전해 구리 증착을 사용하여 블라인드 마이크로비아와 관통홀을 채워 PCB의 통합 밀도를 높입니다.
전자 회로의 점진적인 소형화로 인해 구리로 채워진 블라인드 마이크로비아를 갖는 HDI 회로 기판의 사용이 점점 더 요구되고 있습니다. 현재 생산 환경에서 테스트 중인 새롭게 개발된 구리 전해질은 회로 기판 표면에 얇은 구리층 두께로 블라인드 마이크로비아를 결함 없이 충진할 수 있도록 합니다. 현재 개발 중인 구리 전해질은 향후 스루홀 충진에도 안정적으로 적용될 것으로 예상되며, 현재 개발 중인 연구는 이미 유망한 결과를 보여주고 있습니다.
블라인드 마이크로비아 및 관통 구멍 채우기
구리 전착을 통한 블라인드 마이크로비아와 관통홀 채우기로 PCB의 패키징 밀도 증가.
전자 회로의 점점 더 소형화됨에 따라 HDI PCB 구리로 채워진 블라인드 마이크로비아(Blind Micro-Via)를 갖춘 (HDI 인쇄 회로 기판)이 점점 더 선호되고 있습니다. 현재 시뮬레이션 생산 조건에서 테스트 중인 새롭게 개발된 구리 전해질은 블라인드 마이크로비아를 결함 없이 충진하는 동시에 기판 표면의 구리 증착 두께를 줄여줍니다. 이를 통해 재료의 효율적인 사용이 가능해져 PCB 제조 비용이 절감됩니다. 현재 개발 중인 또 다른 구리 전해질은 스루홀(Through-Hole) 충진을 안정적으로 가능하게 할 것으로 기대됩니다.
1 소개
마이크로일렉트로닉스 분야에서는 여전히 소형화 추세가 지속되고 있습니다. 즉, 기존 시스템보다 더 작고 강력하면서도 가격도 저렴한 시스템을 지향하는 추세입니다. 이러한 추세의 가장 잘 알려진 예로는 스마트폰과 태블릿 PC가 있는데, 기기 크기는 동일하거나 더 작음에도 불구하고 최근 몇 년 동안 성능이 크게 향상되었습니다.
HDI 인쇄 회로 기판(HDI: High-Density Interconnect)은 소형화에 크게 기여합니다. 각 PCB 층의 전기적 연결을 위해 관통 홀 대신 공간 절약형 블라인드 홀(블라인드 마이크로비아)을 사용합니다. 블라인드 마이크로비아에 전해 도금 구리를 충진(블라인드 마이크로비아 충진)하면 집적도를 더욱 높일 수 있습니다. HDI 회로 기판은 더 이상 모바일 전자기기에만 국한되지 않고 자동차 분야와 같은 다른 분야에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
새로 개발된 전해질은 블라인드 마이크로비아 필링에서 이전 세대 전해질에 비해 매우 얇은 구리 층 두께만 증착하여 HDI 인쇄 회로 기판의 자원, 에너지 및 비용 효율적인 생산을 가능하게 합니다.
HDI 인쇄 회로 기판의 집적도는 매우 얇은 코어 소재를 사용하여 더욱 향상될 수 있으므로, 현재 스루홀 충진용 전해질(스루홀 충진) 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 이 분야의 개발 연구 결과를 소개합니다.
2 마이크로 전자공학 분야의 소형화
마이크로 전자공학의 점진적인 소형화의 가장 잘 알려진 대표 제품은 스마트폰과 태블릿과 같은 매우 강력한 모바일 기기입니다. 높고 지속적으로 증가하는 판매 수치는 이러한 기기의 큰 매력을 반영합니다. 2013년에 스마트폰이 처음으로 1억 대를 넘어섰고, 1.2년에는 약 2014억 대, 1.8년에는 약 2017억 대의 판매가 예상됩니다[2]. 태블릿 PC 분야에서는 271년에 2014억 40만 대의 기기 판매가 예상되며, 이는 전년 대비 거의 3% 증가한 수치입니다[XNUMX].
이 프로세서들은 매우 작은 하우징 크기와 점점 더 격자 모양으로 연결되는 수많은 연결부를 가진 프로세서에 설치됩니다. 프로세서 밑면에는 976cm² 미만의 면적에 2개의 연결부가 있으며, 이는 제곱밀리미터당 약 400개의 연결부에 해당합니다. 연결부의 간격은 XNUMXµm에 불과합니다.
3 인쇄 회로 기판 분야의 소형화
매우 높은 연결 밀도를 가진 프로세서의 공간 절약 및 안정적인 전기 연결을 위해서는 그에 상응하는 높은 집적 밀도를 가진 인쇄 회로 기판이 필요합니다. 그러나 기존의 다층 인쇄 회로 기판은 개별 인쇄 회로 기판 층의 전기적 연결을 위해 관통 구멍을 사용하기 때문에 이에 적합하지 않습니다. 관통 구멍은 비교적 큰 직경을 가지고 있으며, 개별 층을 압착한 후에만 드릴링되기 때문에 전체 회로 기판 두께에 걸쳐 확장됩니다. 결과적으로 바로 인접한 층을 연결하더라도 실제 연결부의 위아래 공간이 손실되어 도체 트랙과 같은 다른 구조에 사용할 수 없습니다. 결과적으로 다층 회로 기판의 낮은 집적 밀도는 위에서 설명한 요구 사항을 충족하지 못합니다.
몇 년 전, 고집적 인쇄 회로 기판의 새로운 세대인 소위 HDI 회로 기판이 개발되었는데, 이는 초기에는 주로 휴대폰 생산에 사용되었습니다. HDI 인쇄 회로 기판을 제조할 때, 각 인쇄 회로 기판 층은 순차적으로 적층됩니다(SBU, Sequential Build Up). 인접한 조립 위치 간의 전기적 연결은 레이저로 드릴링된 블라인드 마이크로비아를 사용하여 구현됩니다. 그림 2는 2-4-2 HDI 회로 기판의 구조를 개략적으로 보여줍니다. 즉, 회로 기판은 XNUMX층 다층 코어와 각 면에 XNUMX개의 층으로 구성됩니다.
4 블라인드 마이크로비아
블라인드 마이크로비아는 관통홀에 비해 직경이 50µm에서 150µm 사이로 더 작으며, 실장 위치(일반적으로 50µm에서 150µm)의 두께에 걸쳐 z 방향으로만 확장됩니다. 따라서 실제 연결에 필요한 공간만큼만 차지합니다. 따라서 HDI 인쇄 회로 기판은 다층 인쇄 회로 기판보다 집적도가 훨씬 높아 최소 공간에서 고기능 전자 부품의 신호 분리에 적합합니다.
4.1 블라인드 마이크로비아 채우기
집적 밀도가 더욱 증가하면 적층 블라인드 마이크로비아(stacked blind microvias)가 가능해집니다. 전도성 페이스트 대신 전해 도금 구리를 충진재로 사용하면 다음과 같은 추가적인 이점을 얻을 수 있습니다.
신뢰성 증가(블라인드 마이크로비아에는 구리만 포함되어 있으며 추가 인터페이스가 없습니다)
더 나은 열 관리(열 손실은 열전도성이 높은 구리로 채워진 블라인드 마이크로비아를 통해 소산될 수 있음)
통합 밀도가 더욱 높아짐(구성요소 접촉을 위해 회로기판 표면에 추가 패드(pad)가 필요 없음)
그림 4는 구리로 채워진 블라인드 마이크로비아를 갖춘 HDI 회로 기판을 제조하는 주요 공정 단계를 개략적으로 보여줍니다. 추가 층을 구축해야 하는 경우 공정 단계 2부터 다시 공정 순서를 실행해야 합니다.
구리로 채워진 블라인드 마이크로비아를 서로 적층하면 인접하지 않은 어셈블리 위치도 최소한의 공간만 차지하면서 전기 전도성으로 연결할 수 있습니다(그림 5). 패드-인-비아 또는 비아-인-패드 설계를 사용하면 부품 연결을 구리로 채워진 블라인드 마이크로비아에 직접 납땜할 수 있어 추가 연결 표면이 필요하지 않으므로 집적도가 더욱 향상됩니다(그림 6).
4.2 블라인드 마이크로비아 충전을 위한 이전 전해질
일반적으로 블라인드 마이크로비아 충진용 전해액은 40g/l에서 60g/l 범위의 비교적 고농도 구리 이온과 10ml/l에서 50ml/l 범위의 저농도 황산, 그리고 염화물 이온을 함유합니다. 코팅 특성 제어에 필요한 유기 전해액 첨가제는 전문 회사마다 다르지만, 대부분 다음 세 가지 성분이 전해액 첨가제에 함유되어 있습니다.
염기성 첨가제(억제제)
곡물 정제제(활성제)
레벨러(억제제)
또한, 다양한 공급업체의 방법은 다음과 같은 특징에 있어서도 다를 수 있습니다.
시스템 기술(표준 수직 시스템, 수직 연속 시스템, 수평 연속 시스템)
양극형(구리 양극, 불용성 양극)
전류형태(직류, 펄스전류, 역펄스전류)
적용 전류 밀도
Schlötter가 이전에 제시한 블라인드 마이크로비아 충진 방법은 표준 수직 시스템이나 수직 연속 시스템에서 직류 전류로만 작동합니다.
블라인드 마이크로비아 충진의 초창기에는 인쇄 회로 기판용 전해 도금 구리 코팅에 대한 표준 요구 사항(예: 연성, 신뢰성) 외에도 다음과 같은 추가 요구 사항이 있었습니다.
전해질 포함 없이 블라인드 마이크로비아의 결함 없는 충전
최소 충전 수준 또는 최대 허용 심화(움푹 들어간 부분)
충전 과정 동안 블라인드 마이크로비아에 93µm의 구리(B)가 증착된 반면, 표면의 층 두께는 22µm(C)에 불과하여 다음과 같은 주요 수치가 나타났습니다.
압입(AB): 30.4µm
충전도(B/A) : 75%
금속 분포(B/C) : 426%
이는 주로 평준화제의 작용 방식 때문인데, 이 방식을 통해 구리는 표면에 증착되지 않고 블라인드 마이크로비아, 즉 전류 밀도가 낮고 전해액 교환이 적은 영역에 증착됩니다.
양호한 충전 결과를 얻으려면 전해질 첨가제가 매우 잘 조화되어야 합니다. 그림 8a는 충전 공정 전 블라인드 마이크로비아와 다양한 결과를 보여줍니다. 이는 전해질 첨가제의 변화를 통해서만 가능한데, 그 외에는 동일한 분리 매개변수를 사용합니다(그림 8b-e).
4.3 블라인드 마이크로비아 충전을 위한 새로운 전해질
회로 기판의 집적도는 트랙 폭과 간격을 줄임으로써 더욱 증가시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 미세 도체를 에칭하기 위해서는 표면의 구리층 두께가 얇아야 합니다. 그렇지 않으면 심각한 언더컷과 도체 단면 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.
그림 4에서 볼 수 있듯이, 구리층 두께는 충진 후, 어쩌면 반복적인 구리 박막화 공정을 통해 감소시킬 수 있지만, 이를 위해서는 추가적인 공정 단계와 시스템이 필요합니다. 또한, 이전에 증착된 구리의 박막화가 부분적으로 제거되어 인쇄 회로 기판 제조 시 자원, 에너지 및 비용 효율성에 부정적인 영향을 미칩니다. 구리 박막화를 완전히 방지하거나 최소한 줄이기 위해, 이미 언급한 요건 외에도 충진 공정에서 가능한 한 얇은 구리층을 증착해야 한다는 요건이 최근 몇 년 동안 추가되었습니다.
50-70mg/l 염화물
3–10ml / l 추가 슬로토쿠프 SF 31
0.2–1.0ml / l 추가 슬로토쿠프 SF 32
0.2–2.0ml / l 추가 슬로토쿠프 SF 33
전해질은 2°C~18°C의 온도 범위에서 최대 22A/dm²의 전류 밀도로 작동합니다.
이전 세대 전해질과 비교했을 때, 표면에 증착되는 구리층 두께를 크게 줄일 수 있었습니다. 이는 금속 분포를 통해 알 수 있는데, 실험실 테스트에서 2000% 이상의 매우 높은 값을 보였습니다(그림 9b).
Slotocoup SF 30은 현재 2012년에 개장한 타이베이 PCB 개발 센터에서 대만의 Schlötter 파트너인 AGES와 협력하여 생산 관련 조건 하에 7200리터 수직 연속 시스템(그림 10)에서 테스트 중입니다.
심화: 7.0µm
충전도 : 91%
금속 분포: 740%
그림 11b는 그림 11a의 블라인드 마이크로비아와 동일한 회로 기판에서 제작된 또 다른 구리 충전 블라인드 마이크로비아를 보여줍니다. BMV 형상이 최적이 아님에도 불구하고 충전 결과가 매우 우수하다는 점은 주목할 만합니다.
Slotocup SF 30은 또한 구리 표면의 얇은 층 두께로 인해 간격이 좁은 블라인드 마이크로비아를 결함 없이 채울 수 있습니다.그림 12: 간격이 좁은 블라인드 마이크로비아를 채울 때의 Slotocoup SF 30 테스트 결과
매우 얇은 유전체를 사용했을 때 생기는 매우 평평한 블라인드 마이크로비아도 새로운 전해질로 결함 없이 채울 수 있지만, 이렇게 하면 구리 층 두께가 다소 두꺼워집니다.
5 관통 구멍 채우기
지금까지 사용되어 온 비교적 두꺼운 다층 코어를 100µm~200µm 두께의 훨씬 얇은 코어로 교체하면 HDI 인쇄 회로 기판의 집적 밀도를 더욱 높일 수 있습니다.
매우 얇은 코어는 블라인드 마이크로비아 대신 관통 홀을 가질 수도 있습니다. 이전에는 이러한 관통 홀을 1차 구리 도금 후 페이스트로 채운 후 다시 구리 도금하여 패드를 제작했습니다. 또한, 페이스트를 사용하면 신뢰성 문제가 발생할 수 있습니다.
5.1 관통홀 충진을 위한 새로운 전해질
처음에는 블라인드 마이크로비아 충진에 이미 시험 및 검증된 구리 전해질을 스루홀 충진 영역에 사용하려는 시도가 있었습니다. 그러나 이러한 전해질이 이 응용 분야에 적합하지 않다는 것이 밝혀져 추가 개발이 필요했습니다. 현재 개발 중인 일부 실험실 결과는 그림 16에 나와 있습니다.
전해질 조성을 변경함으로써 관통공(시추공 직경 약 85µm / 시추공 깊이 약 110µm) 충진 효율을 크게 향상시킬 수 있었습니다. 그림 16에 표시된 네 가지 증착은 모두 동일한 증착 시간과 전류 밀도로 직류 전류를 사용하여 수행되었습니다. 또한, 전체 증착 기간 동안 단 하나의 전해질만 증착되었으므로 증착 과정에서 전해질 변화가 없었습니다.
종횡비가 증가함에 따라, 즉 시추공 직경이 감소하거나 시추공 깊이가 증가함에 따라, 물질 이동과 그에 따른 구리 이온의 전달이 더욱 어려워집니다. 결과적으로, 전해질 내포물 없이 관통공을 결함 없이 채우는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 그림 17은 사전 증폭되지 않은 관통공(시추공 직경 약 50µm / 시추공 깊이 약 160µm)의 두 가지 충진 결과를 보여줍니다.
결함(그림 17a)에 포함된 전해질은 HDI 회로 기판이 가열되면 팽창하여 부품 납땜 중 또는 이후 온도가 상승할 때 이 연결부에 균열이 발생할 수 있으며, 이는 시스템 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 현재 개발 작업의 초점은 다양한 종횡비를 가진 관통홀을 결함 없이 안정적으로 충진하는 것입니다.
6 결론 없음
HDI 인쇄 회로 기판은 높은 집적 밀도 덕분에 이러한 마이크로프로세서의 높은 연결 밀도를 가장 작은 공간에서 안정적으로 분리할 수 있습니다.
블라인드 마이크로비아에 전해 도금 구리를 충진함으로써 HDI 인쇄 회로 기판의 집적도를 더욱 높일 수 있습니다. 현재 대만에서 생산 관련 조건으로 테스트 중인 새롭게 개발된 전해질 Slotocoup SF 30은 얇은 구리층 두께로 결함 없는 충진을 가능하게 합니다. 이를 통해 집적도가 더욱 향상되고 HDI 인쇄 회로 기판의 자원, 에너지 및 비용 효율성이 더욱 높아집니다. 고객사에 대한 첫 번째 설치는 2014년 XNUMX분기로 예정되어 있습니다.
매우 얇은 코어 재료로 구성된 소위 코어리스 구조를 사용하면 집적 밀도를 더욱 높일 수 있습니다. 현재 개발 연구 결과에 따르면, 구리를 직류로 증착하면 이러한 코어의 관통 구멍을 채우는 것이 원칙적으로 가능합니다. 관통 구멍의 종횡비에 따라 충진 결과와 연결 품질이 결정되므로, 다양한 종횡비를 가진 신뢰성 있고 결함 없는 충진을 구현하는 것이 현재 개발 연구의 최우선 과제입니다.
