Płaskoelektrolifowanie i wypełnianie otworów w PCB HDI: techniki precyzyjne dla konstrukcji o wysokiej gęstości

PCB o wysokiej gęstości łączenia (HDI) zrewolucjonizowały elektronikę, umożliwiając mniejsze, szybsze i bardziej wydajne urządzenia – od smartfonów 5G po implanty medyczne.W sercu tych zaawansowanych PCB leżą dwa kluczowe procesy produkcyjneTechniki te zapewniają niewielkie przewody (tak małe jak 50 μm) i drobne ślady w konstrukcjach HDI są elektrycznie niezawodne, mechanicznie wytrzymałe,i gotowe do obsługi wymagań sygnałów dużych prędkości.

W niniejszym przewodniku omówiono, jak działają płaskie galwanizacje i wypełnianie otworów, ich rolę w wydajności płytek HDI, kluczowe techniki i dlaczego są one niezbędne dla nowoczesnej elektroniki.Niezależnie od tego, czy projektujesz kompaktowy urządzenie do noszenia, czy moduł radarowy o wysokiej częstotliwości, zrozumienie tych procesów jest niezbędne do osiągnięcia niezawodnych, wydajnych PCB HDI.

Kluczowe wnioski
1.Płaskie galwanizowanie tworzy jednolite warstwy miedzi (gęstość ± 5 μm) na płytkach HDI, zapewniając stałą impedancję (50Ω/100Ω) dla sygnałów dużych prędkości (25Gbps +).
2Wypełnianie otworów (za pomocą przewodzących lub nieprzewodzących materiałów) eliminuje kieszeni powietrza w mikroviach, zmniejszając straty sygnału o 30% i poprawiając przewodność cieplną o 40%.
3W porównaniu z tradycyjnym pokrywaniem płaskim galwanizmem zmniejsza chropota powierzchni o 50%, co jest kluczowe dla zminimalizowania tłumienia sygnału w konstrukcjach o wysokiej częstotliwości.
4Przemysły takie jak lotnictwo, telekomunikacja i urządzenia medyczne opierają się na tych technikach, aby uzyskać PCB HDI o rozmiarze 0,4 mm BGA i 10 000+ przewodów na cal kwadratowy.

Co to jest płaskie elektroplacowanie i wypełnianie otworów w PCB HDI?
PCB HDI wymagają gęsto zapakowanych komponentów i małych przewodów, aby zaoszczędzić przestrzeń, ale te cechy stwarzają wyjątkowe wyzwania produkcyjne.
Płaskie elektroplacowanie: Specjalistyczny proces elektroplacowania, który odkłada równomierną warstwę miedzi na powierzchni PCB i w przewodnikach, zapewniając gładkie, równomierne wykończenie z minimalną zmiennością grubości.Jest to kluczowe dla utrzymania kontrolowanej impedancji w ścieżkach dużych prędkości.
2Wypełnianie otworów: Proces wypełniania mikrovia (malutkich otworów łączących warstwy) materiałami przewodzącymi lub nieprzewodzącymi w celu usunięcia próżni, zwiększenia wytrzymałości mechanicznej,i poprawić wydajność termiczną i elektryczną.

Dlaczego PCB HDI potrzebują tych procesów
Tradycyjne płytki PCB z dużymi przewodami (≥ 200 μm) mogą używać standardowego nakładania, ale projekty HDI z mikroprzewodami (50-150 μm) wymagają precyzji:
a. Integralność sygnału: sygnały dużych prędkości (25 Gbps+) są wrażliwe na szorstkość powierzchni i zmiany impedancji, co minimalizuje płaskie galwanizowanie.
b.Niezawodność mechaniczna: niepełnione przewody działają jako punkty naprężenia, co zwiększa ryzyko pęknięć podczas cyklu termicznego.
c. Zarządzanie cieplne: wypełnione przewody cieplne odprowadzają ciepło z gorących komponentów (np. nadajniki 5G), obniżając temperaturę roboczą o 15-20 °C.

Płaskie elektroplacowanie: osiągnięcie jednolitych warstw miedzi
Płaskie galwanizowanie zapewnia, że grubość miedzi jest spójna w całym PCB, nawet w ciasnych przestrzeniach, takich jak ściany i pod komponentami.

Jak działa płaskie elektrolifowanie
1.Przedtraktowanie: PCB jest oczyszczane w celu usunięcia tlenków, olejów i zanieczyszczeń, zapewniając odpowiednie przyczepienie miedzi.
2.Ustawienie kąpieli elektrolitowej: PCB zanurza się w kąpieli elektrolitowej siarczanu miedzianego z dodatkami (levelerami, oświetleniami), które kontrolują osadzenie miedzi.
3Prąd stosowany: stosuje się niski, kontrolowany prąd (13 A/dm2), przy czym PCB pełni rolę katody.Depozytujące równomiernie na powierzchni i w przewodnikach.
4Środki wyrównujące: dodatki w elektrolicie migrują do obszarów o wysokim prądzie (np. krawędzi śladów), spowalniając tam osadzenie miedzi i zapewniając równomierną grubość.
Wynik: Zmiana grubości miedzi wynosi ±5 μm, w porównaniu z ±15 μm przy tradycyjnym blatowaniu, co jest krytyczne dla ścisłych tolerancji impedancji HDI (± 10%).

Korzyści płaskiej elektrolitry w PCB HDI
1.Kontrolowana impedancja: jednolita grubość miedzi zapewnia, że impedancja śladowa pozostaje w zakresie specyfikacji projektowych (np. 50Ω ± 5Ω dla sygnałów RF), zmniejszając odbicie sygnału.
2Zmniejszona strata sygnału: Gładkie powierzchnie (Ra < 0,5 μm) minimalizują straty efektów skóry przy wysokich częstotliwościach (28 GHz +), przewyższając tradycyjne pokrycie (Ra 1 ‰ 2 μm).
3Zwiększona łatwość spawania: płaskie powierzchnie zapewniają spójne tworzenie złącza lutowego, kluczowe dla BGA o średnicy 0,4 mm, gdzie nawet niewielkie zmiany mogą powodować otwarcie lub krótkie.
4Zwiększona niezawodność: jednolite warstwy miedzi są odporne na pęknięcia podczas cyklu termicznego (-40 °C do 125 °C), co jest powszechnym punktem awarii w PCB HDI.

Wypełnianie dziur: usunięcie próżni w mikrowierzchni
Mikrovia w PCB HDI (50-150 μm średnicy) są zbyt małe dla tradycyjnego pokrycia otworami, co pozostawia próżnice.Wypełnianie otworów rozwiązuje ten problem poprzez całkowite wypełnienie przewodów przewodzącymi lub nieprzewodzącymi materiałami.

Rodzaje technik wypełniania otworów

Dlaczego wypełnianie dziur ma znaczenie
1.Eliminuje próżnia: próżnia w przewodzie zatrzymuje powietrze, co powoduje utratę sygnału (z powodu zmienności stałej dielektrycznej) i punkty cieplne.
2Wytrzymałość mechaniczna: wypełnione przewody działają jako wsparcie strukturalne, zapobiegając wypaczeniu PCB podczas laminowania i zmniejszając naprężenie na łączach lutowych.
3Przewodność cieplna: Przewodzące przewody wypełnione miedzią przenoszą ciepło 4 razy lepiej niż niewypełnione przewody, co jest krytyczne dla elementów wrażliwych na ciepło, takich jak moduły 5G PA.
4Uproszczona montaż: wypełnione i wyrównane przewody tworzą płaską powierzchnię, umożliwiającą dokładne umieszczenie komponentów o cienkiej wygrzebności (np. pasyw 0201).

Proces wypełniania dziury
W przypadku przewodzącej miedzi wypełnienia (najczęściej występujące w PCB HDI o wysokiej niezawodności):
1.Przez przygotowanie: Mikrowiany są wiercone (laserowo lub mechanicznie) i odmawiane w celu usunięcia pozostałości epoksydowych, zapewniając przyczepność miedzi.
2Odłożenie warstwy nasion: Cienka (0,5 μm) warstwa nasion miedzi jest nakładana na ściany, aby umożliwić galwanizację.
3. Elektrolifowanie: Wykorzystuje się impuls wysokiego prądu (510 A/dm2), powodując szybsze osadzenie miedzi na dnie, wypełniając ją od wewnątrz na zewnątrz.
4Płaskość: nadmiar miedzi na powierzchni usuwa się za pomocą polerowania mechanicznego chemicznego (CMP), pozostawiając podłoże wypełnione i spłukiwane z powierzchnią PCB.

Porównanie tradycyjnego i HDI platowania/wypełniania
Tradycyjne procesy PCB zmagają się z niewielkimi cechami HDI, co sprawia, że płaskie galwanizowanie i wypełnianie otworów są niezbędne:

Zastosowania wymagające płaskiej elektroplatacji i wypełniania otworów
Techniki te mają kluczowe znaczenie w branżach, w których wydajność i niezawodność PCB HDI nie są przedmiotem negocjacji:
1Telekomunikacje i 5G
a.5G stacje bazowe: PCB HDI z miedzianymi przewodami i płaskim pokryciem obsługujące sygnały 28GHz/39GHz mmWave, zapewniające niskie straty i wysoką przepustowość danych (10Gbps+).
b.Smartfony: smartfony 5G wykorzystują 6-8 warstw PCB HDI o rozmiarze 0,4 mm, opierając się na tych procesach, aby dopasować modemy, anteny i procesory w szczupłych konstrukcjach.
Przykład: Główne płytki PCB wiodących smartfonów 5G wykorzystują ponad 2000 mikropłyt wypełnionych miedzią i płaskie ślady elektroplacowane, umożliwiając prędkość pobierania 4 Gbps w urządzeniu o grubości 7,5 mm.

2. Urządzenia medyczne
a.Implantacje: Pacemakery i neurostimulatory wykorzystują biocompatible (ISO 10993) HDI PCB z wypełnionymi eposem przewodami, zapewniając niezawodność w płynach ciała i zmniejszając rozmiar o 40% w porównaniu z tradycyjnymi PCB.
b. Wyposażenie diagnostyczne: Przenośne analizatory krwi wykorzystują płaskie PCB HDI do łączenia małych czujników i procesorów, z wypełnionymi przewodami uniemożliwiającymi wniknięcie płynu.

3- Lotnictwo i obrona.
a. Ładunki przydatne dla satelitów: PCB HDI z przewodami wypełnionymi miedzią są odporne na promieniowanie i ekstremalne temperatury (-55°C-125°C),z płaskim pokryciem zapewniającym stabilną integralność sygnału dla komunikacji międzyprzewodnikowej.
b. Radia wojskowe: wytrzymałe płyty PCB HDI wykorzystują te procesy do osiągania wysokiej częstotliwości (18 GHz) w kompaktowych, odpornych na wstrząsy obudowach.

4Elektronika przemysłowa
a.Automotive ADAS: PCB HDI w systemach radarowych i LiDAR opierają się na wypełnionych przewodnikach w zakresie odporności na wibracje (20G+) i płaskiej pokrycie dla integralności sygnału 77GHz, co jest kluczowe dla uniknięcia kolizji.
b.Robotika: Kompaktne sterowniki ramienia robotycznego wykorzystują płytki HDI z komponentami o średnicy 0,2 mm, umożliwiające płaskie galwanizowanie i wypełnianie otworów w celu zmniejszenia wielkości i poprawy czasu reakcji.

Wyzwania i rozwiązania w zakresie pokrycia i wypełniania HDI
Podczas gdy procesy te umożliwiają innowacje HDI, wiążą się z wyjątkowymi wyzwaniami:

Często zadawane pytanie
P: Jaki jest najmniejszy kanał, który można wypełnić za pomocą tych technik?
Odpowiedź: Mikrowiany wiercone laserowo o rozmiarze 50 μm można niezawodnie wypełnić miedzią lub epoksydem, chociaż 100 μm jest bardziej powszechne w zakresie wydajności.

P: Czy nieprzewodzące wypełnienie (epoksy) jest tak niezawodne jak wypełnienie miedziane?
Odpowiedź: W przypadku dróg sygnałowych wypełnienie epoksydowe oferuje dobrą wydajność mechaniczną i termiczną przy niższych kosztach.

P: W jaki sposób płaskie galwanizowanie wpływa na elastyczność PCB?
Odpowiedź: Płaskie galwanizowanie wykorzystuje cieńsze warstwy miedzi (1235μm) niż tradycyjne pokrycie, co sprawia, że nadaje się do elastycznych płyt HDI (np. składanych zawiasów telefonów) o lepszej giętości.

P: Jaki jest typowy czas realizacji PCB HDI przy tych procesach?
Odpowiedź: 10-14 dni w przypadku prototypów, w porównaniu z 5-7 dniami w przypadku tradycyjnych PCB, ze względu na precyzyjne etapy nakładania i napełniania.

P: Czy procesy te są zgodne z RoHS i innymi normami środowiskowymi?
Odpowiedź: Tak ∆płata miedziana i epoksydowa wykorzystują materiały wolne od ołowiu, zgodne z normami RoHS, REACH i IPC-4552 dla elektroniki.

Wniosek
Płaskie galwanizowanie i wypełnianie otworów są nieznanymi bohaterami produkcji płyt HDI, umożliwiając miniaturyzację i wysoką wydajność, które definiują współczesną elektronikę.Zapewniając jednolite warstwy miedzi, wyeliminując próżnię i zachowując integralność sygnału, procesy te umożliwiają pakowanie większej liczby funkcjonalności w mniejsze przestrzenie, od smartfonów 5G po uratowane urządzenia medyczne.
W miarę jak PCB HDI będą się rozwijać (z sygnałami pod 50 μm i 112 Gbps na horyzoncie), płaskie galwanizowanie i wypełnianie otworów będą jeszcze bardziej krytyczne.Producenci i projektanci, którzy opanowują te techniki, pozostaną na czele rynku, na którym wielkośćSzybkość i niezawodność to wszystko.
W końcu te precyzyjne procesy dowodzą, że najmniejsze szczegóły w produkcji PCB często mają największy wpływ na urządzenia, na których polegają nasze codzienne życie.