Otimização de Microvias Cegas com Preenchimento de Cobre para Desempenho Superior de PCB

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Vias, os furos pelos quais pads empilhados são conectados eletricamente, são partes essenciais de placas de circuito impresso (PCBs). À medida que dispositivos eletrônicos, como smartphones e produtos similares, tornam-se mais populares e diminuem de tamanho, a capacidade de colocar vias menores na placa torna-se cada vez mais útil.

Também é necessário transferir sinais de forma confiável através das camadas do PCB — o que pode ser feito adicionando uma camada de cobre ao substrato da placa — mas o preenchimento das vias com cobre proporciona capacidade extra.

Microvias cegas preenchidas com cobre permitem placas de interconexão de alta densidade (HDI) e também fornecem transferência de sinal confiável. Embora existam desafios associados a este tipo de via, elas também oferecem muitas vantagens. Continue lendo para saber mais sobre este processo e por que pode ser útil para você.

O que são Microvias?

A IPC define uma microvia como uma "estrutura cega (como revestida) com uma proporção máxima de aspecto de 1:1… terminando em ou penetrando um land alvo, com uma profundidade total (X) de no máximo 0,25 mm [0,00984 pol] medida a partir do foil de land de captura da estrutura até o land alvo."

Antes de sua definição ser alterada em 2013, o termo era definido como um furo de via menor que 0,15 mm, ou 0,006 polegadas, de diâmetro. Com o tempo, esse tamanho tornou-se mais comum, e a IPC percebeu que teria que continuar atualizando sua definição à medida que as vias ficassem menores, se continuasse a defini-las pelo diâmetro.

Lasers são usados para perfurar furos para microvias, e avanços recentes na perfuração a laser permitiram a criação de microvias tão pequenas quanto 15 µm. Embora os lasers usados possam perfurar apenas uma camada por vez, fabricantes de PCB podem produzir microvias through-hole perfurando várias camadas separadamente e depois empilhando-as.

Você tem menos probabilidade de encontrar defeitos de fabricação ao trabalhar com microvias do que com vias normais, porque a perfuração a laser não resulta em material residual nos furos perfurados. Microvias são, no entanto, igualmente propensas a problemas com revestimento e refluxo de solda.

Devido ao seu pequeno tamanho, microvias podem ser usadas para PCBs de interconexão de alta densidade (HDI), que são importantes hoje à medida que a eletrônica — especialmente dispositivos de telecomunicações e computação — torna-se mais avançada, mas também menor em tamanho.

O que são Vias Cegas e Enterradas?

Microvias podem ser cegas ou enterradas. Microvias cegas conectam uma camada externa de um PCB a uma ou mais camadas internas e não atravessam toda a placa. Elas conectam uma camada superior externa e as camadas internas que alcançam. Vias cegas são úteis para aumentar a densidade de roteamento. Se você precisar rotear trilhas de sinal de uma camada externa para uma interna, vias cegas são frequentemente o caminho mais curto para fazê-lo.

Microvias enterradas conectam duas ou mais camadas internas e não chegam a uma camada externa. Elas não podem ser vistas a partir das camadas externas. Fabricantes geralmente as criam usando laminação consecutiva.

O que são Vias Preenchidas com Cobre?

Vias preenchidas com cobre são vias preenchidas com cobre puro ou resina epóxi com cobre. Este preenchimento de cobre aumenta a condutividade da via, ajudando-a a transferir sinais de forma mais eficaz de um lado da placa para o outro. Muitos tipos de via podem ser preenchidos com cobre, incluindo vias padrão, microvias, vias cegas e vias enterradas.

Você também pode preencher vias com outros materiais, como ouro, prata, epóxi condutivo, epóxi não condutivo e revestimento eletroquímico. O tipo mais comum de preenchimento de via é epóxi não condutivo. O preenchimento de cobre, no entanto, fornece vantagens que o tornam ideal para certas aplicações.

Vantagens de Microvias Cegas Preenchidas com Cobre

O uso de microvias, sejam cegas ou enterradas, é benéfico por várias razões, incluindo as seguintes.

Espaço

Uma das principais vantagens do uso de microvias é que elas economizam espaço, o que resulta em redução de custos. Quanto mais espaço suas vias ocupam, mais placa você precisa, e mais caro seu projeto será.

Microvias são um componente crucial de PCBs HDI, que frequentemente apresentam vias through-hole, vias enterradas, vias cegas, construção sem núcleo, construção de substrato passivo e construções alternativas de builds sem núcleo com pares de camadas. Além de seu tamanho menor e peso menor, essas placas também fornecem desempenho elétrico aprimorado devido à distância reduzida entre componentes e ao maior número de transistores.

Microvias também podem ajudar a utilizar via-in-pads (VIPs) de forma mais eficaz. VIPs economizam espaço criando conexões nos pads de tecnologias de montagem em superfície (SMTs). Devido ao seu tamanho menor, microvias são adequadas para uso com VIPs. Vias normais às vezes são grandes demais para caber dentro de pads para SMTs. Microvias, no entanto, podem caber dentro de pads sem problemas de fabricação.

Vias cegas e enterradas microvias também são mais fáceis de fabricar do que vias cegas e enterradas regulares, que podem ser difíceis de fabricar. Microvias, no entanto, já são feitas camada por camada, o que significa que é mais fácil torná-las cegas ou enterradas — um processo que requer trabalhar camada por camada.

Microvias também são úteis para quebrar ball grid arrays (BGAs). VIPs de microvia podem caber facilmente dentro dos pads de BGAs de passo fino. Elas são ainda mais benéficas em canais de breakout. VIPs economizam espaço de superfície, mas também exigem um alto número de camadas para levar saídas a outras partes da placa. Microvias podem ajudar a aumentar a largura dos caminhos de escape, o que pode permitir o uso de menos camadas para fazer o breakout de um BGA.

Redução de EMI

Microvias também podem ajudar a reduzir interferência eletromagnética (EMI), que ocorre quando um campo eletromagnético afeta um circuito elétrico e interrompe a operação de um dispositivo eletrônico. Como vêm com risco reduzido de EMI, microvias são especialmente úteis para circuitos propensos a EMI, como aqueles usados em aplicações de alta frequência ou alta velocidade.

Circuitos de alta velocidade frequentemente enfrentam problemas com radiação e reflexão de sinal em vias. Reduzir o tamanho das vias, no entanto, reduz o potencial de radiação, o que se traduz em menos EMI. Para circuitos de alta velocidade, stubs — que são linhas de transmissão ou guias de onda conectadas apenas em uma extremidade — são outra causa de problemas de EMI. Stubs podem refletir sinais de volta aos condutores e atenuar ou até cancelar o sinal original. Como microvias são feitas camada por camada, você não terá stubs.

Linhas de transmissão de alta frequência, como condutores stripline de micro-ondas e ondas milimétricas, requerem vias para fazer breakout de sinais. Vias padrão, no entanto, criam muita EMI para uso em striplines de alta frequência. Microvias, por outro lado, geram muito pouca EMI e não degradarão a integridade do seu sinal. Circuitos de alta frequência estão sendo usados com frequência crescente, tornando a EMI uma preocupação mais comum.

O preenchimento de vias com cobre também fornece vários benefícios, principalmente nas áreas de condutividade térmica e elétrica.

Condutividade Térmica e Elétrica

Usar cobre para preencher uma via aumentará a condutividade térmica da via, o que mantém o calor longe da placa, resultando em vida útil mais longa e menor risco de defeitos. Em vez de viajar para diferentes partes da placa, o calor viajará através do cobre para o outro lado da placa, protegendo seus componentes. O cobre tem condutividade térmica maior que o ouro, que é outro material usado para preencher vias.

O cobre também tem condutividade elétrica maior que a do ouro. A condutividade do cobre em uma via permitirá que correntes cruzem para camadas mais profundas sem sobrecarregar o PCB. Este recurso torna microvias preenchidas com cobre ideais para aplicações de alta tensão e aquelas que requerem correntes fortes para viajar entre cada lado da placa.

Desafios Associados a Microvias Cegas Preenchidas com Cobre

Certos desafios estão associados à fabricação de microvias. Esses desafios às vezes podem levar a defeitos de interconexão (ICDs), falhas que ocorrem próximo ao revestimento e à camada interna de cobre. Esses ICDs podem causar problemas de confiabilidade, circuitos abertos, problemas intermitentes em altas temperaturas e falhas de circuito. Pode ser difícil detectar ICDs porque eles podem funcionar corretamente durante os testes após a etapa de fabricação, mas revelar problemas durante a montagem ou uso. É importante monitorar esses defeitos e fabricar placas cuidadosamente para evitá-los.

ICDs Baseados em Detritos

Um tipo comum de ICD ocorre porque detritos acabam no furo de interconexão e ficam incorporados no cobre da camada interna. Esses detritos frequentemente resultam do processo de perfuração do furo. Os lasers usados para perfurar furos de microvia não criam quase tanto detrito quanto outros processos de perfuração, então microvias têm menor risco de ICDs baseados em detritos. Ainda é importante, porém, que o fabricante verifique se todos os furos estão livres de todos os detritos, resíduos, manchas de perfuração, fibra de vidro, enchimentos inorgânicos e outros materiais antes de enchê-los com cobre.

Em vários tipos de vias, ICDs baseados em detritos estão se tornando mais comuns, talvez porque mais fabricantes estejam usando materiais low DK/low DF. Esses materiais são mais econômicos de muitas maneiras, mas frequentemente criam mais detritos e são mais quimicamente resistentes à limpeza do que outros materiais, como materiais epóxi FR-4 padrão.

ICDs de Falha de Ligação de Cobre

Outro tipo comum de ICD é uma falha de ligação de cobre. Este tipo pode ocorrer devido a alto estresse durante montagem ou uso, uma banda de cobre fraca ou uma combinação dessas duas condições. Quando ocorre um ICD de falha de ligação de cobre, a conexão de cobre fisicamente se rompe. Quanto mais fraca a ligação de cobre, menos estresse é necessário para rompê-la.

A prevalência de ICDs de falha de ligação de cobre parece estar aumentando, possivelmente porque mais fabricantes estão usando PCBs mais grossos e temperaturas de solda sem chumbo mais altas. Tamanhos de furo maiores e solda de onda também podem aumentar a probabilidade de falhas de ligação de cobre. Falhas de ligação de cobre ocorrem em microvias e vias padrão.

Vazios e Confiabilidade

Problemas comuns que ocorrem no processo de revestimento de cobre para microvias incluem preenchimento incompleto, depressões e vazios. Esses defeitos podem causar problemas de confiabilidade. De acordo com um estudo de pesquisadores da Universidade de Maryland, o preenchimento incompleto de cobre aumenta os níveis de estresse em microvias, diminuindo sua vida útil à fadiga, que é o número de ciclos de carregamento (estresse) que uma amostra pode sustentar antes de falhar.

O impacto que um vazio tem na confiabilidade da microvia depende das características do vazio, como seu tamanho, forma e localização. Vazios pequenos e esféricos, por exemplo, aumentam ligeiramente a vida útil à fadiga de microvias, enquanto condições extremas de vazios reduzem significativamente sua vida.

O Processo de Preenchimento de Cobre para Microvias Cegas

Após perfurar os furos de microvia, o fabricante colocará cobre puro ou resina epóxi com cobre neles para conectar os circuitos da camada interna à superfície do PCB. Este cobre permite que você coloque componentes ou conectores na superfície da placa e permite que o circuito se conecte entre camadas.

Ao trabalhar com microvias cegas, preencher os furos de microvia sem aditivos normalmente resulta na formação de vazios. O fabricante sempre deposita cobre até que a via seja fechada, mas se aditivos não forem usados, menos cobre é depositado dentro da via do que na superfície, e vazios podem se formar.

Certos aditivos orgânicos impedem a deposição na superfície e ajudam a aumentar o revestimento dentro da microvia cega, o que leva à deposição conformal. O revestimento conformal também aumenta a proporção de aspecto da microvia cega, o que limita a solução e o transporte de massa para dentro dela. Este processo às vezes resulta em uma microvia com uma costura no centro.

Você também pode preencher uma microvia cega com cobre usando o método bottom-up, que envolve depositar cobre preferencialmente no pad de captura. Este processo idealmente criará uma depressão baixa combinada com um mínimo de cobre revestido na superfície.

Quando você está enchendo um furo de via com cobre, é importante garantir que a camada de cobre dentro da via seja uniforme e que você não torne a camada externa muito grossa. Ter excesso de cobre adiciona peso desnecessário ao PCB e pode resultar em muito cobre nas trilhas. Isso pode resultar em defeitos, falha em atender especificações ou custos aumentados, o que é ainda mais importante com microvias do que com vias regulares, pois as especificações de design são mais apertadas.

Uma consideração importante ao preencher microvias cegas é se deve usar cobre puro ou resina epóxi e cobre. Usar cobre puro é um método mais tradicional, mas esta abordagem pode causar a formação de vazios. Contaminantes também podem ficar presos no cobre. Deixar um recesso no topo do preenchimento pode ajudar a prevenir esses problemas.

Uma abordagem para preencher furos through-hole essencialmente cria duas microvias cegas. Este processo envolve primeiro usar revestimento conformal e depois mudar para revestimento por pulso agressivo, o que resulta na criação de um formato em X no furo formado por dois triângulos de cobre em cada parede do furo. Esta forma forma o que é essencialmente duas microvias cegas, uma em cada lado do PCB. No próximo passo, você preencherá completamente esses BMVs.

Avanços recentes, como o desenvolvimento de novos eletrolitos de cobre, ajudaram a tornar mais fácil preencher microvias cegas sem defeitos e excesso de cobre. Eletrolitos para preenchimento de microvias cegas frequentemente têm alta concentração de cobre, baixa concentração de ácido sulfúrico e íons cloreto. Os aditivos orgânicos de eletrolito usados para controlar as características do revestimento normalmente incluem um iniciador, refinador de grão e nivelador.

Microvias Cegas Preenchidas com Cobre da Millennium Circuits Limited

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