100 µm ～ 200 µm の大幅に薄いコアに置き換えることで、HDI プリント回路基板の集積密度をさらに高めることができます。
非常に薄いコアでは、ブラインドマイクロビアの代わりにスルーホールが使用される場合もあります。従来、これらのスルーホールは、最初の銅めっき後にペーストで充填され、その後再度銅めっきを施してパッドを形成していました。また、ペーストの使用は信頼性の問題を引き起こす可能性があります。
5.1 スルーホール充填用の新しい電解質
当初は、ブラインドマイクロビアの充填で既に試験済みの銅電解液をスルーホール充填にも適用する試みがなされました。しかし、これらの電解液はこの用途には適していないことが判明し、更なる開発作業が必要となりました。現在の開発作業におけるいくつかの実験結果を図16に示します。
電解液組成を変更することで、貫通孔（孔径約85µm／孔深さ約110µm）の充填性を大幅に向上させることができました。図16に示すXNUMXつの堆積はすべて、同じ堆積時間と電流密度で直流電流を用いて実施しました。また、堆積時間全体を通してXNUMX種類の電解液のみが堆積されたため、堆積中に電解液は変更されませんでした。
アスペクト比の増加、すなわちボアホール径の減少および／またはボアホール深さの増加に伴い、物質輸送、ひいては銅イオンの供給が困難になります。その結果、電解液介在物のない欠陥のない貫通孔充填はますます困難になります。図17は、プリアンプ処理を行わない貫通孔（ボアホール径約50µm／ボアホール深さ約160µm）の充填結果を示しています。
欠陥部（図17a）に封入された電解液は、HDI基板の加熱時に膨張するため、部品のはんだ付け時やその後の温度上昇時に、この接合部に亀裂が生じる可能性があり、システム障害につながる可能性があります。そのため、現在の開発作業の焦点は、アスペクト比の異なるスルーホールを確実に欠陥なく充填することです。
6 結論
HDI プリント回路基板は高い集積密度を備えているため、これらのマイクロプロセッサの高い接続密度を最小のスペースで確実に分離できます。
電解銅めっきでブラインドマイクロビアを充填することで、HDIプリント基板の集積密度をさらに向上させることができます。新開発の電解液「Slotocoup SF 30」は現在、台湾で実生産環境下で試験中で、薄い銅層厚でも欠陥のない充填を実現します。これにより、集積密度がさらに向上し、HDIプリント基板の生産において、資源、エネルギー、コスト効率が向上します。最初の顧客への導入は2014年第XNUMX四半期を予定しています。
非常に薄いコア材料からなる、いわゆるコアレス構造を用いることで、集積密度をさらに高めることができます。現在進行中の開発作業の結果、直流銅めっきによって、これらのコアのスルーホールを原理的に充填することが可能であることが示されています。充填結果、ひいては接続品質はスルーホールのアスペクト比に依存するため、現在、様々なアスペクト比において、欠陥のない信頼性の高い充填を実現することが開発の最優先事項となっています。
