Opas nelikerroksisen, Tier II -tason, suuren tiheyden omaavan yhteenliitetyn (HDI) piirilevyn valmistusprosessiin upotetuilla siruilla

Painetut piirilevyt (PCB), joihin on upotettu kondensaattoreita, vastuksia tai metallilohkoja, voisivat parantaa piirilevyjen toiminnallisuutta ja sovelluksia, lisätä lisäarvoa ja asettaa tiukkoja vaatimuksia tietyille sovelluksille nykyään. Erikoispiirilevyjen valmistusprosessi on kuitenkin monimutkaisempi, vaikeampi ja kustannukset suhteellisen korkeat. Tässä artikkelissa kerromme nelikerroksisen, Tier II -tason, tiheästi yhteenliitettävän (HDI) piirilevyn, johon on upotettu siruja, valmistusprosessista.

1. Analyysi 4-kerroksisen, Tier II -tason, suuren tiheyden omaavan yhteenliitetyn (HDI) piirilevyn valmistushaasteista:

Neljän kerroksen HDI-piirilevyllä , Tier II:lla, on merkittäviä etuja piirien integroinnin ja johdotustiheyden parantamisessa, mutta se tuo myös lisää prosessien monimutkaisuutta. Upotetun sirurakenteen lisääminen parantaa prosesseja, kuten laminoinnin tarkkuutta, mikroreikien käsittelyä, hartsitäyttöä, sirun upottamisen tarkkuutta ja sisäkerrosten liittämistä. Siksi on tarpeen analysoida sen rakenteellisia ominaisuuksia, päällekkäisyyksiä ja keskeisiä haasteita, jotta voidaan luoda perusta myöhemmälle prosessisuunnittelulle.

1.1 Pinottava rakenne

Neljän kerroksen, Tier II -tason, suuren tiheyden yhteenliitäntöjä (HDI) sisältävän piirilevyn rakenne on esitetty alla:

1.2 Valmistusvaikeuksien analyysi

(1) Kuten kuvassa 1 on esitetty, tällä HDI-piirilevyllä on epäsymmetrinen rakenne, jossa on kaksi yksipuolista sokkoreikää. Valmistusprosessi vaatii kaksi laminointia: ensimmäisessä laminoinnissa siru upotetaan ydinlevyn kerroksiin L3-L4 ja laminoidaan se kerroksella L2, jolloin L2-L4-laminointi viimeistellään; sen jälkeen valmistetaan sokkoreiät L2-L3 ja kerroksen L2 piirilevy, ja sen jälkeen suoritetaan toinen laminointi kerrosten L1-L2 laminoimiseksi.

Epäsymmetrisen pinoamisrakenteensa vuoksi piirilevy on altis taipumaan valmistuksen jälkeen. Laminointirakenteen optimointi riittävän taivutuskestävyyden varmistamiseksi on yksi tämän piirilevyn keskeisistä kohdista. (Levyn taipuman tulisi pysyä 0,65–1,52 mm:n tarkkuudella.)

(2) Tämän piirilevyn dielektrisen kerroksen paksuus on 0,172 mm ja läpiviennin halkaisija on 0,2 mm. Yleisesti ottaen dielektrisen kerroksen paksuus on 0,075 mm ja läpiviennin halkaisija 0,1 mm, mikä on huomattavasti suurempi.

Siksi sokeiden läpivientien lasertyöstöön tulisi käyttää suuritehoista laserporakonetta. Lisäksi sokeiden läpivientien täyttöön on harkittava ja sovellettava erityistä galvanointiprosessia.

(3) Siru sijaitsee L4:n pinnalla ja vaatii kuparipinnoitusta, galvanointia tai vaakasuuntaista upotusprosessia valmistuksen aikana. Jos sirun ja alustan välinen hartsitäyte on riittämätön laminoinnin aikana, voi muodostua rakoja tai tyhjiöitä, joihin kemikaalit voivat tunkeutua ja syövyttää sirua. Jäännöstyhjennysten tai ilmakuplien välttäminen laminoinnin aikana on avainasemassa laminointiprosessissa.

Tämä rakenne vaatii erityistä hartsivirtauksen hallintaa laminoinnin aikana ja hartsin täyttövaikutuksen hallintaa sirun ja alustan välillä laminoinnin jälkeen, mikä varmistaa 100 %:sti aukoton laminoinnin.

(4) Rakenteellisesti sirun toinen puoli on kiinnitetty kerrosten L2-L3 1080-esivalmisteeseen (PP). Siksi sirun pintakäsittely ennen ensimmäistä laminointia on ratkaisevan tärkeää tarttuvuuden parantamiseksi.

Ennen laminointia sirulle on tehtävä pinnan ruskistuskäsittely pinnan karheuden lisäämiseksi ja tarttumisvoiman parantamiseksi. Sirun pienen koon vuoksi ruskistuskuivausosan tuuletin on sammutettava tai ilmavirtaus/tuulet on pysäytettävä, jotta siru ei lennä pois. Ruskistuksen jälkeen siitä on poistettava kosteus staattisessa uunissa 120 ℃/1 h lämpötilassa.

(5) Tämän sirun pakkausmateriaali on keraamista, jolla on alhainen lämpölaajenemiskerroin. Siru on upotettu piirilevyn sisään, ja piirilevymateriaalin lämpölaajenemiskertoimen on oltava lähellä sirua yhteensopivuuden varmistamiseksi. Siksi yksi tärkeimmistä huomioista on ihanteellisen piirilevymateriaalin valinta.

1.3 Piirilevyn rakennemateriaalin valinta

Valmistusvaikeuksien analyysi on osoittanut, että tämän levyn materiaaleja valittaessa on otettava huomioon tekijät, kuten levyn taivutuksen parantaminen, hartsitäyttö ja lämpölaajenemiskerroin.

Epäsymmetristen rakennelevyjen materiaalivalintaa koskeva tutkimus osoittaa, että mitä ohuempaa PP-valmistuksessa käytetty lasikuitu on, sitä paremmin se parantaa taivutuksenestokykyä.

Tässä levyssä sekä laminoitu PP että ydin vaativat ohutta lasikuitu-PP:tä. 0,2 mm:n ydin vaatii laminoinnin 3313×2 PP:llä, jossa on käytetty 1080 PP:tä (korkea hartsipitoisuus, 68 %). Lisäksi materiaalien, joilla on alhainen lämpölaajenemiskerroin ja korkea Tg, valitseminen johtaa parempaan mittapysyvyyteen (materiaalien valitseminen, joiden Tg ≥ 190 ℃).

2. Valmistusprosessi

Neljän kerroksen, Tier II -tason HDI-levyn, jossa on upotettu siru, rakenteellisten ominaisuuksien vuoksi perinteisiä piirilevyjen valmistusprosesseja on mukautettava ja optimoitava. Prosessissa on otettava huomioon sirun sijoituksen tarkkuus, hartsitäytteen kapasiteetti, mikroreiän käsittelyn laatu ja jälkilaminoinnin mittapysyvyys sen varmistamiseksi, että lopputuote täyttää tiheän yhteenliitännän vaatimukset ja on erittäin luotettava. Keskeiset prosessit kuvataan alla olevissa vaiheissa.

2.1 Ytimen valmistus

Kuten kuvassa 1 on esitetty, ytimiä on 1, 2, 3 ja 4. Ytimessä 1 on vain kerroksen L3 piirit, eikä toisella puolella ole kuparifolioita. Syövytyksen jälkeen rei'itetään kohdennetut reiät. Ytimissä 2 ja 3 ei myöskään ole piirejä, vaan niihin rei'itetään kohdennetut reiät. Ytimessä 4 on kokonaan kuparista valmistetut piirit kerrosta L4 varten, eikä toisella puolella ole kuparia. Syövytyksen jälkeen rei'itetään kohdennetut reiät.

2.2 Ydinjyrsintä ja PP-jyrsintä

Jyrsintään käytetään CNC-jyrsintäkonetta, jonka jyrsintätarkkuus on ±0,050 mm. Uran luomiseen jää 0,075 mm rako sirun kummallekin puolelle. Samaa menetelmää käytetään uran jyrsimiseen PP:hen, jolloin sirun kummallekin puolelle jää 0,125 mm rako. Jyrsintä on parempi tehdä puhdastilassa tai tietyssä ympäristössä, koska PP:tä on säilytettävä vakaassa lämpötilassa ja kosteudessa puhtausstandardien täyttämiseksi ja hyvän laminointilaadun varmistamiseksi.

2.3 Ensimmäinen laminointi 

Ensimmäisen laminoinnin jälkeen piirilevyn paksuus vaihtelee 1,35 - 1,65 mm:n välillä.

(1) Ytimien 1, 2, 3 ja 4 ruskistus: Lastut on ruskistettava kiinnittimillä. Tämän prosessin aikana puhallin, tuuletin tai mikä tahansa laite voi kiertää ilmaa, joten ne on sammutettava, kun lastut kulkevat kuivausosan läpi. Ruskistuksen jälkeen paista uunissa 120 ℃:ssa 1 tunnin ajan.

(2) Jotta ytimet eivät liukuisi ja sirujen kohdistusvirheet laminoinnin aikana estyisivät, ytimien kohdistuspoikkeaman on oltava 0,075 mm:n sisällä. Paikoitus tehdään tapituslaminoinnilla (PIN LAM). Jos PIN LAM -laminointilaitteita ei ole saatavilla, ytimet on kiinnitettävä niiteillä paikannuksen parantamiseksi.

(3) Levyjä pinottaessa geeliä estävä kalvo on ensin pinottava teräslevylle: Jos puristus tehdään PIN LAM -menetelmällä, resistikalvo on ensin rei'itettävä kohdistusta varten, ja myös PP on rei'itettävä. Jos kohdistusta tehdään niiteillä, niitattu ydinlevy asetetaan resistikalvon päälle. Aseta siru uraan, pinoa 1080×2 PP-levyä L2:n ja L3:n väliin, peitä L2-kerroksella kuparifoliolla ja lopuksi teräslevyllä, jolloin pinoaa yhteensä 10 kerrosta.

(4) Laminoinnin parametrit ovat ratkaisevia

Korkean lämpötilan laminoinnin jälkeen jäähdytysosan paine tulisi asettaa arvoon 10 kg/cm² tai alle, jotta piirilevy jäähdytetään hitaasti alhaisella paineella. Toinen tärkeä seikka on varmistaa, että hartsi täyttää sirun ympärillä olevat raot riittävästi, valitsemalla 1080 PP -hartsia, jonka hartsipitoisuus on 68 %.

Laminointiprosessin aikana, kun materiaalin lämpötila on 80–120 ℃, lämmitysnopeutta on lisättävä (3,5 ℃/min; mitä suurempi lämmitysnopeus, sitä paremmat hartsin juoksevuus ja täyttöominaisuudet) ja asetettava korkeampi siirtopistepaine (32 kg/cm²).

2.4 Laminoinnin jälkeinen käsittely 

(1) Hio levyn reunat ja poraa kohdistusreiät. 

Poraa piirilevyn kohdistusreiät röntgenporakoneella ja käsittele levyn reunat leikkaus- ja hiomakoneilla. 

(2) Poista sirun pinnalta jäännöshartsi laseroimalla varmistaen, että käyttösuhde on 90 %.

(3) Poista liimajäämät piirilevyn pinnalta ja siirrä ne kuparipinnoitusprosessiin jäännöshartsin poistamiseksi piirilevyn kuparipinnalta.

(4) Tarkista sirun tasaisuus 3D-mittalaitteella. Sirun ja levyn pinnan tasaisuuden tulisi olla −10–+20 μm.

2.5 L2: Laserporaus pohjareikiin

(1) Poraa kohdistusreiät, peitä niihin erityinen fotopolymeerikuivakalvo, joka ajetaan happoetsausprosessiin ja syövytä pohjareikien aukot.

(2) Poraa laserilla L2-pinnalle pohjareiät, reiän halkaisijan ollessa 0,2 mm. (Laserporakone on Mitsubishin valmistama.)

2.6 L2: Pohjareiän metallointi

(1) Poista laserporauksen jälkeen jäännösliima pohjareikien sisältä. 

(2) Sokeiden reikien kemiallinen puhdistus. Aseta vedenpaine ylärajaan.

(3) Tarkasta ammattimaisen AOI:n avulla L2-sokkoreikien pohja varmistaaksesi, ettei niiden sisällä ole hartsijäämiä.

(4) Levyn paistaminen 200 ℃:ssa 2 tuntia ennen kemiallista kuparipinnoitusta;

(5) Viimeistele kemiallinen kuparipinnoitus vaakasuoralla kuparipinnoituslinjalla.

2.7 L2: Läpireiän pinnoitus

(1) Ensimmäisen läpivientipinnoituksen aikana virtaa ei kulje sokeiden läpivientipintojen läpi. Sokeiden läpivientien kuparin vähimmäispaksuus on 15 μm ja levyn pinnan kuparin paksuus on 75–95 μm.

(2) Valmistele kuiva pinnoituskalvo. Viimeistele valmistelu ulkokerroksen piirin prosessin aikana säilyttäen sokkoreiät ja peittäen koko piirilevyn pinnan kalvolla ei-sokkoreikiä varten.

(3) Toisessa läpireiän pinnoituksessa pinnoitetaan vain läpivientireiät, ei piirilevyn pintaa, varmistaen umpireikien 100-prosenttisen täyttymisen. 

(4) Poista kalvo: Poista kuiva kalvo levyn pinnalta poistoviivaa pitkin.

(5) Hiomisen aikana käytä vain L2-pinnan hiomaharjaa; älä käytä sitä L4-pinnalla. Kuparin paksuuden hiomisen jälkeen tulee olla 65–85 μm, kuparin täyttämien syvennysten ollessa ≤20 μm ja ulkonemien ≤25 μm.

(6) Täydellinen galvanointi piirilevyn pinnalla. L2-pinnan kuparin vähimmäispaksuuden on oltava 105 μm, eikä L4-pinnan läpi saa kulkea virtaa.

2.8 L2: Piirit

(1) Aseta fotoresistikuivakalvo L2-kerroksen päälle ja suorita kuvionsiirto laserdigikuvantamisen (LDI) avulla. Aseta resistikuivakalvo L4-kerroksen päälle ja valota se kokonaan.

(2) Syövytä piirilevy happoetsausviivaa pitkin. Syövytä piiri kerrokseen L2 ja suojaa kerros L4 syövytyssuojakalvolla. Syövytyksen jälkeen poista kalvo.

(3) Tarkasta L2-kerroksen piirit AOI:lla.

2.9 Toinen laminointi

(1) Ennen ruskistamista paista piirilevyä 120 ℃:ssa 2 tuntia ja ruskistamisen jälkeen paista sitä uudelleen 120 ℃:ssa 2 tuntia.

(2) Esipinoa piirilevy asettamalla 1080×2 PP-levyä kerrosten L1–L2 päälle.

(3) Ennen pinoamista aseta kuparifolio (kuparifolion karhea pinta kosketuksissa teräslevyyn) tai irrotuskalvo teräslevyn päälle. Aseta sitten esipinottu piirilevy L4 alaspäin ja aseta 17 μm:n kuparifolio 1080×2 PP-levyjen päälle kerrosten L1–L2 päälle.

(4) Aseta laminointipaine jäähdytysvaiheen aikana alle 10 kg/cm²:iin, jotta piirilevy jäähdyttyy alhaisella paineella ja laminoinnin aikana syntyvä sisäinen voima vähenee hitaasti.

2.10 Laminoinnin jälkeinen käsittely

(1) Laminoinnin jälkeen poraa kohdistusreiät röntgenporakoneella ja hio sitten reunat.

(2) Siirrä piirilevy kuparipinnoitusprosessiin tahranpoistoprosessia varten hartsijäämien poistamiseksi kuparin pinnalta.

2.11 L1 Kuparin pelkistys

(1) Valmistele ulompi kuiva kalvo jättäen kerroksen L1 peittämättä ja kerroksen L4 peittämättä.

(2) Vähennä kerroksen L1 kuparipaksuutta 7–9 μm:iin kuparin pelkistysviivalla.

(3) Poista kalvo kokonaan kerroksesta L4.

2.12 L1-laserporaus

(1) Paljasta L1-pinnan sokkoreiät aukollisella fotopolymeerikuivakalvolla ja paljasta L4-pinta kokonaan resistkuivakalvon luomiseksi. 

(2) Happosyövytys sokeiden reikien luomiseksi L1-pinnalle asemointia ja avaamista varten, minkä jälkeen kalvo poistetaan.

(3) Sokeiden läpivientien laserporaus: L1-pinnasta porataan 0,2 mm:n läpimittaisia ​​reikiä Mitsubishin laserporauskoneella.

2.13 L1-sokkoreikien metallointi

(1) Laserporauksen jälkeen plasmapuhdistus.

(2) Sokeiden reikien kemiallinen puhdistus.

(3) L1-sokkoreikien tarkastus AOI:n kautta keskittyen sokkoreikien pohjalla oleviin hartsijäämiin.

(4) Levyn paistaminen 200 ℃:ssa 2 tuntia ennen kemiallista kuparipinnoitusta, minkä jälkeen levy valmistetaan vaakasuoralla kuparipinnoituslinjalla.

2.14 L1 Reiän täyttö galvanointi

(1) Ensimmäisen reiän galvanoinnin jälkeen sokeiden reikien kuparin vähimmäispaksuus on 15 μm, kuparin paksuus levyn pinnalla on 50–70 μm, eikä L4-pinnan läpi kulje virtaa.

(2) Ensimmäisen reiän galvanointikerran jälkeen L1-pinnalle levitetään kuiva kalvo, joka säilyttää pohjareiän paikat, ja koko L4-pinta peitetään kuivalla kalvolla.

(3) Toisen reiän galvanointiprosessissa vain reiät galvanoidaan, eikä L4-pinnan läpi kulje virtaa.

(4) Levyn pinnalla oleva kuiva kalvo poistetaan.

(5) Hiontaprosessissa vain L1-pinnan hiontaharja on päällä, L4-pinnan harja ei ole päällä. Kuparin paksuus hiomisen jälkeen on 40–60 μm, kuparireikien täyttösyvennys on ≤20 μm ja ulkonema ≤25 μm.

2.15 Läpireiän valmistus

(1) Mekaanisesti poraamalla valmistetut läpireiät. 

(2) Ennen kuparipinnoitusta levy paistetaan 200 ℃:ssa 2 tuntia.

(3) Läpivientireiän kemiallinen kuparipinnoitus.

(4) Levyn pinnan galvanointi: Kun levy on hiottu, pinnan galvanointi on valmis, L1 galvanoidaan eikä L4-paneelin läpi kulje virtaa.

2.16 Ulkokerroksen piirin valmistus

(1) Käytä tuotannossa erillisiä piiritietoja, fotoresististä kuivakalvoa ja LDI-valotuslaitetta.

(2) Syövytä piirilevy hapolla. Kerroksessa L1 ovat piirit ja kerroksessa L4 ei ole piirejä.

(3) Tarkasta ulkokerroksen piirit AOI:lla.

2.17 Juotossuoja ja jälkikäsittely

(1) Juotosesisti levitetään normaaleilla prosesseilla: hiomalla, silkkipainatuksella, matalan lämpötilan paistamisella, valotuksella, kehityksellä ja korkean lämpötilan paistamisella; kupari paljastuu L4-kerroksen sirun kohdalla ja juotosesisti levitetään kokonaan muihin kohtiin.

(2) Tämän levyn pintakäsittely on kemiallinen kultaus, normaali prosessi. 

(3) Käytä CNC-jyrsintä muovausprosessin loppuun saattamiseksi.

(4) Testaa virtapiirit; 

(5) Käytä puristamiseen erillistä levyn taivutus- ja puristusuunia 150 ℃:ssa 4 tunnin ajan, minkä jälkeen suorita levyn 100 %:n taivutustestaus (levyn taivutuksen tulisi olla 0,65 mm/1,52 mm).

(6) Lopuksi tarkista levyn pinnan laatu automaattisella visuaalisella tarkastuslaitteella (AVI). 

Kun laadunvalvontaosasto on vahvistanut levyn kelpoisuuden, se on valmis pakattavaksi ja lähetettäväksi.

3. Keskeisten prosessien laatuanalyysi

Jotta voidaan varmistaa nelikerroksisen, tason II sulautetun HDI-piirilevyn vakaus ja luotettavuus sekä sähköisen, tiheän yhteenliitännän ja sulautetun rakenteen suorituskyky, on välttämätöntä varmistaa järjestelmällisesti keskeisten prosessien ja lopputuotteen laatu.

Laatuanalyysi sisältää: 

- Levyn muodonmuutos laminoinnin ja käsittelyn jälkeen.

- Upotetun sirualueen tasaisuus. 

- Mikroreikien ja hartsitäytteisten rakenteiden sisällä mahdollisesti esiintyvät tyhjiövauriot.

Mittaamisen, viipaloinnin ja vertailun avulla prosessien yhteensopivuus voidaan arvioida nopeasti, mikä tarjoaa perustan prosessin optimoinnille.

3.1 Taivutustiedot

Taivutusprosessin päätyttyä valittiin satunnaisesti 50 levyä tilastollisiksi näytteiksi. Vaadittu taivutusnopeus oli 0,65 mm / 1,52 mm, näytteiden mitatut tiedot olivat 0,53–0,63 mm / 1,41–1,51 mm, tulokset ovat positiivisia ja täyttävät vaatimukset.

Mittaustiedot osoittavat, että vaikka rakenne on epäsymmetrinen, sen yleinen taivutuskyky on hyvä.

3.2 Lastun tasaisuustiedot

Laminoinnin jälkeen sirun tasaisuusalueen on oltava -10 - +20 μm (kovera/kupera). Liimajäämien poistamisen jälkeen mittausta varten valittiin 50 sirun paikat. Kovera/kupera arvo vaihteli välillä -1,0 - -8,0 μm. Laminoinnin jälkeen sirun tasaisuustiedot olivat kaikki vaadituilla alueilla.

3.3 Tyhjiöiden ristiintarkastus

Laminoinnin jälkeen ristiintarkastusta varten poimittiin 20 sirua näytteiksi sirujen ja alustojen välisten tyhjiöiden havaitsemiseksi. Yhdessäkään 20 näytteestä ei löytynyt tyhjiöitä. Tämä osoittaa, että laminoinnissa käytettiin korkeahartsipitoista 1080 PP:tä ja ydinlevy jyrsittiin tarkalla CNC-jyrsinkoneella, jossa uran leveyttä säädettiin 0,075 μm:n tarkkuudella kummallakin puolella, mikä varmisti hartsin tehokkaan täyttymisen.

3.4 Reflow-juottamisen luotettavuus

Reflow-juotosta varten valittiin satunnaisesti viisi näytettä 270 ℃:ssa kolme kertaa. Ristikkäistarkastuksessa havaittiin sirujen ja substraatin välinen irtoaminen. Tulokset osoittivat, ettei sirun ja substraatin välillä ollut irtoamista eikä sirun ja sokkoliitosten liitoksissa ollut vikaa.

4. Johtopäätös

Prosessin seurannan, piirilevyjen taivutustietojen, sirun tasaisuuden ja reflow-juottamisen luotettavuusarvioinnin avulla varmistettiin, että kaikki täyttää asiakkaan vaatimukset ja hyväksyttävät standardit, mikä varmisti laadun ja toteutettavuuden.

Benlida on valmistanut piirilevyjä 14 vuoden ajan. Vuosien kokemuksella ja ammattimaisella päivityksellä, tiukalla prosessinhallinnalla ja laadunvalvonnalla Benlida valmistaa nykyään HDI-piirilevyjä monille asiakkaille, kotimaisilta globaaleille markkinoille. Jos tarvitset HDI-piirilevyjä tai kohtaat niihin liittyviä ongelmia, ota yhteyttä Benlidaan saadaksesi lisätietoja!