Aumente a densidade de integração do PCB preenchendo microvias cegas e furos passantes usando deposição eletrolítica de cobre.
A miniaturização progressiva de circuitos eletrônicos exige cada vez mais o uso de placas de circuito HDI com microvias cegas preenchidas com cobre. Um eletrólito de cobre recém-desenvolvido, atualmente em testes em condições de produção, permite o preenchimento sem defeitos de microvias cegas com uma pequena espessura de camada de cobre na superfície da placa de circuito. Um eletrólito de cobre atualmente em desenvolvimento também deverá permitir o preenchimento confiável de furos passantes no futuro – o trabalho de desenvolvimento atual já está mostrando resultados promissores.
Preenchimento de microvias cegas e orifícios passantes
Aumento da densidade de empacotamento de PCBs por meio do preenchimento de microvias cegas e furos passantes por eletrodeposição de cobre.
A crescente miniaturização dos circuitos eletrônicos torna necessária a utilização de PCB HDI (Placas de circuito impresso HDI) com microvias cegas preenchidas com cobre, cada vez mais desejáveis. Um eletrólito de cobre recém-desenvolvido, atualmente em teste em condições simuladas de produção, permitirá o preenchimento sem defeitos de microvias cegas, ao mesmo tempo em que reduz a espessura do depósito de cobre na superfície da placa. Isso resulta em um uso mais eficiente dos materiais e, consequentemente, na redução do custo de fabricação de PCBs. Outro eletrólito de cobre, atualmente em desenvolvimento, promete permitir o preenchimento confiável de furos passantes.
1 Introdução
Na microeletrônica, ainda há uma tendência à miniaturização, ou seja, a sistemas menores e mais potentes, que também supostamente são mais baratos do que os sistemas anteriores. Os exemplos mais conhecidos disso são smartphones e tablets, cujo desempenho – apesar do mesmo tamanho ou até menor – aumentou significativamente nos últimos anos.
As placas de circuito impresso HDI (HDI: High-Density Interconnect) contribuem significativamente para a miniaturização. Para a conexão elétrica de camadas individuais de PCB, furos cegos (microvias cegas) economizam espaço em vez de furos passantes. A densidade de integração pode ser ainda mais aumentada preenchendo as microvias cegas com cobre depositado eletroliticamente (preenchimento por microvias cegas). Enquanto isso, o uso de placas de circuito impresso HDI não se restringe mais à eletrônica móvel, mas também está sendo cada vez mais utilizado em outras aplicações, por exemplo, no setor automotivo.
Um eletrólito recentemente desenvolvido, que no Blind Microvia Filling deposita apenas uma camada de cobre de espessura muito pequena em comparação à geração anterior de eletrólitos, permite a produção de placas de circuito impresso HDI com eficiência de recursos, energia e custo.
Como a densidade de integração das placas de circuito impresso HDI pode ser aumentada ainda mais com o uso de materiais de núcleo muito finos, o desenvolvimento de eletrólitos para preenchimento de furos passantes (Through Hole Filling) está sendo intensificado. Os resultados do trabalho de desenvolvimento nesta área são apresentados.
2 Miniaturização no campo da microeletrônica
Os representantes mais conhecidos da miniaturização progressiva em microeletrônica são dispositivos móveis muito potentes, como smartphones e tablets. Os números de vendas elevados e em constante crescimento refletem a grande atratividade desses dispositivos. Em 2013, mais de 1 bilhão de smartphones foram vendidos pela primeira vez, com vendas de cerca de 1.2 bilhão previstas para 2014 e cerca de 1.8 bilhão em 2017 [2]. No setor de tablets, a previsão é de vendas de 271 milhões de dispositivos para 2014, o que corresponde a um aumento de quase 40% em relação ao ano anterior [3].
Eles são instalados em processadores com tamanhos de carcaça muito pequenos e um número enorme de conexões cada vez mais parecidas com grades. A parte inferior do processador possui 976 conexões em uma área de pouco menos de 2 cm², o que corresponde a cerca de cinco conexões por milímetro quadrado. O passo das conexões é de apenas 400 µm.
3 Miniaturização na área de placas de circuito impresso
Placas de circuito impresso com densidade de integração correspondentemente alta são necessárias para a conexão elétrica confiável e com economia de espaço de processadores com densidades de conexão extremamente altas. A placa de circuito impresso multicamadas clássica, no entanto, não é adequada para isso, pois utiliza furos passantes para a conexão elétrica de camadas individuais da placa de circuito impresso. Estes têm diâmetros relativamente grandes e, como são perfurados somente após a prensagem das camadas individuais, estendem-se por toda a espessura da placa de circuito. A consequência disso é que, mesmo quando camadas diretamente adjacentes são conectadas, o espaço acima e abaixo da conexão real é perdido e, portanto, não pode ser usado para outras estruturas, por exemplo, trilhas de condutores. A baixa densidade de integração resultante das placas de circuito impresso multicamadas não é suficiente para os requisitos descritos acima.
Há alguns anos, foi desenvolvida uma nova geração altamente integrada de placas de circuito impresso, a chamada placa de circuito HDI, inicialmente utilizada principalmente para a produção de celulares. Na fabricação de placas de circuito impresso HDI, as camadas individuais da placa de circuito impresso são construídas sucessivamente (SBU, Sequential Build Up). A conexão elétrica das posições de montagem adjacentes é realizada por meio de microvias cegas perfuradas a laser. A Figura 2 mostra esquematicamente a estrutura de uma placa de circuito HDI 2-4-2, ou seja, a placa de circuito consiste em um núcleo multicamadas de quatro camadas e duas camadas em cada lado.
4 Microvia cega
Em comparação com os furos passantes, as microvias cegas têm diâmetros menores, na faixa de 50 µm a 150 µm, e se estendem apenas na direção z sobre a espessura de uma posição de montagem (tipicamente de 50 µm a 150 µm). Elas ocupam apenas o espaço realmente necessário para a conexão. As placas de circuito impresso HDI, portanto, têm uma densidade de integração muito maior do que as placas de circuito impresso multicamadas e, portanto, são adequadas para a separação de sinais de componentes eletrônicos altamente funcionais no menor espaço possível.
4.1 Preenchimento de microvia cega
Um aumento adicional na densidade de integração permite microvias cegas empilhadas (microvias cegas empilhadas). Se, em vez de pasta condutora, for utilizado cobre depositado eletroliticamente para o preenchimento, isso leva às seguintes vantagens adicionais:
Maior confiabilidade (as microvias cegas contêm apenas cobre, não há interface adicional)
melhor gerenciamento de calor (a perda de calor pode ser dissipada através de microvias cegas preenchidas com cobre e altamente condutoras de calor)
Aumento adicional na densidade de integração (não são necessários pads (almofadas) adicionais na superfície da placa de circuito para contato com os componentes)
As principais etapas do processo na fabricação de placas de circuito HDI com microvias cegas preenchidas com cobre são mostradas esquematicamente na Figura 4. Se uma camada adicional tiver que ser construída, a sequência do processo deve ser executada novamente, começando com a etapa 2 do processo.
O empilhamento de microvias cegas preenchidas com cobre permite que até mesmo posições de montagem não adjacentes sejam conectadas de forma eletricamente condutiva com o mínimo de espaço necessário (Fig. 5). O uso de designs pad-in-via ou via-in-pad aumenta ainda mais a densidade de integração, já que as conexões dos componentes podem ser soldadas diretamente nas microvias cegas preenchidas com cobre, dispensando superfícies de conexão adicionais (Fig. 6).
4.2 Eletrólitos anteriores para preenchimento de microvia cega
Normalmente, os eletrólitos para preenchimento de microvias cegas contêm uma concentração relativamente alta de íons de cobre, na faixa de 40 g/l a 60 g/l, em combinação com uma baixa concentração de ácido sulfúrico, na faixa de 10 ml/l a 50 ml/l, bem como íons cloreto. Os aditivos eletrolíticos orgânicos necessários para controlar as propriedades do revestimento variam de empresa para empresa, mas geralmente os três componentes a seguir estão presentes nos aditivos eletrolíticos:
Aditivo básico (inibidor)
Refinador de Grãos (Ativador)
Nivelador (inibidor)
Além disso, os métodos dos diferentes provedores também podem diferir nas seguintes características:
Tecnologia de sistemas (sistema vertical padrão, sistema vertical contínuo, sistema horizontal contínuo)
Tipo de ânodo (ânodo de cobre, ânodo insolúvel)
Forma de corrente (corrente contínua, corrente de pulso, corrente de pulso reverso)
densidade de corrente aplicável
Os métodos oferecidos anteriormente pela Schlötter para preenchimento de microvias cegas funcionam exclusivamente com corrente contínua em sistemas verticais padrão ou sistemas verticais contínuos.
Nos primeiros anos do preenchimento por microvia cega, havia essencialmente os seguintes requisitos adicionais, além dos requisitos padrão para revestimentos de cobre depositados eletroliticamente para placas de circuito impresso (por exemplo, ductilidade, confiabilidade):
preenchimento de microvias cegas sem defeitos e sem inclusões eletrolíticas
Nível mínimo de enchimento ou aprofundamento máximo permitido (amassado).
Durante o processo de enchimento, 93 µm de cobre (B) foram depositados na microvia cega, enquanto a espessura da camada na superfície é de apenas 22 µm (C), resultando nos seguintes números principais:
Indentação (AB): 30.4 µm
Grau de preenchimento (B/A): 75%
Distribuição de metais (B/C): 426%
Isso se deve principalmente ao modo de ação do nivelador, por meio do qual o cobre não se deposita na superfície, mas sim nas microvias cegas, ou seja, nas áreas de baixa densidade de corrente e baixa troca eletrolítica.
Para obter um bom resultado de enchimento, os aditivos eletrolíticos devem ser muito bem coordenados. A Figura 8a mostra uma microvia cega antes do processo de enchimento, bem como resultados diferentes, que só podem ocorrer através da variação dos aditivos eletrolíticos – com os mesmos parâmetros de separação (Fig. 8b-e).
4.3 Novo eletrólito para preenchimento de microvia cega
A densidade de integração das placas de circuito pode ser aumentada ainda mais reduzindo a largura e o espaçamento das trilhas. Para a gravação de condutores tão finos, no entanto, a espessura da camada de cobre na superfície deve ser baixa, pois, caso contrário, podem ocorrer cortes profundos e problemas com a seção transversal do condutor.
Conforme mostrado na Figura 4, a espessura da camada de cobre pode ser reduzida após o enchimento com – possivelmente repetido – afinamento de cobre, mas etapas e sistemas adicionais do processo são necessários para isso. Além disso, o afinamento do cobre previamente depositado é parcialmente removido, o que tem um impacto negativo na eficiência de recursos, energia e custos na fabricação de placas de circuito impresso. Para evitar completamente – ou pelo menos reduzir – o afinamento de cobre, além dos requisitos já mencionados, foi adicionado nos últimos anos o requisito de depositar a menor espessura possível da camada de cobre durante o processo de enchimento.
50-70 mg/l de cloreto
3–10 ml/l adicional de slotocoup SF 31
0.2–1.0 ml/l adicional de slotocoup SF 32
0.2–2.0 ml/l adicional de slotocoup SF 33
O eletrólito é operado em densidades de corrente máximas de 2 A/dm² na faixa de temperatura entre 18 °C e 22 °C.
Em comparação com a geração anterior de eletrólitos, a espessura da camada de cobre depositada na superfície pôde ser extremamente reduzida. Isso é demonstrado pela distribuição de metais, que no teste de laboratório apresentado apresentou um valor extremamente alto, acima de 2000% (Fig. 9b).
O Slotocoup SF 30 está sendo testado atualmente em cooperação com a parceira taiwanesa da Schlötter, AGES, no Centro de Desenvolvimento de PCB em Taipei, inaugurado em 2012, em condições de produção em um sistema vertical contínuo de 7200 litros (Fig. 10).
Aprofundamento: 7.0 µm
Grau de preenchimento: 91%
Distribuição de metais: 740%
A Figura 11b mostra outra Microvia Cega preenchida com cobre, proveniente da mesma placa de circuito da Microvia Cega da Figura 11a. Vale ressaltar que, apesar da geometria BMV não ser ótima, o resultado do preenchimento é muito bom.
O Slotocup SF 30 também permite o preenchimento sem defeitos de microvias cegas muito próximas umas das outras com uma espessura de camada baixa nas superfícies de cobre. Fig. 12: Resultados do teste do Slotocoup SF 30 ao preencher microvias cegas muito próximas umas das outras
Microvias cegas muito planas, que surgem quando dielétricos extremamente finos são usados, também podem ser preenchidas sem defeitos com o novo eletrólito, mas isso resulta em espessuras de camada de cobre um pouco maiores.
5 Preenchimento de furos passantes
Um aumento adicional na densidade de integração de placas de circuito impresso HDI pode ser alcançado pela substituição dos núcleos multicamadas relativamente espessos que foram usados até agora por núcleos significativamente mais finos, com espessuras entre 100 µm e 200 µm.
Núcleos muito finos também podem ter furos passantes em vez de microvias cegas. Anteriormente, esses furos eram preenchidos com pasta após a primeira deposição de cobre e, em seguida, revestidos com cobre novamente para produzir as pastilhas. Além disso, o uso de pasta pode levar a problemas de confiabilidade.
5.1 Novos eletrólitos para preenchimento de furos passantes
Inicialmente, tentou-se utilizar os eletrólitos de cobre já testados e comprovados em preenchimentos de microvias cegas na área de preenchimento de orifícios passantes. No entanto, verificou-se que esses eletrólitos não eram adequados para essa aplicação, sendo necessário um trabalho de desenvolvimento mais aprofundado. Alguns resultados laboratoriais do trabalho de desenvolvimento atual são mostrados na Figura 16.
Modificando a composição do eletrólito, foi possível melhorar significativamente o preenchimento dos furos passantes (diâmetro do furo de aproximadamente 85 µm / profundidade do furo de aproximadamente 110 µm). Todas as quatro deposições mostradas na Figura 16 foram realizadas com corrente contínua, com o mesmo tempo de deposição e densidade de corrente. Além disso, apenas um eletrólito foi depositado durante todo o período de deposição, ou seja, não houve alteração eletrolítica durante a deposição.
Com o aumento da razão de aspecto, ou seja, com a diminuição do diâmetro do furo e/ou o aumento da profundidade do furo, o transporte de massa e, consequentemente, a subsequente entrega de íons de cobre se torna mais difícil. Consequentemente, o preenchimento sem defeitos dos furos passantes sem inclusões eletrolíticas está se tornando cada vez mais difícil. A Figura 17 mostra dois resultados de preenchimento de furos passantes não pré-amplificados (diâmetro do furo de aproximadamente 50 µm / profundidade do furo de aproximadamente 160 µm).
O eletrólito contido no defeito (Fig. 17a) expande-se quando a placa de circuito HDI é aquecida e, portanto, pode causar uma rachadura nessa conexão durante a soldagem de componentes ou quando a temperatura é posteriormente aumentada, o que pode levar a uma falha do sistema. O foco do trabalho de desenvolvimento atual é, portanto, o preenchimento confiável e sem defeitos de furos passantes com diferentes relações de aspecto.
6 Inconclusão
Devido à sua alta densidade de integração, as placas de circuito impresso HDI permitem a desagregação confiável das altas densidades de conexão desses microprocessadores no menor espaço.
O preenchimento de microvias cegas com cobre depositado eletroliticamente permite aumentar ainda mais a densidade de integração de placas de circuito impresso HDI. O eletrólito Slotocoup SF 30, recentemente desenvolvido e atualmente testado em Taiwan em condições de produção, permite um preenchimento sem defeitos com uma camada de cobre de baixa espessura. Isso resulta em um aumento adicional na densidade de integração e em uma produção de placas de circuito impresso HDI mais eficiente em termos de recursos, energia e custo. A primeira instalação em um cliente está prevista para o segundo trimestre de 2014.
A densidade de integração pode ser aumentada ainda mais por meio das chamadas estruturas sem núcleo, que consistem em materiais de núcleo muito finos. Resultados de trabalhos de desenvolvimento atuais mostram que a deposição de cobre por corrente contínua torna possível, em princípio, o preenchimento dos furos passantes nesses núcleos. Como o resultado do preenchimento e, portanto, a qualidade da conexão dependem da relação de aspecto dos furos passantes, a obtenção de um preenchimento confiável e sem defeitos com diferentes relações de aspecto está atualmente em primeiro plano no trabalho de desenvolvimento.
