Optimización de microvias ciegas con relleno de cobre para un rendimiento superior en PCB

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Las vías, los orificios a través de los cuales los pads apilados se conectan eléctricamente, son partes esenciales de los circuitos impresos (PCB). A medida que los dispositivos electrónicos, especialmente los teléfonos inteligentes y productos similares, se vuelven más populares y se reducen en tamaño, la capacidad de colocar vías más pequeñas en la placa se vuelve cada vez más útil.

También es necesario transferir señales de forma fiable a través de las capas del PCB, lo que puede lograrse añadiendo una capa de cobre al sustrato de la placa, pero rellenar las vías con cobre proporciona capacidad adicional.

Las microvias ciegas rellenas de cobre permiten placas de interconexión de alta densidad (HDI) y también proporcionan una transferencia de señal fiable. Aunque existen desafíos asociados con este tipo de vía, también ofrecen muchas ventajas. Siga leyendo para obtener más información sobre este proceso y por qué puede serle útil.

¿Qué son las microvias?

IPC define una microvía como una "estructura ciega (chapada) con una relación de aspecto máxima de 1:1... que termina en o penetra en un land objetivo, con una profundidad total (X) de no más de 0,25 mm [0,00984 pulg.] medida desde el foil de captura de la estructura hasta el land objetivo".

Antes de que su definición cambiara en 2013, el término se definía como un orificio de vía menor a 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 seguir actualizando su definición a medida que las vías se hicieran más pequeñas si continuaban definiéndolas por diámetro.

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

Es menos probable que encuentre defectos de fabricación cuando trabaja con microvias que con vías normales, porque la perforación láser no deja material en los orificios perforados. Sin embargo, las microvias son igual de propensas a experimentar problemas con el chapado y el reflujo de soldadura.

Debido al pequeño tamaño de las microvias, pueden utilizarse para PCB de interconexión de alta densidad, que son importantes hoy en día a medida que la electrónica, especialmente los dispositivos de telecomunicaciones y computación, se vuelven más avanzados pero también más pequeños en tamaño.

¿Qué son las vías ciegas y enterradas?

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

Las microvias enterradas conectan dos o más capas internas y no llegan a una capa externa. No pueden verse desde las capas externas. Los fabricantes suelen crearlas mediante 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 forma más efectiva de un lado de la placa al otro. Muchos tipos de vía pueden rellenarse con cobre, incluidas vías estándar, microvias, vías ciegas y vías enterradas.

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

Ventajas de las microvias ciegas rellenas de cobre

El uso de microvias, ya sean ciegas o enterradas, es beneficioso por varias razones, entre ellas las siguientes.

Espacio

Una de las principales ventajas de utilizar microvias es que pueden ahorrarle espacio, lo que en última instancia reduce los costes. Cuanto más espacio ocupen sus vías, más placa necesitará y más caro será su proyecto.

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

Las microvias también pueden ayudarle a utilizar via-in-pads (VIP) de manera más eficaz. Los VIP ahorran espacio al crear conexiones en los pads de tecnologías de montaje superficial (SMT). Debido a su menor tamaño, las microvias son adecuadas para su uso con VIP. Las vías normales a veces son demasiado grandes para caber dentro de los pads para SMT. Sin embargo, las microvias pueden caber dentro de los pads sin problemas de fabricación.

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

Las microvias también son útiles para romper arrays de bolas (BGA). Los VIP de microvia pueden caber fácilmente dentro de los pads de BGA de paso fino. Son aún más beneficiosos en canales de breakout. Los VIP ahorran espacio en superficie pero también requieren un alto número de capas para llevar salidas a otras partes de la placa. Las microvias pueden ayudarle a aumentar el ancho de las rutas de escape, lo que puede permitirle usar menos capas para romper un BGA.

Reducción de EMI

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

Los circuitos de alta velocidad a menudo encuentran problemas con la radiación y reflexión de señales en las vías. Reducir el tamaño de las vías, sin embargo, reduce el potencial de radiación, lo que se traduce en menos EMI. Para circuitos de alta velocidad, los stubs (líneas de transmisión o guías de onda conectadas solo en un extremo) son otra causa de problemas de EMI. Los stubs pueden reflejar señales de vuelta a los conductores y atenuar o incluso cancelar la señal original. Dado que las microvias se fabrican capa por capa, no tendrá ningún stub.

Las líneas de transmisión de alta frecuencia, como conductores stripline de microondas y ondas milimétricas, requieren vías para romper señales. Las vías estándar, sin embargo, crean demasiada EMI para su uso en striplines de alta frecuencia. Las microvias, 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.

Rellenar vías con cobre también proporciona varios beneficios, principalmente en las áreas de conductividad térmica y eléctrica.

Conductividad térmica y eléctrica

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

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

Desafíos asociados con las microvias ciegas rellenas de cobre

Ciertos desafíos están asociados con la fabricación de microvias. Estos desafíos a veces pueden llevar a defectos de interconexión (ICD), fallas que ocurren cerca del chapado y la capa de cobre interna. Estos ICD pueden causar problemas de fiabilidad, circuitos abiertos, problemas intermitentes a altas temperaturas y fallos de circuito. Puede ser difícil detectar ICD porque pueden funcionar correctamente durante las pruebas después de la etapa de fabricación, pero luego revelar problemas durante el ensamblaje o el uso. Es importante vigilar estos defectos y fabricar placas cuidadosamente para evitarlos.

ICD basados en residuos

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

En varios tipos de vías, los ICD basados en residuos se están volviendo más comunes, quizás porque más fabricantes están utilizando materiales de bajo DK/bajo DF. Estos materiales son más rentables en muchos aspectos, pero a menudo crean más residuos y son más resistentes químicamente a la limpieza que otros materiales como los materiales epoxi FR-4 estándar.

ICD por fallo de unión de cobre

Otro tipo común de ICD es un fallo de unión de cobre. Este tipo puede ocurrir debido a un alto estrés durante el ensamblaje o el uso, una banda de cobre débil o una combinación de estas dos condiciones. Cuando ocurre un ICD por fallo de unión de cobre, la conexión de cobre se rompe físicamente. Cuanto más débil sea la unión de cobre, menos estrés se necesita para romperla.

La prevalencia de ICD por fallo de unión de cobre parece estar aumentando, posiblemente porque más fabricantes están utilizando PCB más gruesos 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 fallos de unión de cobre. Los fallos de unión de cobre ocurren en microvias así como en vías estándar.

Vacíos y fiabilidad

Los problemas comunes que ocurren en el proceso de chapado de cobre para microvias incluyen relleno incompleto, hoyuelos y vacíos. Estos defectos pueden causar problemas de fiabilidad. Según un estudio de investigadores de la Universidad de Maryland, el relleno incompleto de cobre aumenta los niveles de estrés en las microvias, disminuyendo su vida a fatiga, que es el número de ciclos de carga (estrés) que una muestra puede sostener antes de fallar.

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

El proceso de relleno de cobre para microvias ciegas

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

Al trabajar con microvias ciegas, rellenar los orificios de microvia sin aditivos generalmente resulta en la formación de vacíos. El fabricante siempre deposita cobre hasta que la vía se cierra, pero si no se utilizan aditivos, se deposita menos cobre dentro de la vía que en la superficie, y pueden formarse vacíos.

Ciertos aditivos orgánicos impiden la deposición en la superficie y ayudan a aumentar el chapado dentro de la microvía ciega, lo que conduce a una deposición conformal. El chapado conformal 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 resulta en una microvía con una costura en el centro.

También puede rellenar una microvía ciega con cobre utilizando el método bottom-up, que implica depositar cobre preferencialmente sobre el pad de captura. Este proceso idealmente creará un hoyuelo bajo combinado con un mínimo de cobre chapado en superficie.

Cuando está rellenando 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 la capa externa demasiado gruesa. Tener exceso de cobre añade peso innecesario al PCB y puede resultar en tener demasiado cobre en las pistas. Este problema puede resultar en defectos, incumplimiento de especificaciones o costes aumentados, lo cual es aún más importante con microvias que con vías regulares, ya que las especificaciones de diseño son más estrictas.

Una consideración importante al rellenar microvias ciegas es si utilizar cobre puro o resina epoxi y cobre. Usar cobre puro es un método más tradicional, pero este enfoque puede causar la formación de vacíos. Los contaminantes también pueden quedar atrapados en el cobre. Dejar un reborde en la parte superior del relleno puede ayudar a prevenir estos problemas.

Un enfoque para rellenar vías a través esencialmente crea dos microvias ciegas. Este proceso implica primero usar chapado conformal y luego cambiar a chapado por pulsos agresivo, lo que resulta en 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 microvias ciegas, una en cada lado del PCB. En el siguiente paso, rellenará estas BMV completamente.

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

Microvias ciegas rellenas de cobre de Millennium Circuits Limited

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