Análisis de causa raíz de fallos en vias ciegas con relleno de cobre en PCB huecas

En los últimos años, con el rápido desarrollo de productos electrónicos de vídeo digital y comunicaciones móviles, estos productos impulsan los PCB hacia ligereza, delgadez, miniaturización, multifunción, alta densidad y fiabilidad. El espacio limitado de enrutado lleva a un estrecho límite entre vias, pistas, pistas-vias, y al surgimiento del proceso de relleno de cobre en vias, aumentando la densidad de PCB aproximadamente un 10%-30%. La Figura 1 muestra una placa HDI (High Density Interconnection) basada en relleno de cobre en vias.

Dado que el diseño de vias ahorra espacio de enrutado y las vias ciegas rellenas de cobre ofrecen alta fiabilidad, el plateado de vias ciegas con relleno de cobre tiene muchas ventajas. Además, el proceso es relativamente simple, ahorra costes y tiene procedimiento simplificado. Por estos méritos, el plateado de vias ciegas con relleno de cobre se aplicará masivamente en fabricación de PCB HDI, considerado una tendencia futura. Sin embargo, aún ocurren problemas: hoyuelos extremadamente grandes, fugas y cavidades vacías dentro de las vias. Como dolor de cabeza para fabricantes, muchos elementos complejos contribuyen a cavidades vacías. Este artículo discute las causas y aporta medidas correspondientes para resolver el fallo y aumentar el rendimiento.

Análisis de fallos

Muchos elementos causan cavidades vacías en vias ciegas con relleno de cobre; cada uno debe analizarse desde sus características y mecanismo de formación para optimizar el efecto.

Burbujas en vias ciegas

Las fuentes de burbujas son externas (arrastradas) y de autorreacción. Generalmente, se requiere flash plating (plateado rápido) en PCB antes del relleno de cobre para reforzar conductividad y facilitar almacenamiento. Si las placas permanecen expuestas al aire mucho tiempo, se produce oxidación severa, por lo que el tiempo de permanencia no debe ser largo. Un mal preproceso lleva a no eliminar burbujas y plano de oxidación, aumentando la tasa de cavidades vacías, como indica la Figura 2.

Las burbujas también provienen de la reacción anódica en el tanque de cobre: con ánodo insoluble, la reacción H₂O → ½O₂ + 2e⁻ + 2H⁺ ocurre en el ánodo, liberando oxígeno, lo que lleva a alta compensación de aditivos, aumento de vida del ánodo o incluso pasivación y defectos en PCB. Para resolverlo, se añade sulfato ferroso moderado al baño para eliminar el oxígeno escapado, mediante reacciones: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻, Fe³⁺ + Cu → Fe²⁺ + e⁻.

Para asegurar la reacción, el Cu debe añadirse constantemente (generalmente polvo de óxido cúprico). Simultáneamente, para reducir reacción parásita en cátodo, se exigen mayores requisitos en flujo del baño y material de cátodo.

Este fallo por cavidad vacía suele ocurrir en el fondo de vias ciegas, mostrando formas simétricas y regulares. Para mejorarlo, medidas desde:

• Controlar bien tiempo de permanencia y entorno de almacenamiento antes del relleno. Comúnmente, placas sin flash plating deben completar relleno en 4 horas; con flash plating, en 12 horas. Almacenar lejos de ambiente ácido, preferiblemente en salas con aire acondicionado controlando temperatura y humedad.
• Mejorar efecto de preproceso y añadir dispositivos de eliminación de burbujas. El preproceso es crucial, directamente relacionado con efecto de relleno. Se aconseja desengrasante ácido y aumentar caudal de agua. En invierno, con agua fría (<15 °C), añadir un poco de ácido sulfúrico en lavado tras desengrasante o añadir dispositivos de calentamiento. Además, montar vibración y válvula de aire en tanque de preproceso para eliminar burbujas en vias.
• Selección de material de ánodo del tanque de cobre y control de parámetros de corriente. Basado en la segunda fuente de burbujas, es vital seleccionar material de ánodo adecuado. Debe mejorar rendimiento del ánodo y reducir consumo de aditivos. Si parámetros de corriente son demasiado grandes, reacciones en ánodo se aceleran, aumentando burbujas que entran en vias ciegas y no pueden eliminarse. Además de selección y control, se requieren bolsa de ánodo o capa protectora fuera de la red de ánodo para evitar que burbujas generadas entren directamente al baño.

Desequilibrio de componentes de aditivos

Los componentes del baño de relleno incluyen sulfato de cobre, ácido sulfúrico, ion cloruro y aditivos. El efecto de relleno se logra mediante el mecanismo de acción entre componentes. Los aditivos actúan mutua e independientemente: el abrillantador absorbe características o rasgos eléctricos en la interfaz del electrodo, cambiando forma y propiedad de los depósitos para obtener el plano de plateado requerido. El agente de entrega impulsa al abrillantador hacia cada distribución de hoyuelo del cátodo, pero no funciona sin iones cloruro. El agente de entrega iguala distribución desigual gracias a su capacidad de nivelación y plateado uniforme. El agente nivelante tiende a ser absorbido por posiciones con electronegatividad fuerte por su electropositividad en solución ácida, dificultando depósito de iones cobre sin influencia de áreas de baja densidad de depósito, por competencia con iones cobre positivos.

Es crucial controlar componentes y cantidad de aditivos; el fallo de control lleva a mal relleno o cavidad vacía, como muestra la Figura 3.

La resolución para fallo de cavidad por esta causa radica en control de componentes y cantidad de aditivos:

• Calibrar periódicamente caudal de aditivos para asegurar caudal exacto y control efectivo.
• Realizar tratamiento con carbón periódicamente según contaminación del baño.
• Analizar componentes de agentes periódicamente y estimar contenido de aditivos y efecto de plateado mediante experimento Hull Cell para verificar si el efecto está en rango normal y ajustar a tiempo.

Causa de materia extraña

El entorno de líneas de proceso de relleno, suministros aplicados y actividades diarias de producción generan contaminaciones con distintos grados. Todo tipo de materias extrañas o contaminantes son inevitables. Para micro-materias, no son visibles y es extremadamente difícil eliminarlas. Una vez entran en vias ciegas, tienden a crear cavidad vacía, como muestra la Figura 4.

Para este fallo, la causa es fácil de encontrar. Mediante SEM, se observa la forma de la cavidad en vias ciegas. Medidas para encontrar fuente de materias extrañas:

• Evitar que materias extrañas externas entren al baño; se sugiere línea de proceso cerrada.
• Verificar si materiales aplicados o pureza de agentes cumplen estándar y requisitos de fabricación PCB.
• Implementar filtrado periódico y control de pureza en agentes de plateado para asegurar viveza y color claro.

Conclusiones

Naturalmente, las causas de cavidad vacía en vias ciegas son más que las listadas; hay muchas, incluyendo clasificación de material por constante dieléctrica, espesor, tipo de via ciega y parámetros de corriente de plateado.

En conclusión, la clave es encontrar la razón del fallo de cavidad vacía. Observar la forma, resumir experiencia, encontrar reglas y realizar investigación con métodos de análisis. Además, basándose en el mecanismo, se deben promulgar directrices de operación científica y llevar a cabo estrictamente reglas de mejora y prevención para resolver problemas y aumentar constantemente rendimiento y fiabilidad.

Recursos útiles:
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