Elektroniikkateollisuuden vääjäämätön miniatyrisoitumiskehitys vaatii jatkuvaa innovaatiota piirilevyjen (PCB) valmistuksessa. Kun puolijohteiden solmukoot pienenevät ja pakkausten koot tiivistyvät, myös niiden pohjana toimivan substraatin ja piirilevyn on pysyttävä kehityksen vauhdissa. Tässä astuu kuvaan M-SAP-tekniikka – Modified Semi-Additive Process. Tämä edistyksellinen valmistustekniikka on noussut keskeiseksi mahdollistajaksi korkeatiheyksisille liitäntälevyille (HDI), jotka vaativat alle 25 mikronin viiva- ja väli- (L/S) geometrioita.
M-SAP-tekniikka täyttää aukon perinteisten subtraktiivisten etsausprosessien – joissa alle 40 mikronin paksuuksilla esiintyy ongelmia trapetsoidisten johtoprofiilien ja alaleikkauksen vuoksi – ja pääasiassa integroitujen piirien pakkausalustoissa käytetyn Advanced Semi-Additive Process (ASAP) -prosessin välillä. Hyödyntämällä ohutta kuparista siemenkerrosta, jota seuraa additiivinen galvanointi ja pikasyövytys, M-SAP-tekniikka antaa piirilevyinsinööreille mahdollisuuden saavuttaa ennennäkemätön reititystiheys, erinomainen signaalin eheys ja poikkeuksellinen impedanssin hallinta. Tämä tekniikka luo fyysisen perustan 5G-infrastruktuurin, edistyneiden ajamista avustavien järjestelmien (ADAS) ja korkean suorituskyvyn laskennan (HPC) sovellusten tiukoille vaatimuksille.
Sisällysluettelo
Pyrkimys alle 25 mikronin viiva- ja väliväliin
Pyrkimys alle 25 mikronin viiva- ja väliin ei ole mielivaltaista; se on suora seuraus nykyaikaisten elektroniikkakomponenttien kasvavasta nastojen lukumäärästä ja pienenevistä väleistä. Ball Grid Array -pakkaukset (BGA) ja Chip-Scale Package -pakkaukset (CSP) suunnitellaan nykyään rutiininomaisesti 0,3 mm:n tai sitä pienemmillä väleillä. Signaalien reitittäminen näistä tiheistä matriiseista vaatii uskomattoman hienoja johtimia ja mikrovia-reikiä, joita ei yksinkertaisesti voida valmistaa vanhoilla subtraktiivisilla tekniikoilla. Lisätietoja Via-in-Pad Plated Over (VIPPO): Suunnitteluohjeet tiheäpisteisille BGA-liitäntöille.
Lisäksi televiestintä- ja dataviestintäinfrastruktuurissa vaadittavan suuremman kaistanleveyden vuoksi johtojen geometriaa on valvottava tiukasti. Perinteisessä subtraktiivisessa etsauksessa johtojen poikkileikkaus on trapetsoidinen. Korkeammilla taajuuksilla pintavaikutuksen vuoksi virta kulkee pääasiassa johtimen reunaa pitkin. Subtraktiivisesti valmistettujen johtojen epäsäännölliset reunat ja vaihteleva leveys ylä- ja alaosassa aiheuttavat impedanssin epäjatkuvuuksia, ylikuulumista ja merkittäviä insertointihäviöitä. Alle 25 mikronin L/S-suhteen saavuttaminen tarkasti hallitulla suorakulmaisella poikkileikkauksella on välttämätöntä näiden haitallisten vaikutusten minimoimiseksi ja virheettömän signaalinsiirron varmistamiseksi monigigahertsin taajuuksilla.
Perinteiset subtraktiiviset prosessit vs. M-SAP-prosessit
Jotta M-SAP-tekniikan tuomaa paradigmanmuutosta voitaisiin täysin ymmärtää, sitä on verrattava perinteiseen subtraktiiviseen valmistusmenetelmään. Lisätietoja Paluureitin optimointi: Vankkojen vertailutasoiden suunnittelu korkeataajuisten signaalien eheyden varmistamiseksi.
Perinteisessä subtraktiivisessa prosessissa piirilevy valmistetaan aluksi laminaattilevystä, joka on kokonaan peitetty suhteellisen paksulla kuparifoliokerroksella (tyypillisesti 12–35 mikronia, mikä vastaa puolta unssia – yhtä unssia kuparia). Halutut johtokuvioinnit suojataan levittämällä, valottamalla ja kehittämällä fotoresistiä. Suojaamaton kupari syövytetään sitten pois kemiallisesti. Tärkein rajoitus tässä on syövytysprosessin isotrooppinen luonne. Etsausaine poistaa kuparia paitsi pystysuunnassa myös sivusuunnassa, jolloin se syövyttää fotoresistin alle. Tämä fyysinen rajoitus rajoittaa saavutettavan linjan ja välin vähimmäisleveyden noin 40–50 mikroniin. Yritykset mennä tätä pidemmälle johtavat johtokuvioiden rakenteellisen eheyden heikkenemiseen, epätasaiseen impedanssiin tai johtokuvioiden täydelliseen irtoamiseen.
Sen sijaan M-SAP-menetelmässä lähtökohtana on erittäin ohut kuparifolio (yleensä 1,5–3 mikronia) tai erittäin ohut kemiallisesti muodostettu kuparinen siemenkerros, joka on laminoitu dielektrisen pohjan päälle. Fotoresisti levitetään ja kuvioidaan, jolloin muodostuu tarkasti määritellyt urat, joihin johtimet muodostetaan. Tämän jälkeen kupari pinnoitetaan elektrolyyttisesti ylös näiden urien sisällä. Kun pinnoitus on saavuttanut halutun paksuuden, valoherkkä kalvo poistetaan, jolloin jäljelle jäävät kestävät pinnoitetut johtimet paljastetun ohuen aluskerroksen vieressä. Lopuksi nopea ja tarkasti hallittu ”flash-etsaus” poistaa ohuen aluskerroksen substraatista. Koska siemenkerros on erittäin ohut, flash-etsaus kestää vain muutaman sekunnin, mikä minimoi pinnoitettuihin johtimiin kohdistuvan sivuttaisen syövytyksen. Tuloksena ovat suorat pystysuorat sivuseinät, suorakulmaiset poikkileikkaukset ja luotettava alle 25 mikronin L/S-reititys.
Muokatun semi-additiivisen prosessin tärkeimmät edut
M-SAP-tekniikan käyttöönotto tarjoaa merkittäviä teknisiä etuja, jotka ulottuvat paljon pelkkää miniatyrisointia pidemmälle ja vaikuttavat ratkaisevasti lopputuotteen sähköisiin ominaisuuksiin ja luotettavuuteen.
Ensinnäkin on mainittava johtojen geometrian tarkkuus. Additiivinen pinnoitusprosessi, joka rajoittuu tarkasti LDI-tekniikalla määriteltyihin fotoresistikaivantoihin, tuottaa poikkeuksellisen suorat johtimien seinämät. Tämä suorakulmainen profiili on elintärkeä radiotaajuus- (RF) ja nopeiden digitaalisten piirien suunnittelussa. Se tarjoaa erittäin ennustettavat ja vakaat impedanssiominaisuudet, mikä vähentää merkittävästi signaalin heijastumista, signaalin vaimennusta ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI).
Toiseksi M-SAP lisää reititystiheyttä merkittävästi. Kun linja- ja väli-etäisyydet voidaan toteuttaa alle 25 mikronin tarkkuudella, suunnittelijat voivat reitittää enemmän signaaleja samalle kerrokselle. Tämän ratkaisevan ominaisuuden ansiosta insinöörit voivat vähentää tietyn monimutkaisen piirikaavion edellyttämien kerrosten kokonaismäärää. Tämä kerrosten määrän väheneminen voi kompensoida kehittyneeseen M-SAP-prosessiin liittyvät korkeammat valmistuskustannukset, mikä johtaa ohuempaan piirilevyn profiiliin, kevyempään painoon ja mahdollisesti alhaisempiin kokonaismateriaalikustannuksiin.
Lopuksi M-SAP parantaa rakenteellista luotettavuutta erittäin tiheissä piirisarjoissa. Mahdollisuus pinnoittaa tiheitä rakenteita ilman ylisyövytyksen riskiä varmistaa, että hienot johdot säilyttävät mekaanisen kestävyytensä lämpösyklien ja fyysisen rasituksen aikana. Pinnoitetun kuparin vahva tarttuvuus erittäin ohueen siemenkerrokseen tarjoaa vankan liitosrakenteen, joka kestää mikrohalkeilua ja vikaantumista vaativissa ympäristöolosuhteissa.
M-SAP:n käyttöönotto piirilevyjen valmistuksessa (vaiheittainen opas)
Noudata näitä suunnittelusääntöjä.
- Alustan valmistelu ja siemenkerroksen levitys
Prosessi alkaa erikoistuneella dielektrisellä materiaalilla, joka on optimoitu korkean taajuuden suorituskyvyn, alhaisen häviökertoimen ja mahdollisimman pienen pinnan karheuden saavuttamiseksi. Tälle dielektriselle materiaalille muodostetaan erittäin ohut kuparikerros. Tämä voidaan toteuttaa joko laminoimalla erittäin ohut kuparifolio (tyypillisesti 1,5–3,0 μm) prepreg-materiaalin päälle käyttäen tukifoliota vakauden varmistamiseksi, tai levittämällä ohut kerros kemiallisesti puhdistettua ja esikäsiteltyä kuparia suoraan dielektrisen materiaalin pinnalle. Tämän aluskerroksen ehdoton tasaisuus ja korkea irrotuslujuus ovat ratkaisevia edellytyksiä seuraaville pinnoitusvaiheille.
- Fotoresistin levitys ja laserilla suoritettava kuvantaminen (LDI)
Herkän aluskerroksen päälle laminoidaan erityinen korkean resoluution kuivakalvotofotoresisti. Alle 25 mikronin kokoisien erittäin hienojen rakenteiden tuottamiseksi perinteinen, fyysisiä lasimaskeja käyttävä fotolitografia on täysin riittämätön diffraktiosta ja kohdistustoleransseista johtuen. Fotoresistin valottamiseen käytetään yksinomaan Laser Direct Imaging (LDI) -tekniikkaa. LDI-menetelmässä käytetään erittäin tarkasti kohdistettua lasersädettä piirikuviota varten suoraan CAD-tiedoista fotoresistille, jolloin substraattipaneelin mittojen muutokset tai vääristymät kompensoidaan automaattisesti reaaliajassa. Valottamaton fotoresisti kehitetään sitten pois, jolloin jäljelle jäävät syvät, täysin pystysuorat urat, jotka määrittelevät tarkat reitity kanavat.
- Elektrolyyttinen kuparointi
Paneeli upotetaan tarkasti säädeltyyn elektrolyyttiseen pinnoituskylpyyn. Ohut kuparinen aluskerros toimii katodina ja johtaa sähkövirtaa koko levyn pinnan yli. Liuoksesta peräisin olevat kupari-ionit kerrostuvat valikoivasti vain niihin paljastuneisiin uriin, joista valoherkkä pinnoite on poistettu. Kehittyneitä pinnoituskemikaaleja, joissa on huolellisesti tasapainotetut orgaaniset lisäaineet – erityisesti tasoittajia, kiillotusaineita ja kantaja-aineita – käytetään varmistamaan täysin tasainen kuparin kerrostuminen näihin mikro-urien sisään, mikä estää ”dog-boning”-ilmiön tai epätasaiset johtimien korkeudet vaihtelevissa kuviointi-tiheyksissä.
- Fotoresistin poisto
Kun elektrolyyttinen pinnoitus on muodostanut kestävät kuparijohdot haluttuun tekniseen paksuuteen (esim. 12–20 μm), jäljellä oleva kuivakalvokuvaresisti on poistettava puhtaasti. Resistin liuottamiseksi ja huuhtelemiseksi käytetään voimakkaita kemiallisia irrotusaineita, jolloin vastikään muodostuneet suorakulmaiset johtimet ja niiden välissä oleva alkuperäinen erittäin ohut kuparinen siemenkerros paljastuvat.
- Siemenkerroksen flash-etsaus
Viimeinen ja luultavasti herkin vaihe on differentiaalinen flash-etsaus. Erittäin aggressiivista, mutta huolellisesti säädeltyä etsausainetta käytetään paljastuneen ohuen siemenkerroksen nopeaan liuottamiseen, jolloin yksittäiset kuparijohdot eristetään sähköisesti toisistaan. Koska siemenkerros on vain muutaman mikronin paksuinen, etsausprosessi on erittäin lyhyt. Tämä tarkoituksellinen lyhyys minimoi paksumpien pinnoitettujen johtojen sivuttaisen syövytyksen (alasyövytyksen) ja säilyttää niiden suorakulmaisen profiilin, impedanssiominaisuudet ja rakenteellisen eheyden. Syövyttämiskemian, lämpötilan ja ruiskutuspaineen huolellinen automaattinen hallinta on välttämätöntä, jotta siemenkerros voidaan poistaa kokonaan vaarantamatta kriittisiä, alle 25 mikronin levyisiä johtoja.
Siirtyminen M-SAP-tekniikkaan edellyttää erikoistuneita valmistuslaitteita, tiukkoja puhdastilan ympäristövalvontatoimenpiteitä sekä kemiallisten ja mekaanisten toimenpiteiden tarkkaa suoritusjärjestystä.
M-SAP:n suunnitteluun liittyvät seikat
M-SAP-tekniikkaan suunnittelu edellyttää, että sähkö- ja piirisuunnitteluinsinöörit päivittävät merkittävästi suunnittelusääntöjään, simulointimallejaan ja materiaalivalintaperusteitaan. Välittömin vaikutus on perinteisten johtojen leveys- ja etäisyysrajoitusten lieventyminen, mutta alle 25 mikronin mittakaavassa työskentely tuo mukanaan vakavia uusia haasteita.
Dielektrisen materiaalin ja kuparifolion pinnan karheus nousee ratkaisevaksi tekijäksi signaalin häviössä taajuuksilla, jotka ylittävät 10 GHz. Suunnittelijoiden on määriteltävä erittäin matalaprofiiliset (ULP) tai hypermatalaprofiiliset (HLP) kuparifoliot sekä korkealaatuiset, vähähäviöiset laminaattimateriaalit. Myös pinnoitetun kuparin ja tietyn pintakäsittelyn (kuten ENIG, ENEPIG tai upotushopea) välinen vuorovaikutus on mallinnettava huolellisesti 3D-sähkömagneettisten kenttien laskentasoftwareilla.
Kun reititetään suurinopeuksisia differentiaalipareja alle 25 mikronin geometrioissa, johtojen välinen kytkentä on voimakasta. Tarkan etäisyyden säilyttäminen pitkillä reiteillä on ratkaisevan tärkeää differentiaalisen impedanssin hallinnan kannalta. M-SAP:n LDI-prosessi on tässä erinomainen, sillä se tarjoaa lähes täydellisen yhdensuuntaisuuden, mutta suunnittelussa on otettava huomioon tiukat valmistustoleranssit vaihepoikkeaman välttämiseksi.
Lisäksi lämmönhallinta nousee keskeiseksi tekijäksi. Tiheän logiikan ja ohuiden johtojen pakkaaminen pienemmälle alueelle lisää merkittävästi paikallista lämpövirtaustiheyttä. Insinöörien on otettava käyttöön edistyneitä lämmönpoistostrategioita, kuten tiheitä lämpöliitäntäryhmiä, upotettuja kuparilevyjä ja korkean lämmönjohtavuuden omaavia dielektrisiä materiaaleja, ylikuumenemisen estämiseksi ja pitkän aikavälin luotettavuuden ylläpitämiseksi. Myös johtojen kuvasuhdetta (korkeus suhteessa leveyteen) on hallittava. Vaikka M-SAP mahdollistaa erittäin kapeat johdot, liian korkeat ja kapeat johdot voivat olla rakenteellisesti epävakaita ja alttiita irtoamiselle myöhemmissä laminointisyklissä. Tiivis yhteistyö piirilevyvalmistajan kanssa on välttämätöntä optimaalisen kerrostusrakenteen ja suunnittelusääntöjen tarkistuksen (DRC) profiilin määrittämiseksi.
Sovellukset seuraavan sukupolven elektroniikassa
Kyky valmistaa luotettavasti alle 25 mikronin kokoisia L/S-komponentteja vauhdittaa innovaatioita ja mahdollistaa uusia muotoiluratkaisuja useilla korkean teknologian aloilla. Lisätietoja Peräkkäinen laminointi: minkä tahansa kerroksisen HDI-piirilevyn valmistusprosessin hallinta.
Mobiili- ja kuluttajaelektroniikan alalla älypuhelimet, älykellot sekä AR/VR-lasit nojaavat vahvasti M-SAP-tekniikkaan. Sen ansiosta valmistajat voivat mahduttaa yhä kehittyneempiä toimintoja – kuten useita korkean resoluution kameroita, laitteeseen integroitua valtavaa tekoälyprosessointitehoa ja monikaistaisia 5G mmWave -modeemeja – yhä pienempiin, lämpörajoitteisiin alttiisiin laitteisiin. Näiden laitteiden HDI-piirilevyissä käytetään Any-Layer-tyyppisiä välirei'ityksiä (IVH), jotka on tiiviisti integroitu erittäin hienojakoiseen M-SAP-reititykseen.
Autoteollisuudessa autonomisen ajamisen ja ADAS-järjestelmien nopea yleistyminen edellyttää valtavia määriä tutka-, LiDAR- ja kamerasensoreista saatavan datan käsittelyä. Näiden järjestelmien keskusprosessointimoduulit vaativat erittäin tiheästi pakattuja liitäntöjä, jotka toimivat moitteettomasti ankarissa, voimakkaasti tärisevissä ja korkean lämpötilan olosuhteissa. M-SAP tarjoaa tarvittavan reititystiheyden ja tinkimättömän signaalin eheyden näihin kriittisiin turvallisuussovelluksiin.
Myös suurteholaskenta (HPC), tekoälyn kiihdyttimet ja datakeskusinfrastruktuuri hyödyntävät M-SAP-tekniikkaa laajasti. Monimutkaisia tekoälytehtäviä käsittelevät palvelimet vaativat valtavaa muistikaistanleveyttä sekä nopeaa ja viiveetöntä tiedonsiirtoa massiivisten CPU-prosessoreiden, rinnakkaisten GPU-prosessoreiden ja suurikaistaisen muistin (HBM) moduulien välillä. M-SAP-prosessilla valmistetut Substrate-like PCB -piirilevyt (SLP) kurovat tehokkaasti umpeen perinteisen piirilevyteteknologian ja edistyneen integroitujen piirien pakkaustekniikan välisen fyysisen kuilun, mikä mahdollistaa nämä kriittiset nopeat liitännät.
Lisäksi lääkinnällisten laitteiden ala hyötyy valtavasti M-SAP-tekniikasta. Kehittyneet implantoitavat laitteet, miniatyrisoidut diagnostiikkalaitteet ja korkean resoluution lääketieteelliset kuvantamisjärjestelmät edellyttävät erittäin kompakteja elektroniikkakomponentteja, jotka säilyttävät ehdottoman luotettavuuden. M-SAP mahdollistaa monimutkaisten anturijärjestelmien ja prosessointiyksiköiden miniatyrisoinnin, mikä parantaa potilaan mukavuutta ja diagnostiikkamahdollisuuksia. Lisätietoja AOI ja 3D-röntgen: Virheettömän piirilevykokoonpanon saavuttaminen.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Vaikka molemmat ovat puoliadditiivisia prosesseja, Advanced Semi-Additive Process (ASAP) -menetelmässä aloitetaan tyypillisesti täysin paljaalta dielektrikolta ja käytetään kemiallista kuparipinnoitusta tai sputterointia mikroskooppisen ohuen aluskerroksen (usein alle 1 mikronin) muodostamiseen. Tämä mahdollistaa entistäkin hienompia geometrioita (L/S alle 10 mikronia), mutta menetelmää käytetään pääasiassa integroitujen piirien (IC) substraateissa. M-SAP (Modified SAP) käyttää yleensä erittäin ohutta laminoitua kuparifoliota (1,5–3 mikronia) lähtökerroksena, minkä ansiosta se sopii paremmin yhteen tavallisten HDI-piirilevyjen valmistuslaitteiden ja paneelikokojen kanssa, mutta saavuttaa silti menestyksekkäästi alle 25 mikronin L/S-suhteet.
Aluksi kyllä. Tarvittavat valmistuslaitteet (kuten erikoistuneet LDI-koneet ja tarkasti säädellyt pinnoituslinjat), edistykselliset ohuemmat materiaalit sekä tiukemmat puhdastilan prosessivalvontavaatimukset nostavat neliötuuman kohtaista raakavalmistuskustannusta. Koska M-SAP-tekniikka kuitenkin mahdollistaa reititystiheyden merkittävän kasvun, se voi usein vähentää monimutkaisen piirilevysuunnittelun edellyttämien kerrosten kokonaismäärää. Monissa tiheissä arkkitehtuureissa kerrosten määrän vähenemisestä ja piirilevyn kokonaispinta-alan pienentymisestä saatavat kustannussäästöt kattavat reilusti M-SAP-valmistusprosessin aiheuttaman lisäkustannuksen.
M-SAP-tekniikka edellyttää erityisiä laminaatteja, joilla on korkea mittavakaus, poikkeuksellisen alhainen pinnan karheus ja erinomaiset kemialliset tarttuvuusominaisuudet ultraohuen siemenkerroksen tukemiseksi. Vaikka monet nykyaikaiset korkean Tg-arvon FR4-variantit ovat yhteensopivia, vaativat korkeataajuiset suunnittelut edellyttävät usein erityisiä vähähäviöisiä materiaaleja (kuten PTFE-seoksia, nestekidepolymeerejä (LCP) tai tiettyjä kehittyneitä lämpökovettuvia hartseja), jotka on räätälöity nimenomaan M-SAP-prosessia varten, jotta liitäntähäviö voidaan minimoida ja signaalin eheys maksimoida.
M-SAP parantaa signaalin eheyttä huomattavasti. Perinteisessä subtraktiivisessa syövytysmenetelmässä syntyy trapetsoidiprofiilisia johtimia, mikä aiheuttaa impedanssin epäsuhtaa ja suurempaa signaalihäviötä etenkin korkeilla taajuuksilla, sillä pintavaikutus työntää virtaa syövytettyjen, epätasaisien sivuseinien suuntaan. M-SAP:n additiivinen pinnoitusprosessi tuottaa tarkasti määriteltyjä suorakulmaisia johtimia, joiden sivuseinät ovat sileät ja pystysuorat. Tämä takaa erittäin tasaisen impedanssin, pienemmän insertointihäviön ja huomattavasti paremmat nopeiden signaalien siirto-ominaisuudet.
Flash-etsauksen suurin haaste on ohuen siemenkerroksen tasainen poistaminen koko laajalta tuotantopaneelilta ilman, että vastapinnoitetut kuparijohdot vaurioituvat liikaa. Tämä edellyttää etsausliuoksen kemian erittäin tarkkaa hallintaa, tarkkaa lämpötilan säätelyä sekä optimoituja suihkusuutinmäärityksiä. Liiallinen syövytys aiheuttaa johtojen alasyövytystä, mikä pilaa niiden suorakulmaisen profiilin ja vaarantaa alle 25 mikronin linjanleveyden toleranssin.