Verhoog de integratiedichtheid van PCB's door blinde microvia's en doorlopende gaten te vullen met behulp van elektrolytische koperafzetting.
De voortschrijdende miniaturisatie van elektronische schakelingen vereist steeds vaker het gebruik van HDI-printplaten met kopergevulde blinde microvia's. Een nieuw ontwikkelde koperelektrolyt, die momenteel onder productieomstandigheden wordt getest, maakt het mogelijk om blinde microvia's defectvrij te vullen met een geringe koperlaagdikte op het printplaatoppervlak. Een koperelektrolyt die momenteel in ontwikkeling is, zou in de toekomst ook het betrouwbaar vullen van doorlopende gaten mogelijk moeten maken – de huidige ontwikkelingen laten al veelbelovende resultaten zien.
Vullen van blinde microvia's en doorlopende gaten
Verhoging van de verpakkingsdichtheid van PCB's door het vullen van blinde microvia's en doorlopende gaten door middel van elektrolytische afzetting van koper.
De toenemende miniaturisering van elektronische schakelingen maakt het gebruik van HDI PCB (HDI-printplaten) met kopergevulde blinde microvia's worden steeds populairder. Een nieuw ontwikkelde koperelektrolyt, die momenteel wordt getest in gesimuleerde productieomstandigheden, maakt het mogelijk om blinde microvia's foutloos te vullen en tegelijkertijd de dikte van de koperafzetting op het printplaatoppervlak te verminderen. Dit brengt een efficiënter materiaalgebruik met zich mee en dus een verlaging van de productiekosten van printplaten. Een andere koperelektrolyt die nu in ontwikkeling is, belooft een betrouwbare vulling van doorlopende gaten mogelijk te maken.
1 Inleiding
In de micro-elektronica is er nog steeds een trend naar miniaturisatie, dat wil zeggen naar kleinere en krachtigere systemen die ook goedkoper zouden moeten zijn dan eerdere systemen. De bekendste voorbeelden hiervan zijn smartphones en tablet-pc's, waarvan de prestaties – ondanks een gelijkblijvend of zelfs kleiner apparaatformaat – de afgelopen jaren aanzienlijk zijn verbeterd.
HDI-printplaten (HDI: High-Density Interconnect) leveren een belangrijke bijdrage aan miniaturisatie. Voor de elektrische verbinding van afzonderlijke PCB-lagen worden ruimtebesparende blinde gaten (blinde microvia's) gebruikt in plaats van doorgaande gaten. De integratiedichtheid kan verder worden verhoogd door de blinde microvia's te vullen met elektrolytisch aangebracht koper (blinde microviavulling). Inmiddels is het gebruik van HDI-printplaten niet langer beperkt tot mobiele elektronica, maar wordt het ook steeds vaker toegepast in andere toepassingen, bijvoorbeeld in de automobielsector.
Een nieuw ontwikkelde elektrolyt, die in de Blind Microvia Filling slechts een zeer geringe laagdikte koper afzet vergeleken met de vorige generatie elektrolyten, maakt een grondstoffen-, energie- en kostenefficiënte productie van HDI-printplaten mogelijk.
Omdat de integratiedichtheid van HDI-printplaten nog verder kan worden verhoogd door het gebruik van zeer dunne kernmaterialen, wordt momenteel de ontwikkeling van elektrolyten voor het vullen van doorlopende gaten (Through Hole Filling) geïntensiveerd. De resultaten van het ontwikkelingswerk op dit gebied worden gepresenteerd.
2 Miniaturisering op het gebied van de micro-elektronica
De bekendste vertegenwoordigers van de voortschrijdende miniaturisatie in de micro-elektronica zijn zeer krachtige mobiele apparaten zoals smartphones en tablets. De hoge en constant groeiende verkoopcijfers weerspiegelen de grote aantrekkingskracht van deze apparaten. In 2013 werden voor het eerst meer dan 1 miljard smartphones verkocht, in 1.2 wordt een verkoop van ongeveer 2014 miljard verwacht en in 1.8 van ongeveer 2017 miljard [2]. Op het gebied van tablet-pc's wordt voor 271 een verkoop van 2014 miljoen apparaten voorspeld, wat overeenkomt met een stijging van bijna 40% ten opzichte van het voorgaande jaar [3].
Deze worden geïnstalleerd in processoren met zeer kleine behuizingen en een zeer groot aantal steeds meer rasterachtige aansluitingen. De onderzijde van de processor heeft 976 aansluitingen op een oppervlakte van iets minder dan 2 cm², wat overeenkomt met ongeveer vijf aansluitingen per vierkante millimeter. De steek van de aansluitingen bedraagt slechts 400 µm.
3 Miniaturisering op het gebied van printplaten
Printplaten met een overeenkomstig hoge integratiedichtheid zijn nodig voor een ruimtebesparende en betrouwbare elektrische aansluiting van processoren met extreem hoge aansluitdichtheden. De klassieke meerlaagse printplaat is hiervoor echter ongeschikt, omdat deze doorlopende gaten gebruikt voor de elektrische aansluiting van de afzonderlijke lagen van de printplaat. Deze hebben relatief grote diameters en, omdat ze pas worden geboord nadat de afzonderlijke lagen zijn geperst, beslaan ze de gehele dikte van de printplaat. Het gevolg hiervan is dat, zelfs bij het verbinden van direct aangrenzende lagen, de ruimte boven en onder de eigenlijke aansluiting verloren gaat en daardoor niet kan worden gebruikt voor andere structuren, bijvoorbeeld geleiderbanen. De resulterende lage integratiedichtheid van meerlaagse printplaten is niet voldoende voor de hierboven beschreven eisen.
Enkele jaren geleden werd daarom een nieuwe, sterk geïntegreerde generatie printplaten ontwikkeld, de zogenaamde HDI-printplaat, die aanvankelijk voornamelijk werd gebruikt voor de productie van mobiele telefoons. Bij de productie van HDI-printplaten worden de afzonderlijke lagen van de printplaat achter elkaar opgebouwd (SBU, Sequential Build Up). De elektrische verbinding van aangrenzende montageposities wordt gerealiseerd met behulp van lasergeboorde blinde microvia's. Figuur 2 toont schematisch de opbouw van een 2-4-2 HDI-printplaat, d.w.z. de printplaat bestaat uit een vierlaagse meerlaagse kern en twee lagen aan elke zijde.
4 Blinde microvia
Vergeleken met doorlopende gaten hebben blinde microvia's kleinere diameters in het bereik van 50 µm tot 150 µm en strekken ze zich alleen in de z-richting uit over de dikte van een montagepositie (typisch 50 µm tot 150 µm). Ze nemen slechts zoveel ruimte in beslag als daadwerkelijk nodig is voor de daadwerkelijke verbinding. HDI-printplaten hebben daardoor een veel hogere integratiedichtheid dan meerlaagse printplaten en zijn daarom geschikt voor het ontbundelen van signalen van hoogfunctionele elektronische componenten in de kleinste ruimte.
4.1 Blinde microvia vullen
Een verdere verhoging van de integratiedichtheid maakt gestapelde blinde microvia's (stacked blind microvias) mogelijk. Wanneer elektrolytisch afgezet koper wordt gebruikt voor de vulling in plaats van geleidende pasta, leidt dit tot de volgende verdere voordelen:
Verhoogde betrouwbaarheid (de blinde microvias bevatten alleen koper, er is geen extra interface)
beter warmtebeheer (warmteverlies kan worden afgevoerd via de zeer warmtegeleidende, met koper gevulde blinde microvia's)
Verdere verhoging van de integratiedichtheid (er zijn geen extra pads (pads) nodig op het oppervlak van de printplaat voor het contacteren van componenten)
De belangrijkste processtappen bij de productie van HDI-printplaten met kopergevulde blinde microvia's worden schematisch weergegeven in afbeelding 4. Indien er nog een laag moet worden opgebouwd, moet de procesvolgorde opnieuw worden doorlopen, te beginnen met processtap 2.
Door kopergevulde blinde microvia's op elkaar te stapelen, kunnen zelfs niet-aangrenzende montageposities elektrisch geleidend worden verbonden met minimale ruimtevereisten (Fig. 5). Het gebruik van pad-in-via- of via-in-pad-ontwerpen leidt tot een verdere verhoging van de integratiedichtheid, omdat componentverbindingen direct op de kopergevulde blinde microvia's kunnen worden gesoldeerd, waardoor geen extra verbindingsoppervlakken nodig zijn (Fig. 6).
4.2 Eerdere elektrolyten voor blinde microvia-vulling
Elektrolyten voor het blind vullen van microvia's bevatten doorgaans een relatief hoge concentratie koperionen in het bereik van 40 g/l tot 60 g/l in combinatie met een lage zwavelzuurconcentratie in het bereik van 10 ml/l tot 50 ml/l, evenals chloride-ionen. De organische elektrolytadditieven die nodig zijn om de coatingeigenschappen te regelen, verschillen van specialist tot specialist, maar meestal bevatten ze de volgende drie componenten:
Basisadditief (remmer)
Graanverfijner (Activator)
Egaliserend middel (remmer)
Daarnaast kunnen de werkwijzen van de verschillende aanbieders ook verschillen in de volgende kenmerken:
Systeemtechnologie (standaard verticaal systeem, verticaal continu systeem, horizontaal continu systeem)
Anodetype (koperen anode, onoplosbare anode)
Stroomvorm (gelijkstroom, pulsstroom, omgekeerde pulsstroom)
toepasselijke stroomdichtheid
De eerder door Schlötter aangeboden methoden voor het blind vullen van microvia's werken uitsluitend met gelijkstroom in standaard verticale systemen of verticale continue systemen.
In de beginjaren van het blind vullen van microvia's waren er naast de standaardeisen voor elektrolytisch aangebrachte kopercoatings voor printplaten in principe de volgende aanvullende eisen (bijv. ductiliteit, betrouwbaarheid):
defectvrije vulling van de blinde microvia's zonder elektrolytinsluitsels
Minimale vullingsgraad of maximaal toegestane verdieping (deuk.
Tijdens het vulproces werd 93 µm koper (B) afgezet in de blinde microvia, terwijl de laagdikte op het oppervlak slechts 22 µm bedraagt (C), wat resulteerde in de volgende kengetallen:
Indrukking (AB): 30.4 µm
Vullingsgraad (B/A): 75%
Metaalverdeling (B/C): 426%
Dit komt vooral door de werking van de nivelleerder, waarbij het koper niet op het oppervlak wordt afgezet, maar in de blinde microvia's, dat wil zeggen in gebieden met een lage stroomdichtheid en geringe elektrolytuitwisseling.
Om een goed vulresultaat te bereiken, moeten de elektrolytadditieven zeer goed op elkaar afgestemd zijn. Figuur 8a toont een blinde microvia vóór het vulproces en verschillende resultaten, die alleen kunnen ontstaan door variatie van de elektrolytadditieven – met overigens dezelfde scheidingsparameters (Fig. 8b – e).
4.3 Nieuwe elektrolyt voor blinde microvia-vulling
De integratiedichtheid van de printplaten kan nog verder worden verhoogd door de spoorbreedte en de spoorafstand te verkleinen. Voor het etsen van dergelijke fijne geleiders moet de koperlaag echter dun zijn, omdat anders ernstige ondersnijding en problemen met de geleiderdoorsnede kunnen optreden.
Zoals weergegeven in figuur 4 kan de dikte van de koperlaag na het vullen worden verminderd door – eventueel herhaaldelijk – koper te verdunnen. Hiervoor zijn echter aanvullende processtappen en systemen nodig. Bovendien wordt de koperverdunning van eerder afgezet koper gedeeltelijk verwijderd, wat een negatieve invloed heeft op de grondstoffen-, energie- en kostenefficiëntie bij de productie van printplaten. Om koperverdunning volledig te voorkomen – of in ieder geval te verminderen – is er de afgelopen jaren, naast de reeds genoemde eisen, de eis toegevoegd om tijdens het vulproces een zo klein mogelijke koperlaagdikte af te zetten.
50-70 mg/l chloride
3–10 ml/l extra slotocoup SF 31
0.2–1.0 ml/l extra slotocoup SF 32
0.2–2.0 ml/l extra slotocoup SF 33
De elektrolyt wordt bedreven bij stroomdichtheden van maximaal 2 A/dm² in het temperatuurbereik tussen 18 °C en 22 °C.
Vergeleken met de vorige generatie elektrolyten kon de dikte van de koperlaag op het oppervlak aanzienlijk worden verminderd. Dit blijkt uit de metaalverdeling, die in de getoonde laboratoriumtest een extreem hoge waarde van meer dan 2000% heeft (Fig. 9b).
Slotocoup SF 30 wordt momenteel in samenwerking met de Taiwanese Schlötter-partner AGES in het in 2012 geopende PCB Development Center in Taipei getest onder productieomstandigheden in een verticaal continusysteem van 7200 liter (afb. 10).
Verdieping: 7.0 µm
Vullingsgraad: 91%
Metaalverdeling: 740%
Figuur 11b toont een andere met koper gevulde blinde microvia, afkomstig van dezelfde printplaat als de blinde microvia in figuur 11a. Opvallend is dat het vulresultaat, ondanks de niet-optimale BMV-geometrie, zeer goed is.
Slotocup SF 30 maakt ook het foutloos vullen van dicht bij elkaar gelegen blinde microvia's mogelijk met een geringe laagdikte van de koperoppervlakken.Fig. 12: Testresultaten van Slotocoup SF 30 bij het vullen van dicht bij elkaar gelegen blinde microvia's
Ook zeer vlakke blinde microvia's, die ontstaan bij het gebruik van extreem dunne diëlektrica, kunnen met de nieuwe elektrolyt defectvrij worden opgevuld, maar dit resulteert in iets dikkere koperlagen.
5 Doorlopende gaten vullen
Een verdere verhoging van de integratiedichtheid van HDI-printplaten kan worden bereikt door de tot nu toe gebruikte relatief dikke meerlagenkernen te vervangen door aanzienlijk dunnere kernen met diktes tussen de 100 µm en 200 µm.
Zeer dunne kernen kunnen ook doorlopende gaten hebben in plaats van blinde microvia's. Voorheen werden deze doorlopende gaten na de eerste koperplating eerst gevuld met pasta en vervolgens opnieuw verkoperd om de pads te produceren. Bovendien kan het gebruik van pasta leiden tot betrouwbaarheidsproblemen.
5.1 Nieuwe elektrolyten voor het vullen van doorgaande gaten
Aanvankelijk werd geprobeerd de koperelektrolyten die al beproefd waren bij blinde microviavulling te gebruiken voor het vullen van doorgaande gaten. Er werd echter aangetoond dat deze elektrolyten niet geschikt zijn voor deze toepassing, waardoor verdere ontwikkeling noodzakelijk was. Enkele laboratoriumresultaten van de huidige ontwikkeling zijn weergegeven in figuur 16.
Door de samenstelling van de elektrolyt aan te passen, kon de vulling van doorgaande gaten (boringdiameter ca. 85 µm / boorgatdiepte ca. 110 µm) aanzienlijk worden verbeterd. Alle vier de deposities in figuur 16 werden uitgevoerd met gelijkstroom, met dezelfde depositietijd en stroomdichtheid. Bovendien werd er gedurende de gehele depositieperiode slechts één elektrolyt afgezet, d.w.z. er was geen verandering van elektrolyt gedurende de depositie.
Met een toenemende aspectverhouding, d.w.z. een afnemende boorgatdiameter en/of toenemende boorgatdiepte, wordt het massatransport en daarmee de daaropvolgende toevoer van koperionen bemoeilijkt. Hierdoor wordt het defectvrij vullen van de doorgaande gaten zonder elektrolytinsluitsels steeds moeilijker. Figuur 17 toont twee vulresultaten van niet-voorversterkte doorgaande gaten (boorgatdiameter ca. 50 µm / boorgatdiepte ca. 160 µm).
De in het defect ingesloten elektrolyt (Fig. 17a) zet uit bij verhitting van de HDI-printplaat en kan daardoor al tijdens het solderen van componenten of bij een daaropvolgende temperatuurverhoging een scheur in deze verbinding veroorzaken, wat kan leiden tot een systeemstoring. De focus van de huidige ontwikkeling ligt daarom op het betrouwbaar en foutloos opvullen van doorlopende gaten met verschillende aspectverhoudingen.
6 Inconclusie
Dankzij de hoge integratiedichtheid maken HDI-printplaten een betrouwbare ontbundeling van de hoge aansluitdichtheden van deze microprocessoren in de kleinste ruimte mogelijk.
Door blinde microvia's te vullen met elektrolytisch gedeponeerd koper, kan de integratiedichtheid van HDI-printplaten verder worden verhoogd. De nieuw ontwikkelde elektrolyt Slotocoup SF 30, die momenteel in Taiwan wordt getest onder productieomstandigheden, maakt defectvrij vullen met een geringe koperlaagdikte mogelijk. Dit leidt tot een verdere verhoging van de integratiedichtheid en tot een efficiëntere productie van HDI-printplaten met betrekking tot grondstoffen, energie en kosten. De eerste installatie bij een klant is gepland voor het tweede kwartaal van 2014.
De integratiedichtheid kan nog verder worden verhoogd met behulp van zogenaamde kernloze structuren, die bestaan uit zeer dunne kernmaterialen. Resultaten van huidig ontwikkelingswerk tonen aan dat het aanbrengen van koper in gelijkstroom het in principe mogelijk maakt om de doorgaande gaten in deze kernen te vullen. Omdat het vulresultaat en daarmee de kwaliteit van de verbinding afhankelijk is van de aspectverhouding van de doorgaande gaten, staat het realiseren van een betrouwbare, defectvrije vulling met verschillende aspectverhoudingen momenteel voorop in de ontwikkelingswerkzaamheden.
