Microvia

Blind-Vias, vergrabene Vias, Ultra-HDI-Leiterplatten
Hochfrequenz-Leiterplattenmaterial mit geringen Verlusten
Hochgeschwindigkeitsmaterialien mit niedrigem Dämpfungsverlust
R-5775, R-5785, R-5795, TU-872 SLK, TU-872 SLK SP, TU 933+, I-Tera MT40, Astra MT77, Tachyon 100G
EM-888, EM-888(S), EM-888(K), EM-526, EM-528, EM-528K, IT-968, IT-968 SE, IT-988G, IT-988G SE

Microvia-Leiterplatten

Microvias sind winzige Durchkontaktierungen, die eine oder mehrere Lagen einer Leiterplatte durchdringen, typischerweise mit Durchmessern zwischen 0,1 mm und 0,15 mm. Diese mikroskopisch kleinen Strukturen dienen als Signal- oder Stromversorgungsverbindungen zwischen verschiedenen Lagen der Leiterplatte und ermöglichen so hochverdichtete Verdrahtungen.

Diese kleinen Strukturen ermöglichen den Zugang zu inneren Lagen einer Leiterplatte bei hoher Verdrahtungsdichte und hoher Lagenzahl. Obwohl sie seit Jahren existieren, werden sie zunehmend in Systemen eingesetzt, die mehrere Funktionen auf einer einzigen Leiterplatte vereinen müssen. Wenn eine Platzbedarfsanalyse ergibt, dass Leiterbahnen von 6 mil (0,15 mm) oder weniger erforderlich sind, um alle Bauteile auf der Leiterplatte unterzubringen, ist die Leiterplatte in der Regel so hochintegriert, dass Microvias für die Verdrahtung zwischen den Lagen benötigt werden.

Ein Microvia ist im Prinzip eine stark verkleinerte Version einer herkömmlichen Durchkontaktierung, weist jedoch eine etwas andere Struktur auf. Microvias haben die Form eines Kegelstumpfs – die Durchkontaktierung verjüngt sich beim Übergang in die nächste Lage und endet auf einem Kontaktpad der darunterliegenden Lage. Idealerweise sollte ein Microvia nur eine einzige Lage durchdringen, um maximale Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Designer können gestapelte Microvias (Stacked Microvias) verwenden, um Verbindungen über mehrere Lagen hinweg herzustellen. Dabei werden blinde und vergrabene Microvias (Blind/Buried Microvias) schichtweise aufgebaut, um mehrere Lagen zu überbrücken.

Microvia-Leiterplatten-Viastrukturen

Hochdichte Verdrahtungen (HDI) werden nach IPC-2226 in sechs Konstruktionstypen eingeteilt. Diese werden nach Schichtungsmerkmalen in folgende Kategorien gruppiert: Typ I, Typ II, Typ III, Typ IV, Typ V und Typ VI.

TYP I

1[C]0 oder 1[C]1, mit Durchgangslochverbindungen (Through-Vias) von Oberfläche zu Oberfläche.

TYP II

1[C]0 oder 1[C]1, mit vergrabenen Via-Verbindungen (Buried Vias) im Kern und optional Durchgangslochverbindungen (Through-Vias), die die äußeren Lagen von Oberfläche zu Oberfläche verbinden.

TYP III

2[C]0, zwei oder mehr HDI-Lagen, die zu Durchgangslochverbindungen (Through-Vias) im Kern oder von Oberfläche zu Oberfläche hinzugefügt werden.

TYP IV

1[P]0, wobei P ein passives Substrat ohne elektrische Verbindungsfunktion darstellt.

TYP V

Kernlose Aufbauten unter Verwendung von Lagenpaaren.

TYP VI

Alternative kernlose Aufbauvarianten unter Verwendung von Lagenpaaren.

Blind-Microvias

Blind-Microvias beginnen in der Oberflächenlage und enden eine Lage unter der Oberfläche, können aber auch zwei Lagen unter der Oberfläche enden, wenn das Seitenverhältnis gering gehalten wird. Sollten zwei Lagen überbrückt werden müssen, sind gestapelte Microvias (siehe unten) oder versetzte Microvias die zuverlässigere Lösung. Blind-Microvias können gefüllt oder ungefüllt sein.

Vergrabene Microvias

Vergrabene Microvias haben im Wesentlichen die gleiche Struktur wie Blind-Vias und verbinden zwei innere Lagen, ohne die Leiterplattenoberfläche zu erreichen. Wie bei Blind-Microvias sollte das Seitenverhältnis gering gehalten werden, und sie sollten nur eine Lage überbrücken, um Zuverlässigkeit und Fertigungsfreundlichkeit zu gewährleisten. Diese Vias werden mit Kupfer gefüllt, entweder durch galvanische Abscheidung von Reinkupfer oder mit Epoxid-Kupfer-Harz, um eine stabile Verbindung über das Via-Ende sicherzustellen. Es ist entscheidend, dass der Galvanisierungsprozess hohlraumfreie Strukturen erzeugt, um maximale Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Gestapelte oder versetzte Vias

Gestapelte Microvias schaffen mehr Platz für hochverdichtete Verdrahtung und Fanout von feinpitchigen BGAs, erhöhen jedoch die Leiterplattenkosten. Gestapelte Microvias sollten nur verwendet werden, wenn im Design nicht genug Platz für versetzte Vias vorhanden ist. Microvias, die auf vergrabenen Vias gestapelt sind, erfordern einen zusätzlichen Kupferabdeckungsprozess für die vergrabenen Vias, und Microvias, die auf Microvias gestapelt sind, erfordern eine zusätzliche Kupferfüllung der innerlagigen Microvias.

Da der schichtweise Prozess zur Herstellung von Microvias mit geringem Seitenverhältnis sie für gestapelte Anwendungen geeignet macht, sind gestapelte Microvias einfach Stapel aus vergrabenen Vias oder ein Blind-Microvia auf vergrabenen Microvias. Dies ist die Standardmethode zur Überbrückung mehrerer Lagen in einer HDI-Leiterplatte. Die inneren vergrabenen Microvias im Stapel müssen mit leitfähiger Paste gefüllt und überkupfert werden, um einen stabilen Kontakt zu gewährleisten, während das nächste Via im Stapel abgeschieden und galvanisiert wird. Die Alternative zu gestapelten Microvias sind versetzte Microvias, bei denen Microvias in aufeinanderfolgenden Lagen versetzt zueinander angeordnet sind.

HDI-Microvia-Fertigung

Abhängig von der Größe der Vias können diese mechanisch gebohrt und galvanisiert werden (gefolgt von Stapelung und Verpressung jeder Lage) oder mit einem Hochleistungslaser hergestellt werden. Letzteres Verfahren wird ständig weiterentwickelt und ist dank seines hohen Durchsatzes in der Serienfertigung von Leiterplatten bevorzugt. Neue Fortschritte in der Laserbohrtechnik ermöglichen Microvia-Durchmesser von bis zu 15 µm.

Nach dem Bohren und Reinigen wird das Via-Loch galvanisiert, entweder durch Sputtern, elektrolytische Abscheidung oder chemische Kupferabscheidung. Ziel des Galvanisierungsprozesses ist es, die Bildung von Hohlräumen, Vertiefungen, Erhebungen oder anderen Strukturdefekten im gefüllten Via zu verhindern. Hohlräume sind auch ein Zuverlässigkeitsproblem, da sich bei Belastung der Via-Struktur Spannungen am Rand des Hohlraums konzentrieren können, wo das Kupfer dünner ist.

Während der Fertigung weisen lasergebohrte Microvias ein geringeres Fehlerrisiko auf als konventionelle Vias. Mechanisch gebohrte Microvias können durch Bohrerschwingungen bei Verschleiß Defekte aufweisen, und das mechanische Bohren von Microvias ist nur bis zu Durchmessern von 6 bis 8 mil sinnvoll, abhängig von der Werkzeugausstattung des Herstellers.

Gefüllte oder ungefüllte Microvias

Microvias können entweder mit Kupfer gefüllt oder ungefüllt belassen werden. Für vergrabene Microvias ist eine Füllung des Via-Lochs mit Kupfer erforderlich, insbesondere wenn sie gestapelt werden sollen. Hohlräume im Inneren des Via-Zylinders können während des Reflow-Lötens zu vorzeitigem Bruch führen. Obwohl Blind-Microvias ungefüllt bleiben können, müssen Blind-Microvias in Pads immer gefüllt sein.

Nach der Füllung wird das Microvia vom Hersteller galvanisiert. Typischerweise kommen Epoxid-Kupfer-Harz oder Reinkupfer zum Einsatz. Beginnend mit einer konformen Beschichtung wird meist Pulsgalvanisierung verwendet, um den Microvia-Körper mit massivem Kupfer zu füllen und so Hohlräume zu vermeiden. Zusätze im Füllmaterial sind während des Galvanisierungsprozesses notwendig, da deren Fehlen zur Bildung von Hohlräumen führen kann. Ein weiterer Grund für die Verwendung von Zusätzen ist die Vermeidung von Kupferkonzentration an den Wänden und der Oberseite des Microvias. Ungleichmäßige Kupferabscheidung entlang des Via-Körpers kann auch durch konforme Beschichtung entstehen und zur Bildung von Hohlräumen führen.

Via-Fülloptionen

Zur Erinnerung: Ein Via ist ein galvanisiertes Loch, das zur Verbindung zweier oder mehrerer Lagen innerhalb einer Leiterplatte dient. Via-Füllung ist eine spezielle Leiterplattenfertigungstechnik, bei der Via-Löcher selektiv und vollständig mit Epoxid verschlossen werden. Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen ein Leiterplattendesigner eine Via-Füllung wünschen könnte. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

Zuverlässigere Oberflächenmontage

Höhere Ausbeute bei der Bestückung

Verbesserte Zuverlässigkeit durch Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von eingeschlossener Luft oder Flüssigkeiten

Via-in-Pad

Einer der größten Vorteile der Via-Füllung ist die Möglichkeit, Via-in-Pad zu realisieren. Dieses Verfahren wird immer beliebter und wird gegenüber der traditionellen „Dog-Bone“-Methode bevorzugt, um Signale vom BGA durch das Via zu inneren Lagen zu übertragen. Bei diesem Prozess, auch als „Active Pad“ bekannt, werden Vias gefüllt, planarisiert und mit Kupfer übergalvanisiert. Obwohl der Via-in-Pad-Prozess die Kosten erhöht, bietet er erhebliche Vorteile gegenüber konventioneller Durchkontaktierungstechnik.

Einige wichtige Vorteile sind:

Engere BGA-Raster
Verbesserte Wärmeableitung
Reduzierte Lagenzahl oder Leiterplattengröße, was letztendlich die Kosten senken kann
Höhere Verdrahtungsdichte (höhere Dichte pro Lage)
Stabilere Pad-Verbindung
Ermöglicht HF-Designs die kürzestmögliche Route zu Bypass-Kondensatoren
Überwindet Hochgeschwindigkeits-Designprobleme und -einschränkungen wie niedrige Induktivität

Leitfähige Via-Füllung

Leitfähige Via-Füllung ermöglicht den effektiven Transfer elektrischer Signale von einer Seite der Leiterplatte zur anderen und verbessert gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit des Vias. Leitfähig gefüllte Vias (meist Kupfer oder Silber) sind besonders nützlich, um große Wärmemengen von Bauteilen abzuleiten, da das metallische Füllmaterial die Wärme vom IC ableitet.

Silber-Epoxid ist kostengünstiger und wird häufiger verwendet, aber kupferleitendes Epoxid bietet eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit. Beide verbessern jedoch die Stromleitfähigkeit zwischen den Vias und den inneren Lagen der Leiterplatte. Es ist zu beachten, dass die leitfähige Via-Füllung etwa fünfmal teurer ist als nicht-leitfähige Füllungen.

Nicht-leitfähige Via-Füllung

Nicht-leitfähige Via-Füllung erfolgt nach dem gleichen Prozess wie leitfähige Füllung, wird jedoch meist durchgeführt, um das Eindringen von Lötzinn oder anderen Verunreinigungen in das Via zu verhindern, anstatt Wärme oder Signale zu leiten. Sie bietet auch strukturelle Unterstützung für ein Kupferpad, das das Loch im Fall eines Via-in-Pad bedeckt. Beachten Sie, dass die Vias weiterhin mit Kupfer galvanisiert sind und somit Wärme und elektrische Signale leiten, da der einzige Unterschied zu herkömmlichen Vias darin besteht, dass die Luft im Hohlraum durch das Füllmaterial ersetzt wird.

Es wird empfohlen, die CTE-Werte (Wärmeausdehnungskoeffizienten) der Via-Füllung an das umgebende Laminat anzupassen, um spätere Spannungsrisse aufgrund von Kontraktion oder Expansion zu vermeiden. Da sich das Via-Füllmaterial schneller erwärmt und ausdehnt als das Laminat, kann diese ungleichmäßige Ausdehnung zu Rissen zwischen Pad und Lochwand führen.

Kupfer-geschlossene gefüllte Vias

Die meisten Leiterplattendesigner haben Erfahrung mit epoxidgefüllten Vias, aber viele sind nicht mit dem Prozess der kupfergeschlossenen Füllung für Durchgangsvias und/oder Microvias vertraut, da nicht alle Leiterplattenhersteller in die erforderliche Ausrüstung investiert haben, um diesen Prozess durchzuführen.

Benchuang Electronics hat ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Durchgangsvias mit Durchmessern von bis zu 12 mil (0,3 mm) hohlraumfrei zu verschließen, ohne Bedenken hinsichtlich Lufteinschlüssen oder Flüssigkeitsrückständen in den Löchern. Kupfergeschlossene Vias bieten eine 10-mal bessere Wärmeleitfähigkeit als jede andere Via-Fülllösung, was sie zur logischsten Wahl für die Wärmeableitung macht.

Generell gilt: Wenn das Seitenverhältnis 10:1 erreicht oder der Via-Durchmesser weniger als 8 mil (0,2 mm) beträgt, entscheiden wir uns für eine kupfergeschlossene Via-Füllung. Es gibt jedoch weitere spezifische Fälle, in denen das Füllen oder Verschließen von Vias schwierig ist:

Dünne Materialien oder Substrate (unter 20 mil / 0,5 mm) sind schwerer zu planarisieren, da das Material reißen oder verziehen kann.
Wenn Wrap-Plating erforderlich ist, kommt es zu einer Kupferanreicherung auf den Oberflächen, was die Verarbeitung feiner Leiterbahnen erschwert.
PTFE/Teflon-Materialien verziehen sich stark.

Versetzte Microvias

Ähnlich wie gestapelte Vias verbinden versetzte Vias verschiedene Lagen der Leiterplatte. Sie stehen jedoch nie in direktem Kontakt zueinander, da ihre Bohrachsen versetzt sind, was ihre Position auf benachbarten Lagen verschiebt.

Die Versetzung von Microvias erfordert weniger Designschritte. Da das gebohrte Loch nicht direkt über dem darunter liegenden liegt, benötigen lasergebohrte versetzte Vias keine Kupferfüllung. Dies macht das Design weniger komplex.

Bei der Konstruktion einer versetzten Via-Struktur ist der Abstand zwischen den lasergebohrten Löchern die Hauptüberlegung. Die Machbarkeit eines versetzten Via-Designs hängt vom vertikalen Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Microvias ab. Ein funktionsfähiges versetztes Design erfordert, dass der vertikale Abstand größer ist als der Durchmesser des Microvias.

Das Stapeln von Microvias übt Druck auf die Via-Wände aus. Dieser Druck kann das oberste Via von seinem Pad lösen. Daher bevorzugen Designer eine versetzte Microvia-Anordnung, wenn mehr als zwei Lagen verbunden werden müssen.

Allerdings sind versetzte Vias möglicherweise nicht die richtige Wahl, wenn das Design Platzbeschränkungen aufweist. Obwohl weniger komplex, beanspruchen versetzte Vias mehr Platz auf der Leiterplatte. Andererseits gibt es bei versetzten Vias kaum Übersprechprobleme aufgrund der Versetzung. Die Versetzung führt jedoch zu mehr Diskontinuität im Signalpfad, was die Einhaltung einer gleichmäßigen Via-Impedanz in Hochgeschwindigkeitsdesigns erschwert.

Gestapelte Microvias

Gestapelte Vias sind direkt übereinander angeordnet. Jedes Via wird gebohrt und galvanisiert, bevor es über einem anderen gestapelt wird, um verschiedene Lagen zu verbinden. Sie verwenden zwei schmale Kupferringe, einen oben und einen unten. Der obere Ring ermöglicht eine präzise Ausrichtung, während der untere die elektrische Verbindung herstellt.

Gestapelte Vias werden mit galvanisch abgeschiedenem Kupfer gefüllt. Dies bietet nicht nur strukturelle Unterstützung, sondern auch eine zuverlässige elektrische Verbindung. Eine unsachgemäße Abscheidung kann jedoch Defekte wie Hohlräume oder eine schwache Verbindung zwischen der Via-Basis und dem darunter liegenden Pad verursachen, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Während Kompaktheit der Hauptvorteil gestapelter Vias ist, gewährleisten sie in HDI-Leiterplatten auch Flexibilität bei der Verdrahtung. Zudem helfen gestapelte Vias, eine gleichmäßige Impedanz des Signals von der Quelle zum Ziel aufrechtzuerhalten.

Druck auf die Microvias entlang der Z-Achse des Dielektrikums beeinflusst die Zuverlässigkeit aufgrund unterschiedlicher CTE-Werte der Materialien. Beispielsweise dehnt sich Kupfer nur um 16 ppm aus, während sich das Dielektrikum bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur um bis zu 200 ppm ausdehnt.

Bei nur einer Lage ist dies unproblematisch. Ab zwei oder mehr Lagen können Toleranzüberschreitungen zu Rissen im Via oder an den Ecken führen, was Designer dazu veranlasst, Vias eher versetzt als gestapelt anzuordnen.