Las microvías se utilizan como interconexiones entre capas en sustratos de interconexión de alta densidad (HDI) y placas de circuito impreso (PCB) para adaptarse a la alta densidad de entrada / salida (E / S) de los paquetes avanzados. Impulsada por la portabilidad y las comunicaciones inalámbricas, la industria de la electrónica se esfuerza por producir productos asequibles, ligeros y fiables con una mayor funcionalidad. A nivel de componentes electrónicos, esto se traduce en componentes con mayores E / S con áreas de huella más pequeñas (por ejemplo, paquetes de chip invertido, paquetes de escala de chip y accesorios de chip directos), y en la placa de circuito impreso y el nivel de sustrato del paquete, a la uso de interconexiones de alta densidad (IDH) (por ejemplo, líneas y espacios más finos y vías más pequeñas ).
Descripción general
Los estándares de IPC revisaron la definición de microvía en 2013 a un agujero con una relación de aspecto de 1: 1. Que es la relación entre el diámetro del agujero y la profundidad (que no debe superar los 0,25 mm). Anteriormente, microvía era cualquier orificio menor o igual a 0,15 mm de diámetro [1]
Con la llegada de los teléfonos inteligentes y los dispositivos electrónicos portátiles, las microvías han evolucionado de un solo nivel a microvías apiladas que cruzan múltiples capas de HDI. La tecnología de acumulación secuencial (SBU) se utiliza para fabricar placas HDI. Las capas HDI generalmente se construyen a partir de una placa de núcleo de doble cara o PCB multicapa fabricada tradicionalmente. Las capas de HDI se construyen en ambos lados del PCB tradicional una por una con microvías. El proceso SBU consta de varios pasos: laminación de capas, vía formación, vía metalización y vía llenado. Hay múltiples opciones de materiales y / o tecnologías para cada paso. [2]
Las microvías se pueden rellenar con diferentes materiales y procesos: [3] (1) rellenar con resina epoxi (etapa b) durante un paso del proceso de laminación secuencial; (2) relleno con material no conductor o conductor que no sea cobre como un paso de procesamiento separado; (3) chapado cerrado con cobre galvanizado; (4) serigrafiado cerrado con pasta de cobre. Se requiere que se llenen las microvías enterradas, mientras que las microvías ciegas en las capas externas generalmente no tienen ningún requisito de llenado. [4] Una microvía apilada generalmente se llena con cobre galvanizado para hacer interconexiones eléctricas entre múltiples capas de HDI y proporcionar soporte estructural para el (los) nivel (s) exterior (es) de la microvía o para un componente montado en la almohadilla de cobre más externa.
Fiabilidad de Microvia
La confiabilidad de la estructura HDI es una de las principales limitaciones para su implementación generalizada exitosa en la industria de PCB. La buena fiabilidad termomecánica de las microvías es una parte esencial de la fiabilidad de HDI. Numerosos investigadores y profesionales han estudiado la fiabilidad de las microvías en PCB HDI. La confiabilidad de las microvías depende de muchos factores, como los parámetros de geometría de las microvías, las propiedades del material dieléctrico y los parámetros de procesamiento.
La investigación de confiabilidad de Microvías se ha centrado en la evaluación experimental de la confiabilidad de microvías sin relleno de un solo nivel, así como en el análisis de elementos finitos en las distribuciones de tensión / deformación en microvías de un solo nivel y estimación de la vida de fatiga de las microvías. Las fallas de microvías identificadas a partir de la investigación incluyen la separación interfacial (separación entre la base de la microvía y la almohadilla del objetivo), grietas en el barril, grietas en las esquinas / rodillas y grietas en la almohadilla del objetivo (también conocidas como extracción de microvías). Estas fallas resultan de las tensiones termomecánicas causadas por el desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE), en la dirección del espesor de la PCB, entre la metalización en una estructura de microvías y los materiales dieléctricos que rodean el metal. El siguiente párrafo destaca algunas de las investigaciones sobre confiabilidad de microvías.
Ogunjimi y col. [5] analizó el efecto de las variables del proceso de fabricación y diseño en la vida a fatiga de las microvías, incluido el grosor de la traza (conductor), la capa o capas del dieléctrico alrededor de la traza y en la microvía, a través de la geometría, el ángulo de la pared, el coeficiente de ductilidad del material conductor y factor de concentración de deformación. Se crearon modelos de elementos finitos con diferentes geometrías y se utilizó el método ANOVA para determinar la significancia de las diferentes variables del proceso. Los resultados de ANOVA mostraron que el factor de concentración de deformación fue la variable más importante, seguido del factor de ductilidad, el espesor de metalización y el ángulo de la pared. Prabhu y col. [6] realizó un análisis de elementos finitos (FEA) en una estructura de microvías de HDI para determinar el efecto del ciclo de temperatura acelerado y el choque térmico. Liu y col. [7] y Ramakrishna et al. [8] realizaron pruebas de choque térmico líquido a líquido y aire a aire, respectivamente, para estudiar el efecto de las propiedades del material dieléctrico y los parámetros de geometría de microvías, como el diámetro de microvías, el ángulo de la pared y el espesor de la placa, sobre la confiabilidad de las microvías. Andrews y col. [9] investigó la confiabilidad de microvías de un solo nivel utilizando IST (prueba de esfuerzo de interconexión) y consideró el efecto de los ciclos de reflujo de la soldadura sin plomo. Wang y Lai [10] investigaron los posibles sitios de falla de las microvías utilizando modelos de elementos finitos. Descubrieron que las microvías llenas tienen un estrés menor que las microvías sin llenar. Choi y Dasgupta introdujeron el método de inspección no destructiva de microvías en su trabajo. [11]
Aunque la mayoría de las investigaciones sobre confiabilidad de microvías se enfocan en microvías de un solo nivel, Birch [3] probó microvías apiladas y escalonadas de múltiples niveles utilizando la prueba IST. El análisis de Weibull de los datos de prueba mostró que las microvías apiladas de uno y dos niveles duran más que las microvías de 3 y 4 niveles (por ejemplo, las microvías apiladas de 2 niveles experimentaron aproximadamente 20 veces más ciclos de falla que las microvías apiladas de 4 niveles).
Vaciado de microvías y su efecto sobre la fiabilidad termomecánica
Un desafío para el desarrollo de placas de interconexión de alta densidad es fabricar microvías confiables, especialmente para microvías apiladas, sin que resulten en un relleno incompleto, hoyuelos o huecos en el proceso de recubrimiento de cobre. [12] Los autores de [12] han estado investigando el riesgo de microvías en términos de huecos y otros defectos utilizando tanto pruebas experimentales como análisis de elementos finitos. Descubrieron que el relleno de cobre incompleto aumenta los niveles de estrés en las microvías y, por lo tanto, disminuye la vida de fatiga de las microvías. En cuanto a los vacíos, las diferentes condiciones de los vacíos, como los diferentes tamaños, formas y ubicaciones de los vacíos, tienen como resultado diferentes efectos sobre la confiabilidad de la microvía. Los pequeños huecos de forma esférica aumentan ligeramente la vida de fatiga de las microvías, pero las condiciones de vaciamiento extremas reducen en gran medida la duración de las microvías. Este equipo está desarrollando actualmente un método de calificación que la industria electrónica puede usar para evaluar los riesgos de usar una placa de circuito HDI que emplea microvías.
Referencias
- ^ https://blog.ipc.org/2014/01/10/new-microvia-definition-seeing-broader-usage/
- ^ Happy Holden et al., The HDI Handbook, 1ª edición. Disponible en: http://www.hdihandbook.com/
- ^ a b B. Birch, "Pruebas de confiabilidad para microvías en placas de alambre impreso", Circuit World, vol. 35, núm. 4, págs. 3 a 17, 2009
- ^ IPC-6016, "Especificación de calificación y rendimiento para estructuras de interconexión de alta densidad (HDI)", mayo de 1999
- ^ AO Ogunjimi, S. Macgregor y MG Pech, "El efecto de las variabilidades del proceso de fabricación y diseño en el archivo de fatiga de las vías de interconexión de alta densidad", Journal of Electronics Manufacturing, vol. 5, núm. 2, Jule 1995, págs. 111-119
- ^ COMO Prabhu, DB Barker, MG Pecht, JW Evans, W. Grieg, ES Bernard y E. Smith, "Un análisis de fatiga termomecánica de vías de interconexión de alta densidad", Avances en embalaje electrónico, vol. 10, N ° 1, 1995
- ^ F. Liu, J. Lu, V. Sundaram, D. Sutter, G. White y DF Baldwin, y Rao R, "Evaluación de la confiabilidad de las microvías en la placa de circuito impreso HDI", Transacciones de IEEE sobre componentes y tecnologías de embalaje, vol. 25, núm. 2, junio de 2000, págs. 254-259
- ^ G. Ramakrishna, F. Liu y SK Sitaramana, "Investigación numérica y experimental de la confiabilidad de Microvia", La octava conferencia entre sociedades sobre fenómenos térmicos y termomecánicos en sistemas electrónicos, 2002, págs. 932 - 939
- ^ [14] P. Andrews, G. Parry, P. Reid, "Preocupaciones en el entorno de ensamblaje sin plomo", 2005
- ^ T. Wang y Y. Lai, "Análisis de estrés para el potencial de fractura de la vía ciega en un sustrato acumulado", Circuit World, vol. 32, núm. 2, 2006, págs: 39-44
- ^ C. Choi y A. Dasgupta, Método de inspección no destructiva de Microvia, Actas del Congreso y Exposición Internacional de Ingeniería Mecánica de ASME, Vol. 5, 2009, págs. 15-22, doi: 10.1115 / IMECE2009-11779.
- ^ a b Y. Ning, MH Azarian y M. Pecht, Simulación de la influencia de la calidad de fabricación en el estrés termomecánico de las microvías, Conferencia técnica de IPC APEX 2014, 25 al 27 de marzo de 2014