Relleno de Cobre de Microvías Ciegas

Las vías, los orificios a través de los cuales se conectan eléctricamente las almohadillas apiladas, son partes esenciales de las placas de circuito impreso (PCB). A medida que los dispositivos electrónicos, a saber, los teléfonos inteligentes y otros productos similares, se vuelven más populares y se reducen de tamaño, la capacidad de colocar vías más pequeñas en la placa se vuelve cada vez más útil.

También debe poder transferir señales de manera confiable a través de las capas de la PCB, lo que se puede lograr agregando una capa de cobre al sustrato de la placa, pero llenar las vías con cobre proporciona capacidad adicional.

Las microvías ciegas llenas de cobre permiten tableros de interconexión de alta densidad (HDI) y también proporcionan una transferencia de señal confiable. Si bien existen desafíos asociados con este tipo de vía, también tienen muchas ventajas. Siga leyendo para obtener más información sobre este proceso y por qué puede serle útil.

¿Qué son las microvías?

El IPC define una microvía como una "estructura ciega (como enchapada) con una relación de aspecto máxima de 1:1... que termina o penetra en un terreno objetivo, con una profundidad total (X) de no más de 0,25 mm [0,00984 pulgadas] medida desde la superficie de captura de la estructura hacia la tierra objetivo”.

Antes de que se cambiara su definición en 2013, el término se definía como un orificio pasante de menos de 0,15 mm o 0,006 pulgadas de diámetro. Con el tiempo, ese tamaño se volvió más común e IPC se dio cuenta de que tendría que continuar actualizando su definición a medida que las vías se hacían más pequeñas si continuaban definiéndose usando el diámetro.

Los láseres se utilizan para perforar orificios para microvías, y los avances recientes en la perforación con láser han permitido la creación de microvías tan pequeñas como 15 µm. Aunque los láseres utilizados pueden perforar solo una capa a la vez, los fabricantes de PCB pueden producir a través de microvías perforando varias capas por separado y luego apilándolas.

Es menos probable que encuentre defectos de fabricación cuando trabaja con microvías que con las vías normales porque la perforación con láser no hace que quede material en los orificios perforados. Sin embargo, las microvías tienen la misma probabilidad de experimentar problemas con el revestimiento y el reflujo de soldadura.

Debido al tamaño pequeño de las microvías, se pueden usar para PCB de interconexión de alta densidad, que son importantes hoy en día a medida que la electrónica, especialmente los dispositivos informáticos y de telecomunicaciones, se vuelve más avanzada pero también de tamaño más pequeño.

¿Qué son las vías ciegas y enterradas?

Las microvías pueden ser ciegas o enterradas. Las microvías ciegas conectan una capa externa de una PCB a una o más capas internas y no atraviesan toda la placa. Conectan una capa superior externa y las capas internas a las que llegan. Las vías ciegas son útiles para aumentar la densidad del cableado. Si necesita enrutar pistas de señal desde una capa externa a una capa interna, las vías ciegas suelen ser la ruta más corta para hacerlo.

Las microvías enterradas conectan dos o más capas internas y no llegan a una capa externa. No se pueden ver desde las capas exteriores. Los fabricantes suelen crearlos utilizando laminaciones consecutivas.

¿Qué son las vías rellenas de cobre?

Las vías rellenas de cobre son vías que se rellenan con cobre puro o resina epoxi con cobre. Este relleno de cobre mejora la conductividad de la vía, ayudándola a transferir señales de manera más efectiva de un lado al otro de la placa. Se pueden llenar muchos tipos de vías con cobre, incluidas las vías estándar, las microvías, las vías ciegas y las vías enterradas.

También puede llenar las vías con otros materiales, como oro, plata, epoxi conductor, epoxi no conductor y revestimiento electroquímico. El tipo más común de relleno de vía es el epoxi no conductor. Sin embargo, el relleno de cobre brinda ventajas que lo hacen ideal para ciertas aplicaciones.

Ventajas de las Microvías Ciegas Rellenas de Cobre

El uso de microvías, ya sean ciegas o enterradas, es beneficioso por varias razones, incluidas las siguientes.

Espacio

Una de las principales ventajas de usar microvías es que pueden ahorrarle espacio, lo que finalmente se traduce en costos reducidos. Cuanto más espacio ocupen sus vías, más placa necesitará y más costoso será su proyecto.

Las microvías son un componente crucial de las PCB HDI, que a menudo presentan vías pasantes, vías enterradas, vías ciegas, construcción sin núcleo, construcción de sustrato pasivo y construcciones alternativas de construcciones sin núcleo con pares de capas. Además de su menor tamaño y menor peso, estas placas también brindan un rendimiento eléctrico mejorado debido a la distancia reducida entre los componentes y la mayor cantidad de transistores.

Microvias también puede ayudarlo a utilizar los via-in-pads (VIP) de manera más efectiva. Los VIP ahorran espacio al crear conexiones en los pads de tecnologías montadas en superficie (SMT). Debido a su tamaño más pequeño, las microvías son adecuadas para su uso con VIP. Las vías normales a veces son demasiado grandes para caber dentro de las almohadillas para SMT. Sin embargo, las microvías pueden caber dentro de las almohadillas sin problemas de fabricación.

Las microvías ciegas y enterradas también son más fáciles de fabricar que las vías regulares ciegas y enterradas, que pueden ser difíciles de fabricar. Sin embargo, las microvías ya se fabrican capa por capa, lo que significa que es más fácil ocultarlas o enterrarlas, un proceso que requiere trabajar capa por capa.

Las microvías también son útiles para romper matrices de cuadrícula de bolas (BGA). Los VIP de Microvia pueden caber fácilmente dentro de las almohadillas de los BGA de paso fino. Son aún más beneficiosos en los canales de ruptura. Los VIP ahorran espacio en la superficie, pero también requieren una gran cantidad de capas para obtener resultados en otras partes del tablero. Las microvías pueden ayudarlo a aumentar el ancho de las rutas de escape, lo que puede permitirle usar menos capas para romper un BGA.

EMI reducida

Las microvías también pueden ayudar a reducir la interferencia electromagnética (EMI), que ocurre cuando un campo electromagnético afecta un circuito eléctrico e interrumpe el funcionamiento de un dispositivo electrónico. Debido a que vienen con un riesgo reducido de EMI, las microvías son especialmente útiles para circuitos que son propensos a EMI, como los que se usan en aplicaciones de alta frecuencia o alta velocidad.

Los circuitos de alta velocidad a menudo tienen problemas con la radiación de la señal y la reflexión en las vías. Sin embargo, al reducir el tamaño de las vías, se reduce el potencial de radiación, lo que se traduce en menos EMI. Para los circuitos de alta velocidad, los stubs, que son líneas de transmisión o guías de ondas que solo están conectadas en un extremo, son otra causa de problemas de EMI. Los stubs pueden reflejar las señales en los conductores y atenuar o incluso cancelar la señal original. Sin embargo, debido a que las microvías se hacen capa por capa, no tendrá ningún trozo.

Las líneas de transmisión de alta frecuencia, como los conductores de línea de banda de microondas y de ondas milimétricas, requieren vías para romper las señales. Sin embargo, las vías estándar crean demasiada EMI para su uso en líneas de banda de alta frecuencia. Las microvías, por otro lado, generan muy poca EMI y no degradarán la integridad de su señal. Los circuitos de alta frecuencia se utilizan cada vez con más frecuencia, lo que hace que la EMI sea una preocupación más común.

El llenado de vías con cobre también proporciona varios beneficios, concretamente en las áreas de conductividad térmica y eléctrica.

Conductividad térmica y eléctrica

El uso de cobre para llenar una vía aumentará la conductividad térmica de la vía, lo que mantiene el calor alejado de la placa, lo que resulta en una vida más larga y un menor riesgo de defectos. En lugar de viajar a diferentes partes de la placa, el calor viajará a través del cobre hacia el otro lado de la placa, protegiendo sus componentes. El cobre tiene una conductividad térmica más alta que el oro, que es otro material utilizado para rellenar vías.

El cobre también tiene una conductividad eléctrica más alta que el oro. La conductividad del cobre en una vía permitirá que las corrientes crucen a capas más profundas sin sobrecargar la PCB. Esta característica hace que las microvías llenas de cobre sean ideales para aplicaciones de alto voltaje y aquellas que requieren fuertes corrientes para viajar entre cada lado de la placa.

Desafíos asociados con las microvías ciegas llenas de cobre

Ciertos desafíos están asociados con la fabricación de microvías. Estos desafíos a veces pueden conducir a defectos de interconexión (ICD), fallas que ocurren cerca del revestimiento y la capa interna de cobre. Estos ICD pueden causar problemas de confiabilidad, circuitos abiertos, problemas intermitentes a altas temperaturas y fallas en los circuitos. Puede ser un desafío detectar los ICD porque pueden funcionar correctamente durante las pruebas después de la etapa de fabricación, pero luego revelan problemas durante el ensamblaje o el uso. Es importante estar atento a estos defectos y fabricar las placas con cuidado para evitarlos.

DAI basados en desechos

Un tipo común de ICD ocurre porque los desechos terminan en el orificio de interconexión y luego se incrustan en la capa interna de cobre. Estos desechos a menudo son el resultado del proceso de perforación del agujero. Los láseres utilizados para perforar orificios de microvías no crean tantos desechos como otros procesos de perforación de orificios, por lo que las microvías tienen un riesgo menor de ICD basados en desechos. Sin embargo, sigue siendo importante que el fabricante verifique que todos los orificios estén libres de escombros, residuos, manchas de perforación, fibra de vidrio, rellenos inorgánicos y otros materiales antes de llenarlos con cobre.

A través de varios tipos de vías, los ICD basados en desechos son cada vez más comunes, quizás porque más fabricantes están utilizando materiales de bajo DK/bajo DF. Estos materiales son más rentables en muchos sentidos, pero a menudo generan más residuos y son químicamente más resistentes a la limpieza que otros materiales, como los materiales epóxicos FR-4 estándar.

DAI con fallo de enlace de cobre

Otro tipo común de ICD es una falla en el enlace de cobre. Este tipo puede ocurrir debido a un alto estrés durante el montaje o el uso, una banda de cobre débil o una combinación de estas dos condiciones. Cuando ocurre un ICD con falla de enlace de cobre, la conexión de cobre se rompe físicamente. Cuanto más débil es el enlace de cobre, menos tensión se necesita para romperlo.

La prevalencia de ICD con fallas de unión de cobre parece estar aumentando, posiblemente porque más fabricantes están usando PCB más gruesas y temperaturas de soldadura sin plomo más altas. Los tamaños de orificio más grandes y la soldadura por ola también pueden aumentar la probabilidad de que ocurran fallas en la unión de cobre. Las fallas en los enlaces de cobre ocurren tanto en las microvías como en las vías estándar.

Vacíos y Confiabilidad

Los problemas comunes que ocurren en el proceso de recubrimiento de cobre para microvías incluyen relleno incompleto, hoyuelos y vacíos. Estos defectos pueden causar problemas de confiabilidad. Según un estudio de investigadores de la Universidad de Maryland, el relleno de cobre incompleto eleva los niveles de tensión en las microvías, lo que reduce su vida útil a la fatiga, que es la cantidad de ciclos de carga (tensión) que una muestra puede soportar antes de fallar.

El impacto que tiene un vacío en la confiabilidad de la microvía depende de las características del vacío, como su tamaño, forma y ubicación. Los vacíos esféricos pequeños, por ejemplo, aumentan ligeramente la vida de fatiga de las microvías, mientras que las condiciones de vacío extremas reducen significativamente su vida.

El proceso de llenado de cobre para microvías ciegas

Después de perforar los orificios de las microvías, el fabricante colocará cobre puro o resina epoxi con cobre en ellos para conectar los circuitos de la capa interna a la superficie de la placa de circuito impreso. Este cobre le permite colocar componentes o conectores en la superficie de la placa y permite que el circuito se conecte entre capas.

Cuando se trabaja con microvías ciegas, el llenado de los orificios de las microvías sin aditivos normalmente da como resultado la formación de vacíos. El fabricante siempre deposita cobre hasta que se cierra la vía, pero si no se utilizan aditivos, se deposita menos cobre dentro de la vía que en la superficie y se pueden formar huecos.

Ciertos aditivos orgánicos impiden la deposición en la superficie y ayudan a aumentar la formación de placas dentro de la microvía ciega, lo que conduce a la deposición conforme. El revestimiento de conformación también aumenta la relación de aspecto de la microvía ciega, lo que limita la solución y el transporte de masa hacia ella. Este proceso a veces da como resultado una microvía con una costura en el centro.

También puede llenar una microvía ciega con cobre utilizando el método de abajo hacia arriba, que consiste en depositar cobre preferentemente en la almohadilla de captura. Idealmente, este proceso creará un hoyuelo bajo combinado con un mínimo de cobre superficial chapado.

Cuando está llenando un orificio de vía con cobre, es importante asegurarse de que la capa de cobre dentro de la vía sea uniforme y que no haga que la capa exterior sea demasiado gruesa. Tener un exceso de cobre agrega peso innecesario a la PCB y puede resultar en tener demasiado cobre en las pistas. Este problema puede generar defectos, incumplimiento de las especificaciones o aumento de los costos, lo que es aún más importante con las microvías que con las vías normales, ya que las especificaciones de diseño son más estrictas.

Una consideración importante cuando se llenan microvías ciegas es si usar cobre puro o resina epoxi y cobre. El uso de cobre puro es un método más tradicional, pero este enfoque puede provocar la formación de vacíos. Los contaminantes también pueden quedar atrapados en el cobre. Dejar un hueco en la parte superior del relleno puede ayudar a evitar que ocurran estos problemas.

Un enfoque para llenar los agujeros esencialmente crea dos microvías ciegas. Este proceso involucra primero el uso de un recubrimiento de conformación y luego cambiar a un recubrimiento de pulso agresivo, lo que da como resultado la creación de una forma de X en el orificio formada por dos triángulos de cobre en cada pared del orificio. Esta forma forma lo que son esencialmente dos microvías ciegas, una a cada lado de la PCB. En el siguiente paso, llenará estos BMV por completo.

Los avances recientes, como el desarrollo de nuevos electrolitos de cobre, han ayudado a facilitar el llenado de microvías ciegas sin defectos ni exceso de cobre. Los electrolitos para el llenado de microvías ciegas suelen tener una alta concentración de cobre, una baja concentración de ácido sulfúrico e iones de cloruro. Los aditivos de electrolitos orgánicos utilizados para controlar las características del recubrimiento suelen incluir un iniciador, un refinador de grano y un nivelador.

Microvías ciegas rellenas de cobre de Millennium Circuits Limited

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