Лазерные микропросверливания в платах HDI: проектирование с учётом полного процесса

Лазерное сверление создает небольшие межслойные отверстия путем удаления материала с помощью сфокусированной оптической энергии. В печатных платах с высокой плотностью соединений (HDI) это позволяет соединять тесно расположенные поверхности с близлежащими медными слоями. Готовое микропроходное отверстие — это межслойный контакт, полученный в результате сверления, очистки и металлизации; простое маленькое отверстие само по себе не обеспечивает надежного электрического соединения.

Следовательно, успешный дизайн начинается с утвержденной структуры печатной платы изготовителем и заканчивается планом приемки готовой конструкции.

Что меняет лазер

Механическое сверление удаляет материал с помощью вращающегося инструмента. Лазерное сверление исключает прямой контакт с режущим инструментом и особенно эффективно для мелких элементов и поверхностных межслойных соединений. Ни один из этих процессов не имеет универсального минимального диаметра: достижимая геометрия зависит от используемого оборудования, материала, глубины сверления и производственного процесса.

Отсутствие сверла не означает, что лазерная обработка свободна от механизмов повреждения. Удаление материала может оставлять остатки, изменять стенки отверстия или влиять на целевой медный слой при неконтролируемом процессе. Критически важны фокусировка, подача энергии, регистрация и реакция материала.

Обзор сверления печатных плат LPKF описывает лазерное производство мелких микропроходов и отдельно описывает механическое сверление. Его примеры — это характеристики оборудования, а не производственные правила, применимые ко всем заводам по изготовлению печатных плат.

Процессы CO2 и УФ требуют специфических рецептов для материалов

Системы лазеров CO2 и ультрафиолета по-разному взаимодействуют с медью и диэлектрическими материалами. Обработка с помощью CO2 тесно связана с удалением диэлектрика, тогда как УФ-системы способны обрабатывать как медь, так и диэлектрик при соответствующих рецептурах. Стратегия подготовки меди и открытия отверстий зависит от выбранного процесса.

Не стоит полагать, что любой лазер остановится безвредно на медной мишени независимо от настроек. Надежное поведение при остановке зависит от состава материала и контролируемого воздействия. Точно так же описание УФ-сверления как полностью бестеплового процесса упрощает ситуацию: параметры импульсов и реакция материалов по-прежнему влияют на результат.

Практический вопрос проектирования заключается в том, какой проверенный процесс обеспечивает требуемое отверстие в выбранной конструкции. Название оборудования само по себе не отвечает на этот вопрос. Уточните совокупность поддерживаемых диэлектриков, толщину меди, геометрию захвата и профиль отверстия.

Используйте микропроходы там, где они решают задачу маршрутизации

Поверхностное соединение может освободить место для трассировки, которое полноценный проходной контакт занял бы на других слоях. Это особенно полезно при выводе сигнала из плотно расположенных контактных площадок компонентов или при подключении поверхностной трассировки к соседнему слою.

Короткое соединение также может сократить ненужную длину ствола. Это может помочь при высокоскоростной передаче, но электрические характеристики по-прежнему зависят от контактных площадок, антиплощадок, опорных плоскостей и путей возврата. Микровиа не является автоматически согласованным по импедансу переходом.

Не стоит полагать, что HDI всегда уменьшает общее количество слоёв или стоимость платы. Дополнительные операции нанесения покрытий и ламинирования могут компенсировать выгоды от улучшенной маршрутизации. Сравнивайте полные варианты стеклопакетов, а не только количество отверстий или сигнальных слоёв.

Полезной точкой принятия решения является определение конкретного маршрута, который невозможно реализовать удовлетворительно с более простой конструкцией. Если микропроход решает эту проблему, необходимо количественно оценить, как это влияет на отвод сигнала, непрерывность плоскостей и сложность процесса.

Пусть диэлектрик определяет глубину микропрохода

Глубина микропробоя на соседнем слое зависит от диэлектрика между входным и целевым слоями. Следовательно, диаметр и глубина должны подбираться совместно. Уменьшение диаметра входного отверстия при сохранении той же глубины увеличивает сложность процесса.

Для иллюстрации предложенное отверстие диаметром 100 мкм при глубине 75 мкм имеет номинальное отношение глубины к диаметру 0,75. Такое арифметическое значение не определяет допустимость. Производитель должен подтвердить, как он определяет измеренный диаметр, а также поддерживается ли фактическая коническая геометрия его процессами сверления и напыления.

Целевая контактная площадка должна учитывать точность регистраций и необходимое соединение из меди. Размеры контактной площадки, оставшаяся медь и зазоры должны определяться утвержденными правилами изготовления. Номинальное кольцо, рассчитанное на основе идеально концентричных окружностей, не совпадает с минимальным количеством оставшейся меди после учета производственных отклонений.

Материалы конструкции также влияют на процесс сверления. Стекловолокно, содержание смолы и медь влияют на процесс удаления и конечный профиль. Поэтому замена пропитки другой конструкцией может повлиять на технологичность даже при неизменной номинальной толщине диэлектрика.

иллюстрация

Рисунок 1: Микровия соединяет входной слой с целевым слоем через тонкий диэлектрик. Концептуальный рисунок не отражает универсальных ограничений по размерам.

Сверление сопровождается подготовкой интерфейса

После формирования отверстия процесс должен подготовить мишень и стенки к металлизации. Остатки на границе раздела материалов могут ослабить соединение, даже если отверстие выглядит правильно расположенным при взгляде сверху.

Очистка и активация предшествуют выбранной последовательности нанесения меди. В зависимости от конструкции микропроход может быть покрыт гальваническим слоем или заполнен медью. Заполнение, выравнивание и любое последующее кап-гальваническое покрытие должны быть указаны как часть запланированной структуры.

Отделите медные микропроводники от заполненных смолой переходных отверстий. Оба типа могут присутствовать на плотных платах, но представляют собой разные конструкции. Паста проводящая или непроводящая, упомянутая в одном процессе микропроводника, не должна считаться подходящей для всех конструкций стекированных микропроводников.

Между целевым материалом и осаждённой медью необходимо уделять особое внимание, поскольку внешний вид поверхности не гарантирует прочность внутреннего соединения. Процессы сверления, очистки и напыления следует рассматривать как единый процесс, а не как независимые операции с разными критериями приемки.

Структуры с наложением и смещением накладывают различные ограничения

Созданные стекированными микропроходы выравнивают соединения по вертикали через последовательные слои наращивания. Структуры со ступенчатой компоновкой располагают последовательные соединения в разных поперечных положениях и соединяют их медными маршрутами. Эти решения влияют на площадь, точность позиционирования и последовательность производства.

Создание стека может сэкономить площадь для трассировки, но соединения и заполненная структура требуют соответствующей квалификации. Предупреждение IPC о надежности микропроводников указывает на слабые участки соединения между контактной площадкой и медным заполнением как на проблему в стекированных структурах и обсуждает отказы, которые могут остаться незамеченными при традиционной проверке.

Это не означает, что каждый стекированный конструктив обязательно выходит из строя или что каждый смещенный конструктив автоматически безопасен. Это означает, что предложенный конструктив должен быть подкреплён доказательствами, соответствующими его технологическим и эксплуатационным требованиям. Не превращайте общий чертёж в утверждённый стек-ап без участия изготовителя.

Согласуйте передачу производства

Перед выпуском макета убедитесь в правильности пар слоев, конструкции диэлектриков, определения отверстий, целевых и захватных контактных площадок, требований к заполнению и допустимых схем стекания. Проверьте, как будут обеспечены припойные свойства в местах расположения микропроходов в контактных площадках, а также предполагает ли процесс сборки плоскую закрытую поверхность.

Затем определите контроль и тестирование. Срезы позволяют визуализировать геометрию и выбранные внутренние элементы; электрические испытания проверяют соединения, к которым они имеют доступ. Для структур с высокими тепловыми нагрузками план приемки может также включать типовые образцы и тестирование после соответствующего теплового воздействия.

Полезная проверка выпуска заключается в том, чтобы убедиться, что каждое измерение и предположение о материале в макете соответствуют конструкции, которую указал изготовитель. Если предложенное изменение увеличивает толщину диэлектрика или меняет систему смолы, необходимо пересмотреть параметры микропроходов, а не по умолчанию сохранять старые размеры отверстий.

Заключение

Лазерные микропроходы ценны, когда решают конкретную задачу маршрутизации или межсоединения. Их надежность обеспечивается согласованием конструкции слоев, геометрии отверстий, подготовки целевых участков, процесса меди и валидации. Проектируйте полную систему межсоединений, а не рассматривайте диаметр лазера как единственный параметр возможностей.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Является ли наименьшее доступное лазерное отверстие оптимальным выбором?

Нет. Более крупная поддерживаемая функция может обеспечить достаточную маршрутизацию при одновременном снижении сложности производства. Выберите геометрию, необходимую для проекта, в рамках квалифицированного процесса изготовителя.

Вопрос 2: Можно ли разместить микровывод непосредственно в контактной площадке компонента?

Да, если геометрия контактной площадки и обработка отверстия соответствуют требованиям изготовления и сборки. Убедитесь в наличии заполнения, плоскостности и требований к припаиваемости, вместо того чтобы предполагать, что незаполненное отверстие допустимо.