通過盲孔提高PCB的集成密度

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通過盲孔提高PCB的集成密度

通過使用電解銅沉積填充盲孔和通孔來增加PCB的集成密度.

電子電路的逐步小型化越來越要求使用帶有銅填充盲孔的HDI電路板. 新開發的銅電解液, 目前正在與生產相關的條件下進行測試, 能夠在電路板表面上以較小的銅層厚度無缺陷地填充盲孔. 目前正在開發的銅電解液還應該能夠在將來可靠地填充通孔 – 當前的開發工作已經顯示出可喜的成果.

盲孔和通孔的填充

盲孔盲孔

通過電沉積銅填充盲孔和通孔來提高PCB的封裝密度.

電子電路的日益小型化利用了 HDI PCB (HDI印刷電路板) 帶有銅填充盲孔, 越來越可取. 新開發的銅電解液, 目前正在模擬生產條件下進行測試, 可以實現無缺陷的盲孔的無缺陷填充,同時可以減小電路板表面的銅沉積厚度. 這樣可以更有效地利用材料,從而降低PCB製造成本. 目前正在開發的另一種銅電解液有望實現可靠地填充通孔.

1 介紹

在微電子領域, 小型化的趨勢仍然存在, 那是, 面向更小,功能更強大的系統,這些系統應該比以前的系統便宜. 最著名的例子是智能手機和平板電腦, 表現 – 儘管設備尺寸相同甚至更小 – 近年來顯著增加.

HDI印刷電路板 (人類發展指數: 高密度互連) 為小型化做出重大貢獻. 用於各個PCB層的電氣連接, 節省空間的盲孔 (盲孔) 用於代替通孔. 通過用電解沉積的銅填充盲孔可以進一步提高集成密度 (盲孔填充). 同時, HDI電路板的使用不再局限於移動電子設備,而是越來越多地用於其他應用中, 例如在汽車領域.

新開發的電解液, 與上一代電解液相比,在盲孔微孔填充中只能沉積很小的銅層厚度, 啟用資源, HDI印刷電路板的節能生產.

由於使用非常薄的芯材可以進一步提高HDI印刷電路板的集成密度, 用於填充通孔的電解質的發展 (英語: 通孔填充) 目前正在加強. 介紹了該領域開發工作的結果.

2 微電子領域的小型化

微電子領域的小型化

微電子技術逐漸小型化的最著名代表是功能非常強大的移動設備,例如智能手機和平板電腦. 高且不斷增長的銷售數字反映了這些設備的巨大吸引力. 在 2013, 多於 1 首次售出十億部智能手機, 銷量約 1.2 預計在十億 2014 和周圍 1.8 十億 2017 [2]. 在平板電腦領域, 銷售 271 預計有100萬台設備用於 2014, 這對應於幾乎增加 40% 與上一年相比 [3].

它們安裝在處理器中,它們的外殼尺寸非常小,並且連接網格的數量越來越多. 處理器的下面有 976 在正下方的區域上的連接 2 平方厘米, 這相當於每平方毫米大約五個連接. 連接的間距僅為 400 微米.

3 印刷電路板領域的小型化

需要具有相應高集成密度的印刷電路板,以節省空間並可靠地以極高的連接密度與處理器進行電氣連接. 經典的多層印刷電路板不適合此用途, 然而, 因為它使用通孔來電氣連接各個印刷電路板層. 這些具有相對較大的直徑,並且, 因為只有在壓下各個層後才進行鑽孔, 它們延伸到整個電路板的厚度. 這樣的結果是,即使直接相鄰的層連接在一起, 實際連接上方和下方的空間會丟失,因此無法用於其他結構, 例如導體軌道. 所得多層電路板的低集成度不足以滿足上述要求.

幾年前, 一個新的, 高集成度的印刷電路板, 所謂的HDI電路板, 因此被開發, 最初主要用於生產手機. 在製造HDI印刷電路板時, 各個印刷電路板層是連續堆積的 (事業部, 順序建立). 相鄰裝配位置的電連接是通過激光鑽孔的盲孔實現的. 數字 2 示意性地顯示了 2-4-2 HDI電路板, IE. 電路板由一個四層的多層芯和每側兩層組成.

4 盲孔

與通孔相比, 盲微孔的直徑較小,範圍為 50 湯姆到 150 µm,它們僅在z方向上延伸超過安裝位置的厚度 (通常 50 湯姆到 150 微米). 它們僅佔用實際連接所需的空間. 因此,HDI印刷電路板的集成密度比多層印刷電路板高得多,因此適合在最小的空間內對功能強大的電子組件進行信號分離.

4.1 填充盲孔

集成密度的進一步提高可實現堆疊式盲孔 (堆疊式盲微孔). 如果使用電解沉積的銅代替導電膠來填充, 這帶來了以下進一步的優勢:

更高的可靠性 (盲孔僅包含銅, 沒有額外的界面)
更好的熱量管理 (通過高導熱性可以消除熱量損失, 銅填充盲孔)
集成密度進一步提高 (沒有額外的墊 (護墊) 在電路板上需要接觸元件)
圖中示意性地顯示了製造帶有銅填充盲孔的HDI電路板的主要工藝步驟。 4. 如果要建立更多的層, 必須從流程步驟開始重新執行流程順序 2.

將填充銅的盲孔彼此堆疊,意味著即使不相鄰的組裝位置也可以以導電的方式連接,而佔用的空間最小 (圖. 5). 使用過孔焊盤或過孔焊盤設計會進一步提高集成密度, 因為組件連接可以直接焊接到填充銅的盲微孔上, 這樣就不需要額外的連接面 (圖. 6).

4.2 以前用於盲孔填充的電解質

通常, 用於盲孔填充的電解質包含相對較高的銅離子濃度,範圍為 40 G / 我去 60 G / l與低濃度硫酸結合使用 10 毫升 / 我去 50 毫升 / l以及氯離子. 控制塗料性能所需的有機電解質添加劑因專業公司而異, 但電解質添加劑中主要包含以下三種成分:

基本添加劑 (抑製劑)
穀物精製機 (活化劑)
矯直機 (抑製劑)
此外, 不同提供者的方法在以下功能上也可能有所不同:

系統技術 (標準立式系統, 垂直連續系統, 水平連續系統)
陽極類型 (銅陽極, 不溶性陽極)
當前形式 (直流電, 脈衝電流, 反向脈衝電流)
適用電流密度

Schlötter以前提供的用於盲孔微孔填充的方法只能在標準垂直系統或垂直連續系統中使用直流電.

在盲孔填充的初期, 除了用於印刷電路板的電解沉積銅塗層的標準要求外,基本上還有以下附加要求 (例如. 延展性, 可靠性):

無缺陷地填充無電解質夾雜物的盲孔
最小填充水平或最大允許加深 (凹痕.

在填充過程中, 93 µm銅 (乙) 沉積在盲孔中, 而表面上的層厚度僅為 22 微米 (C), 得出以下關鍵數據:

縮進 (A-B): 30.4 微米

填充度 (乙 / 一種): 75%

金屬分佈 (乙 / C): 426%

這主要是由於矯直機的作用方式, 通過這種方式,銅不會沉積在表面上,而是沉積在盲孔中, IE. 在低電流密度和低電解質交換的區域.

為了達到良好的填充效果, 電解質添加劑必須非常協調. 圖8a顯示了填充過程之前的盲微孔以及不同的結果, 這只能通過電解質添加劑的變化而發生 – 否則具有相同的分離參數 (圖. 8是).

4.3 用於盲孔填充的新型電解液

通過減小走線寬度和間距,可以進一步提高電路板的集成密度. 用於蝕刻此類細導體, 然而, 表面的銅層厚度必須小, 因為否則會發生嚴重的咬邊和導體橫截面問題.

如圖所示 4, 填充後可以減小銅層厚度 – 可能重複 – 銅變薄, 但是為此需要附加的處理步驟和系統. 此外, 先前去除的銅的銅變薄部分被去除, 對資源產生負面影響, 印刷電路板製造中的能源和成本效率. 完全避免 – 或至少減少 – 銅變薄, 除了已經提到的要求, 近年來,增加了在填充過程中沉積最小可能的銅層厚度的要求.

50-70 毫克 / 氯化物

3–10毫升 / l額外的slotocoup SF 31

0.2–1.0毫升 / l額外的slotocoup SF 32

0.2–2.0毫升 / l額外的slotocoup SF 33

電解液的最大電流密度為 2 一種 / dm²在以下溫度範圍內 18 °C和 22 攝氏.

與上一代電解液相比, 沉積在表面的銅層厚度可以大大減少. 通過金屬分佈可以看出這一點, 在所示的實驗室測試中具有超過 2000% (圖. 9b).

SF插槽 30 目前正在與台灣Schlötter合作夥伴AGES合作在台北PCB開發中心進行測試。 2012 在與生產有關的條件下 7200 升垂直連續系統 (圖. 10).

加深: 7.0 微米

填充度: 91%

金屬分佈: 740%

圖11b顯示了另一個銅填充盲孔, 它來自與圖11a中的盲孔Microvia相同的電路板. 值得注意的是, 儘管BMV幾何形狀不是最佳的, 填充效果非常好.

Slotocup SF 30 它還能夠以低厚度的銅表面實現無間隙填充無間隙微盲孔。. 12: SF插槽 30 填充緊密間隔的盲孔時的測試結果

非常扁平的盲孔, 當使用極薄的電介質時會導致這種情況, 也可以用新的電解質無缺陷地填充, 但這會導致銅層厚度更高.

5 通孔填充

HDI印刷電路板的集成密度可以進一步提高,方法是用厚度顯著減小的較薄的磁芯代替迄今已使用的相對較厚的多層磁芯。 100 µm和 200 微米.

非常薄的芯線也可以具有通孔,而不是盲孔. 之前, 這些通孔在第一次鍍銅後首先填充漿料,然後再次鍍銅以生產焊盤. 此外, 粘貼的使用會導致可靠性問題.

5.1 用於通孔填充的新型電解液

原來, 嘗試使用在通孔填充區域的盲孔填充中已經嘗試和測試過的銅電解質. 然而, 結果表明,這些電解質不適合該應用,因此有必要進行進一步的開發工作. 圖中顯示了當前開發工作的一些實驗室結果。 16.

通過改變電解質成分, 可以顯著改善通孔的填充 (大約. 85 µm鑽孔直徑 / 大約. 110 µm鑽孔深度). 圖中顯示了所有四個沉積 16 分別以相同的沉積時間和電流密度在直流電下進行. 此外, 在整個沉積過程中僅沉積了一種電解質, IE. 沉積過程中電解質沒有變化.

隨著長寬比的增加, IE. 減小鑽孔直徑和 / 或增加鑽孔深度, 大量運輸以及隨後的銅離子傳遞變得更加困難. 因此, 不含電解質夾雜物的通孔無缺陷填充變得越來越困難. 數字 17 顯示了兩個非前置通孔的填充結果 (大約. 50 µm鑽孔直徑 / 大約. 160 µm鑽孔深度).

缺陷中包含的電解液 (圖. 17一種) HDI電路板受熱時會膨脹,因此在焊接元件時或隨後升高溫度時已可能導致連接破裂, 可能導致系統故障. 當前開發工作的重點是, 所以, 可靠地無缺陷地填充不同長寬比的通孔.

6 綜上所述

由於它們的高集成度, HDI印刷電路板可在最小的空間內可靠地解開這些微處理器的高連接密度.

通過用電鍍銅填充盲孔, HDI印刷電路板的集成密度可以進一步提高. 新開發的電解質Slotocoup SF 30, 目前正在台灣進行與生產相關的條件下的測試, 以低銅層厚度實現無缺陷填充. 這導致集成密度的進一步提高和更多的資源, HDI印刷電路板的節能生產. 客戶的第一次安裝計劃於2007年第二季度進行 2014.

集成密度可以通過所謂的無芯結構進一步提高, 由非常薄的核心材料組成. 當前開發工作的結果表明,直流電沉積銅原則上可以填充這些芯中的通孔. 由於填充結果以及連接質量取決於通孔的長寬比, 目前,開發工作的前景是實現具有不同長寬比的可靠的無缺陷填充.

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