High-Density Interconnect (HDI) -tekniikka on mullistanut painettujen piirilevyjen (PCB) alan perusteellisesti, mahdollistaen ennennäkemättömän miniatyrisoinnin, paremman signaalin eheyden ja erinomaisen sähköisen suorituskyvyn nykyaikaisessa elektroniikassa. Koska laitearkkitehtuurit – huippuluokan älypuhelimista, 5G-tukiasemista ja puettavasta teknologiasta edistyneisiin autoteollisuuden tietojenkäsittelyyksiköihin ja ilmailu- ja avaruusteollisuuden mittauslaitteisiin – vaativat yhä suurempaa liitinmäärää ja tiheämmin sijoitettuja komponentteja, perinteiset piirilevyjen valmistusmenetelmät ovat osoittautuneet riittämättömiksi. Ratkaiseva vastaus näihin nykyaikaisiin teknisiin haasteisiin on minkä tahansa kerroksen HDI-arkkitehtuurin käyttöönotto, joka toteutetaan tiukan ja tarkasti hallitun valmistusprosessin, ns. peräkkäisen laminoinnin, avulla.
Vaiheittainen laminointi ei ole pelkkä valmistusvaihe, vaan se on kehittynyt tekninen menetelmä, jonka avulla suunnittelijat voivat rakentaa piirilevyä kerros kerrokselta ja luoda monimutkaisia liitosrakenteita, jotka olisivat fyysisesti mahdottomia toteuttaa tavanomaisilla monikerrospuristustekniikoilla. Toisin kuin perinteisissä piirilevyissä, joissa kaikki kerrokset pinotaan ja puristetaan yhdessä monoliittisessa syklissä mekaanisesti porattujen läpivientireikien avulla, peräkkäisessä laminoinnissa käytetään useita toistuvia puristus-, poraus-, pinnoitus- ja syövytyssyklit. Tämä toistuva prosessi on ehdottomasti avaintekijä mikro-, sokea- ja upotettujen läpivientien luomisessa, jotka tarjoavat optimaaliset reitityspolut ja minimoivat signaalin heikkenemisen. Lisätietoja Paluureitin optimointi: Vankkojen vertailutasoiden suunnittelu korkeataajuisten signaalien eheyden varmistamiseksi.
Kaikkien kerrosten HDI-tekniikassa (tunnetaan myös nimellä Every Layer Interconnect tai ELIC) peräkkäinen laminointi saavuttaa huippunsa. Kaikkien kerrosten HDI-levyissä luovutaan kokonaan perinteisestä jäykästä ytimestä, ja sen sijaan käytetään päällekkäin pinottuja kuparilla täytettyjä mikroreikiä, jotka mahdollistavat yhteydet minkä tahansa kahden kerroksen välillä kerrostuksessa. Tämä arkkitehtoninen vapaus vähentää merkittävästi monimutkaisen reitityksen edellyttämää kerrosten määrää, lieventää parasiittista kapasitanssia ja induktanssia minimoimalla läpivientien haaroitukset sekä tarjoaa erinomaisen lämmönhallinnan. Peräkkäisen laminointiprosessin hallitseminen vaatii kuitenkin syvällistä ymmärrystä materiaalitieteestä, fotolitografiasta, laserfysiikasta ja kemiallisen pinnoituksen dynamiikasta. Lisätietoja Konformaalipinnoitus: PCBA:n suojaaminen kosteudelta, pölyltä ja syövyttäviltä ympäristöiltä.
Sisällysluettelo
Peräkkäisen laminoinnin tekniset periaatteet
Periaatteeltaan peräkkäinen laminointi perustuu dielektristen materiaalien ja kuparifolion tarkkaan lisäämiseen pohjasubstraattiin, minkä jälkeen mikroreiät muodostetaan laserablaatiolla. Termi ”peräkkäinen” viittaa tämän kerrostusprosessin toistuvaan luonteeseen. Tyypillinen HDI-kerrostusten nimistö on X-N-X, jossa ”N” edustaa ydinkerroksien lukumäärää ja ”X” edustaa peräkkäisten laminointisyklien lukumäärää ytimen kummallakin puolella. Esimerkiksi 3+4+3-rakenteessa on 4-kerroksinen ydin, jonka yläpuolella on kolme peräkkäistä kerrosta ja alapuolella kolme. Minkä tahansa kerroksen HDI-rakenteessa arkkitehtuuri voi olla puhtaasti peräkkäinen kerrostus ilman perinteistä ydintä, jota usein merkitään yksinkertaisesti kokonaiskerrosmäärällä, kuten 10- tai 12-kerroksinen ELIC-levy.
Peräkkäisen laminoinnin käyttöönoton tärkein syy on mikroviioiden – tyypillisesti halkaisijaltaan enintään 150 mikrometrin reikien – luominen. Mekaanisella porauksella ei periaatteessa voida luotettavasti tuottaa tämän kokoluokan viioita, minkä vuoksi on käytettävä ultravioletti- (UV) tai hiilidioksidi- (CO₂) lasereita. Peräkkäinen menetelmä varmistaa, että näiden laserien tarvitsee läpäistä vain yksi dielektrinen kerros kerrallaan, mikä mahdollistaa tiukat kuvasuhteet, virheettömän kohdistuksen ja tarkan syvyyden hallinnan. Lisäksi täyttämällä nämä mikroviat kiinteällä kuparilla pinnoitusvaiheessa valmistajat voivat pinota läpiviennit suoraan toistensa päälle, mikä on kriittinen vaatimus minkä tahansa kerroksen liitoksille, jotka reitittävät signaaleja pystysuunnassa täsmälleen saman X-Y-koordinaatin kautta. Lisätietoja Äärimmäiset lämpösyklit: Luotettavuustestaus ja materiaalivalinta ilmailu- ja avaruusteollisuuden piirilevyille.
Tämä monivaiheinen menetelmä aiheuttaa piirilevylle merkittäviä mekaanisia ja lämpöjännityksiä. Kuparikerrosten (noin 17 ppm/°C), dielektrisen hartsin ja lasivahvikkeen väliset CTE-eroavuudet (lämpölaajenemiskerroin) voivat johtaa vääntymiseen, delaminaatioon tai läpivientien halkeiluun laminointipuristimen korkeissa lämpötiloissa tai sitä seuraavassa reflow-juottamisessa. Siksi edistyneiden prepreg-materiaalien valinta ja laminointipuristimen syklien (lämpötila-, paine- ja tyhjiöprofiilien) tarkka hallinta ovat ensiarvoisen tärkeitä lopputuotteen rakenteellisen eheyden varmistamiseksi.
Kuinka valmistaa minkä tahansa kerrosten määrän sisältäviä HDI-levyjä peräkkäisellä laminoinnilla (vaiheittainen opas)
Noudata näitä suunnittelusääntöjä. Lisätietoja Pino- ja porrastetut mikroliitännät: Suunnittelusäännöt ja luotettavuus korkeatiheyksisissä liitäntäpiirilevyissä (HDI).
- Ytimen valmistelu ja alkuvaiheen kuvantaminen
Vaikka todellinen monikerroksinen HDI-levy voi alkaa erittäin ohuesta ytimestä tai rakentua väliaikaisen kantokerroksen päälle, joka myöhemmin poistetaan, tavanomainen peräkkäinen laminointi alkaa sisäytimen valmistelusta. Kuparipäällystetty laminaatti (CCL) puhdistetaan kemiallisesti ja mikroetsataan fotoresistin tarttuvuuden parantamiseksi. Kuivakalvoinen fotoresisti laminoidaan kuparipinnoille, valotetaan UV-valolla erittäin tarkan valomaskin läpi ja kehitetään halutun piirikuvion paljastamiseksi. Valotettu kupari syövytetään sitten pois kemiallisesti, jolloin sisäkerroksen johdot jäävät jäljelle. Fotoresisti poistetaan, ja jäljelle jäänyt kupari käsitellään oksidilla (kuten ruskealla oksidilla tai vaihtoehtoisilla oksidikoostumuksilla) pinnan karheuden lisäämiseksi, jolloin muodostuu mikrohammasrakenne, joka takaa maksimaalisen tarttuvuuslujuuden dielektrisen materiaalin kanssa seuraavassa laminointivaiheessa.
- Ensimmäinen laminointivaihe ja puristaminen
Kovettumaton dielektrinen materiaali (prepreg), johon on usein yhdistetty kuparifolio (folio-rakenteisessa kokoonpanossa), kohdistetaan tarkasti etsatun ytimen päälle kehittyneiden kohdistustappien ja optisen kohdistuksen avulla. Tämä kokoonpano asetetaan tyhjiölaminointipuristimeen. Tiukissa tyhjiöolosuhteissa, jotka estävät ilman jäämisen rakenteeseen, kokoonpano altistetaan huolellisesti suunnitellulle lämpö- ja painekierrolle. Prepregin sisältämä hartsi sulaa (saavuttaen alimman viskositeettinsa), virtaa kapseloimaan sisäkerroksen piiristön jättämättä onteloita ja kovettuu ja polymeroituu sitten täysin lämpötilan noustessa. Tyhjiö on tässä vaiheessa ratkaisevan tärkeää; mahdolliset jääneet ontelot laajenevat eksponentiaalisesti myöhemmissä lämpökäsittelyprosesseissa, mikä johtaa katastrofaaliseen delaminaatioon tai toimii vikakohteina laserporauksessa.
- Mikroreikien poraus laserilla
Kun ensimmäinen laminointivaihe on valmis, piirilevy siirretään laserporausasemalle. Kehittyneissä HDI-piirilevyissä käytetään usein UV- ja CO₂-laserien yhdistelmää kaksoislaserjärjestelmässä. UV-laseria käytetään yläpuolisen kuparifolion tarkkaan ablaatioon (määritellyn aukon muodostamiseksi), kun taas CO₂-laser ablatoi alla olevan dielektrisen materiaalin aina alla olevan kerroksen kohdekuparipisteeseen asti. CO₂-laserin aallonpituus heijastuu voimakkaasti kuparista, minkä ansiosta se voi ablatoida hartsin ja pysähtyä tarkasti kohdepisteeseen. Laserparametrit – mukaan lukien pulssienergia, taajuus ja polttopisteen koko – on kalibroitava tarkasti kunkin dielektrisen materiaalin mukaan, jotta varmistetaan puhtaiden läpivientien muodostuminen vahingoittamatta kohdepistettä (vika, jota kutsutaan läpilyönniksi) tai jättämättä liikaa hartsijäämiä.
- Puhdistus ja metallointi (kuparipinnoitus)
Laserablaatioprosessin voimakas lämpö sulattaa dielektrisen hartsin, jolloin mikrovian pohjalle jää ohut kerros hiiltynyttä hartsituhkaa ja jätteitä (smear), mikä heikentäisi merkittävästi sähköistä johtavuutta. Piirilevyille suoritetaan tehokas kemiallinen desmear-prosessi, jossa käytetään tyypillisesti alkalipermanganaattiliuoksia korkeissa lämpötiloissa, jotta läpivientien seinämät ja kohdepiste puhdistetaan ja käsitellään perusteellisesti. Desmear-käsittelyn jälkeen piirilevyt upotetaan kemialliseen kuparipinnoituskylpyyn, joka kerrostuu ohuen, johtavan kuparikerroksen koko pinnalle, myös ei-johtavien dielektristen läpivientien sisälle. Tätä seuraa välittömästi elektrolyyttinen kuparipinnoitusprosessi. Kaikissa HDI-kerroksissa käytetään erityisiä pinnoituslisäaineita (kiillotusaineita, tasoitusaineita ja kantaja-aineita) alhaalta ylöspäin tapahtuvan ”läpivientien täytön” saavuttamiseksi, jolloin mikro-läpivienti pinnoitetaan kokonaan yhtenäiseksi kuparikerrokseksi, mikä takaa täysin tasaisen pinnan, joka on välttämätön seuraavan peräkkäisen kerroksen pinnoittamiselle.
- Ulkopinnan kuvantaminen ja syövytys
Kun mikroreiät on täytetty kokonaan ja pinnalle on pinnoitettu kuparia haluttuun paksuuteen, piirilevy käy läpi uuden fotolitografian kierroksen. Fotoresisti levitetään, valotetaan ja kehitetään, jotta voidaan määritellä uuden kerroksen piiristö, mukaan lukien kriittiset kiinnityspisteet, jotka peittävät alla olevat pinotut läpiviennit. Tarpeeton kupari syövytetään pois ja fotoresisti poistetaan, jolloin tämän tietyn peräkkäisen kerroksen johtava kuvio valmistuu.
- Seuraavat laminointikierrokset (”peräkkäinen” prosessi)
Vaiheet 2–5 muodostavat yhden peräkkäisen kerrostusjakson. Kun kyseessä on useita peräkkäisiä kerroksia vaativa HDI-piirilevy tai minkä tahansa kerroksen ELIC-piirilevy, koko tämä jakso toistetaan huolellisesti jokaisen lisäkerroksen kohdalla. Uusi prepreg-arkki ja kuparifolio laminoidaan, uudet mikroviat porataan laserilla (usein pinottuina suoraan edellisen kerroksen kiinteillä kuparilla täytetyille viille), puhdistetaan, pinnoitetaan kiinteällä metallilla, kuvataan ja syövytetään. Tämä toistuva sykli vaatii poikkeuksellisia rekisteröintikykyjä, sillä kohdistustoleranssit kiristyvät jokaisen lisäkerroksen myötä materiaalin kumulatiivisen liikkeen ja skaalauskertoimien vuoksi.
- Lopullinen käsittely ja laadunvalvonta
Kun kaikki peräkkäiset kerrokset on rakennettu ja viimeisen ulkokerroksen piiristö on määritelty, piirilevy etenee tavanomaisiin lopullisiin valmistusvaiheisiin. Tähän kuuluu nestemäisen valoherkän juotosmaskin (LPI) levitys, jonka on kohdistuttava tarkasti tiheästi sijoitettujen liitosalustojen ja tiheästi sijoitettujen BGA-jalustojen kanssa. Sen jälkeen levitetään pintakäsittely (kuten ENIG, ENEPIG tai upotettu tina) suojaamaan paljaana olevaa kuparia ja varmistamaan juotettavuus. Peräkkäislaminoitujen piirilevyjen valtavan monimutkaisuuden ja arvon vuoksi tiukat testit ovat pakollisia. Automaattisella optisella tarkastuksella (AOI) tarkistetaan johtimien viat jokaisella kerroksella, kun taas impedanssin tarkistamiseen voidaan käyttää aikatasoreflektometriaa (TDR). Erityisen tärkeää on, että korkeajännitteisellä paljaiden piirilevyjen sähköisellä testauksella varmistetaan, ettei uskomattoman tiheissä läpivientirakenteissa ole mikrosulkeumia tai avoimia kohtia.
Materiaalivalinta ja lämpötekniset näkökohdat
Peräkkäisen laminoinnin onnistuminen riippuu suuresti valituista materiaaleista. Tavallinen FR-4-materiaali ei usein sovellu edistyneisiin HDI-sovelluksiin sen suhteellisen korkean lämpölaajenemiskertoimen (CTE) vuoksi, joka voi aiheuttaa vakavia jännitysmurtumia pinottuissa mikrorei'issä lämpösyklien aikana tai johtaa liitosalustojen irtoamiseen. Insinöörien on määriteltävä korkean Tg-arvon (lasittumislämpötila, tyypillisesti >170 °C) ja matalan CTE-arvon omaavia hartsijärjestelmiä luotettavuuden varmistamiseksi.
Lisäksi prepregin lasikudoksen tyyli, kuten esimerkiksi lasikudoksen tyyli, on merkittävässä roolissa. Tavalliset karkeat lasikudokset voivat aiheuttaa laserin poikkeamaa (ns. ”lasinivel”-ilmiö) ja johtaa epätasaiseen laserporausjälkeen, vinossa oleviin läpivienteihin tai epätäydelliseen ablaatioon. Tämän torjumiseksi käytetään usein laserporattavia prepreg-materiaaleja, joissa hyödynnetään spread-glass-tekniikkaa tai jopa vahvistamattomia hartsipinnoitettuja kuparikalvoja (RCC). RCC on erityisen arvokas kaikissa HDI-kerroksissa, sillä se tarjoaa tasaisen dielektrisen paksuuden ja poistaa lasikudoksen kokonaan, mikä takaa yhdenmukaiset läpivientien geometriat ja parantaa merkittävästi signaalin eheyttä vähentämällä paikallisia dielektrisyysvakion vaihteluita sekä poistamalla lasikudoksen vaikutuksen (vinoutumisen) nopeista differentiaalipareista.
Lämmönhallinta on toinen kriittinen tekijä. Vaikka päällekkäin sijoitetut mikroliitännät tarjoavat erinomaista lämmönjohtavuutta verrattuna tavalliseen FR-4-materiaaliin (joka toimii käytännössä lämpöliitoksena), komponenttien äärimmäinen tiheys kaikilla kerroksilla olevissa HDI-levyissä aiheuttaa merkittävää paikallista lämmönkehitystä. Suunnitteluvaiheessa tehtävässä lämpömallinnuksessa on otettava huomioon peräkkäisen kerrostuksen spesifinen lämmönvastus. Valitsemalla dielektriset materiaalit, joilla on parempi lämmönjohtavuus, voidaan lieventää paikallisia kuumia pisteitä ja varmistaa pitkäaikainen luotettavuus vaativissa käyttöolosuhteissa sekä estää lämpökarkailu suuritehoisissa integroiduissa piireissä.
Haasteet ja tuotoksen optimointistrategiat
Peräkkäinen laminointi on luonnostaan kalliimpaa, aikaa vievämpää ja haastavampaa kuin tavanomainen monikerrospuristus. Suurin haaste on tuotantohävikki; koska prosessi on toistuva, viimeisessä laminointivaiheessa ilmenevä vika johtaa käytännössä koko piirilevyn hylkäämiseen, jolloin kaikki aiempi työpanos, aika ja korkealaatuiset materiaalit menevät hukkaan.
Rekisteröinnin skaalaus on jatkuva ja vaativa haaste. Koska levy altistuu toistuville korkean lämmön ja paineen sykleille jokaisen laminointivaiheen aikana, materiaalit laajenevat, supistuvat ja muuttuvat pysyvästi, mikä vaikuttaa levyn mittavakauteen. Valmistajien on käytettävä edistyksellistä, mitoitusta ennustavaa ohjelmistoa, joka ottaa huomioon vääntymisen ja täyteaineen ominaisuudet, sekä erittäin tarkkoja CCD-kameran kohdistusjärjestelmiä jokaisessa kuvantamis- ja porausvaiheessa, jotta materiaalin liike voidaan kompensoida dynaamisesti.
Lisäksi läpivientien täyttöön käytettävien pinnoituskylpyjen kemiallinen säätö on oltava erittäin tarkkaa. 100 mikrometrin sokean läpiviennin sisällä vallitsevat virtausdynamiikat ovat monimutkaisia. Pinnoituskemian on kerrostettava kuparia tarkasti pohjasta ylöspäin ilman, että se muodostaa siltaa yläosan yli ja sulkee kemikaaleja sisälle. On erittäin tärkeää varmistaa, että kupari kerrostuu ilman aukkoja pinottuihin läpivienteihin, sillä mahdolliset sisään jääneet aukot voivat johtaa voimakkaaseen kaasunpoistoon ja läpivientien vaurioitumiseen (puhallusreikiin) korkean lämpötilan kokoonpanon uudelleenjuotosprosessien aikana. Parhaan tuotoksen ylläpitämiseksi on tarpeen seurata jatkuvasti pinnoituskylpyjen pitoisuuksia, orgaanisia lisäaineita ja virrantiheysprofiileja.
Minkä tahansa kerrosten määrän sisältävien HDI-levyjen valmistus peräkkäisellä laminoinnilla on monimutkainen, tarkasti hallittu toimintojen sarja. Jokainen työvaihe on suoritettava virheettömästi, jotta vältetään virheiden kertyminen. Tässä osiossa kuvataan yksityiskohtaisesti liitosrakenteiden muodostamiseen liittyvät perusvaiheet.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Tavallinen sokea läpivienti yhdistää ulkokerroksen sisäkerrokseen, ja se muodostetaan yleensä poraamalla yhden dielektrisen kerroksen läpi. Kerrostettu mikroläpivienti, joka voidaan toteuttaa ainoastaan peräkkäisellä laminoinnilla ja erittäin erikoistuneella alhaalta ylöspäin suuntautuvalla kuparipinnoituksella, tarkoittaa useiden mikroläpivientien sijoittamista suoraan päällekkäin peräkkäisissä kerroksissa. Tämä on välttämätöntä minkä tahansa kerroksen HDI-piirilevyille, sillä se mahdollistaa pystysuoran yhteyden suoraan piirilevyn läpi ilman läpivientien porrastusta, mikä säästää tärkeää reititystilaa ja parantaa korkeataajuisten signaalien eheyttä.
Mekaaniset poranterät muuttuvat erittäin hauraiksi ja taloudellisesti kannattamattomiksi, kun niiden halkaisija on alle 150 mikrometriä. Lisäksi mekaanisessa porauksessa syvyyttä (Z-akselia) ei voida hallita luotettavasti niin, että poraus pysähtyisi tarkasti pinnan alla vain muutaman mikronin syvyydessä olevaan kohdekuparipisteeseen aiheuttamatta vaurioita. Laserporaus tarjoaa tarvittavan kosketuksettoman tarkkuuden, tarkan ablaatiosyvyyden hallinnan sekä mikroskooppisen pienet halkaisijat, joita tarvitaan HDI-mikroreikien luotettavaan ja laajamittaiseen valmistukseen.
Peräkkäinen laminointi pidentää valmistusaikaa merkittävästi. Tavallinen monikerroksinen piirilevy vaatii vain yhden ensisijaisen laminointipuristussyklin ja yhden pääporaus- ja pinnoitussyklin. Sen sijaan peräkkäisrakenteinen piirilevy vaatii täyden syklin, joka koostuu puristuksesta, laserporauksesta, desmear-käsittelystä, pinnoituksesta ja syövytysprosessista *jokaiselle* lisättävälle peräkkäiselle kerrokselle. Siksi 3+4+3-kerroksinen HDI-levy vaatii huomattavasti enemmän valmistusaikaa ja työvoimaa kuin tavallinen 10-kerroksinen levy.
Ei, peräkkäisen laminoinnin periaatteita käytetään laajalti myös jäykkä-joustavissa ja puhtaasti joustavissa painetuissa piirilevyissä. Tiheästi asennetut joustavat piirilevyt vaativat usein mikroläpivientejä ja monimutkaista reititystä, joissa peräkkäisistä kerrostustekniikoista on hyötyä. Näissä sovelluksissa käytetään erityisiä joustavia dielektrisiä materiaaleja, kuten polyimidiä, jäykkien FR-4-prepregien sijaan, mikä vaatii joustaviin materiaaleihin sovitettuja, erittäin erikoistuneita käsittely- ja prosessointiparametreja.
ELIC on lyhenne sanoista Every Layer Interconnect. Se on erityinen, erittäin edistyksellinen HDI-piirilevyarkkitehtuuri, jossa jokainen kerros rakennetaan peräkkäin, yleensä ilman paksua keskellä sijaitsevaa jäykkää ydintä. Se perustuu kokonaan päällekkäin sijoitettuihin, kiinteisiin kuparilla täytettyihin mikrorei’iin, jotka mahdollistavat sähköisen yhteyden minkä tahansa kahden kerroksen välillä koko kerrostuksessa. ELIC edustaa peräkkäisen laminointivalmistusprosessin monimutkaisinta ja suorituskykyisintä sovellusta, jota käytetään laajalti huippuluokan älypuhelimissa ja erittäin pienikokoisissa laitteissa.