Circuiti HDI: la tecnologia Capped Vias

▶ speciale - Circuiti stampati: materiali e tecnologie
Circuiti HDI: la
tecnologia Capped Vias
Il mercato dell’elettronica mondiale si sta spingendo ormai da anni
verso una sempre maggiore miniaturizzazione. Questa spinta viene dalla
diffusione e richiesta del mercato di apparecchi sempre più portatili,
performanti e dal peso e dalle dimensioni ancora più ridotte
di Luca Pagnani
I
l target è raggiungibile fondamentalmente lavorando sulla struttura
del circuito stampato andando ad
aumentare la densità dei componenti
in superficie e il numero di connessioni: questa necessità ha portato pertanto alla nascita e diffusione di strutture
HDI- High Density Interconnection.
Si definiscono ad alta densità di interconnessione (HDI) tutti i circuiti che prevedono una densità di sbroglio per superficie con valori maggiori a 20 piazzole/cm² maggiore rispetto ai tradizionali circuiti stampa-
2
PCB
dicembre 2013
ti: questo si traduce pertanto in parametri di design minori come piste con dimensioni inferiori a 100
µm/4mils, fori via laser con diametro
<150 µm/6mils e piazzole con diametro <400 µm/16mils.
Le strutture sopradescritte hanno in realtà aperto scenari alquanto suggestivi per i designer, in quanto la necessità di riduzione del peso
e delle dimensioni ha portato a uno
sviluppo più diffuso di veri System in
Package dove le Design Rules sopradescritte si sposano ad altre caratteristiche alquanto interessanti a livello progettuale:
- Thick copper technology (da 70 a
210 µm, fino a 400 µm): utilizzo
di piani di rame con funzione dissipativa o di trasporto di alte correnti nelle strutture HDI dove è
necessario integrare digitale e potenza;
- Supporti in alluminio o rame
(IMS) con strutture multistrato a
sequential build up dove l’elevata potenza ha necessità di essere
gestita in modo digitale dando la
possibilità di una integrazione dei
due sistemi;
- Costruzione di circuiti flessibili e
rigido-flessibili dove tutte le schede che prima erano interconnesse
con connettori vengono integrate con layer in materiale flessibile
(Polyimmide) che grazie alle tecniche HDI permettono la massima integrazione e riduzione dei
pesi e delle dimensioni degli apparati a schede multiple dando finalmente al progettista la possibilità
di disegnare circuiti stampati con
una visione in 3D invece che 2D
come in passato.
L’aumentare del numero di interconnessioni nella scheda ha reso sempre più il circuito stampato, una volta
considerato alla stregua di un supporto meccanico dei componenti, un elemento “attivo” e non “passivo” dell’apparto finale.
Proprio in base a questo nuovo scenario, soprattutto nelle strutture HDIHigh Density Interconnection, è divenuta sempre più importante la verifica del circuito anche come elemento di
connessione “sofisticato” dove l’impedenza delle piste, i valori elettrici (DK
& DF) dei laminati utilizzati, lo spessore di rame delle piste, lo spessore del
rame nei fori viene analizzato e valutato con specifiche simulazione per garantire la signal & power integrity del
progetto e valutare tramite una thermal analysis un corretto heat management; tutti aspetti necessari, e ormai
imprescindibili, a garantire il funzionamento in modo corretto e affidabile dei
nuovi componenti.
Fig. 1: Pads utilizzate per assemblaggio
µBGA, Ball on Via technology e SMD:
Via in Pad Assembly Technology
Alta domanda, alta
tecnologia
Alla luce della crescente domanda tecnologica di prodotti HDI,
Cistelaier ha pertanto selezionato sul
mercato la macchina ITC- Intercircuit
Gmbh per il riempimento fori con resina per completare la sua gamma di
prodotti ad alta tecnologia: l’investimento rientra nella strategia aziendale di supporto a 360° al mercato internazionale sia dal punto di vista del servizio che del State of Art tecnologico.
Grazie al nuovo investimento
Cistelaier è in grado di supportare tutte le tecniche presenti sul mercato ove
è necessario garantire un perfetto riempimento di resina e sovrametallizzazione della stessa come tipico nella tecnologia Capped Vias, nota anche
come POFV Plated Over Filled Vias,
e descritta per esempio dalla norma
IPC4761 come Type VII.
La tecnologia Capped Vias con riempimento di resina si prefigge lo scopo di andare ad aumentare il numero
di interconnessione per cmq, andando
a utilizzare lo spazio occupato dai fori passanti tramutandoli in punti di assemblaggio SMD. La tecnica prevede
Fig. 2: Pads utilizzate come test point
Via in Pad Test Technology
il riempimento dei fori dopo la placcatura degli stessi con gli spessori definiti con il cliente, normalmente >25µm,
utilizzando specifiche resine realizzate per esempio da Lackwerke Peters
GmbH &Co. PP2793 oppure Taiyo
America Inc. THP100DX1, che vengono successivamente planarizzate e
ricoperte da uno strato di rame con
uno spessore di almeno 15µm. Questa
tecnica può essere applicata pertanto su diverse tipologie di circuiti con
molteplici varianti applicative, che ne
rendono l’utilizzo in forte espansione:
- Pads utilizzate per assemblaggio µBGA, Ball on Via technology e SMD: Via in Pad Assembly
Technology (Fig. 1)
- Pads utilizzate come test point Via
in Pad Test Technology (Fig. 2)
- Pads di dissipazione termica sotto i case dei componenti Heat
Managment (Fig. 3)
- Costruzione SBU - Sequential
build up con fori laser stacked su
fori interrati trattati come Capped
vias (Fig. 4)
L’applicazione di resine
Fig. 3: Pads di dissipazione termica
sotto i case dei componenti Heat
Managment
Fig. 4: Costruzione SBU - Sequential
build up con fori laser stacked su fori
interrati trattati come Capped vias
Per l’applicazione di queste tecniche è stato creato in Cistelaier un nuovo specifico reparto dedicato all’applicazione di resine, nel quale oltre alla
macchina ITC è stata installata anche
una macchina serigrafica.
Le operazioni fondamentali per il riempimento del foro con la resina vengono eseguite in due distinte stazioni di lavoro: la prima esegue il riempimento dei fori con un sistema brevettato che, lavorando a pressione variabile e vuoto, permette un perfetto riempimento dei fori senza rischi di presenza di vuoti nella resina (grazie anche al
package della resina fornita), mentre
la seconda camera esegue una pulitura superficiale del pannello per eliminare la resina in eccesso facilitandone
la successiva planarizzazione.
PCB
dicembre 2013
3
Spessore del rame depositato sopra alla
resina di riempimento maggiore di 2um
Avvallamento della piazzola di rame
inferiore a 18um
Sormonto della placcatura del foro
riempito, maggiore di 12um
Cistelaier ha optato per l’adozione
sulla propria macchina di un sistema
di alimentazione della resina a cartucce da 500 gr e non da contenitore
esterno da 5Kg: questa scelta permette di eliminare la presenza di bolle di
aria dall’interno della resina durante il
dosaggio e si basa inoltre sull’utilizzo
di resina sempre fresca durante il riempimento garantendone la perfetta
integrità della stessa.
Per qualunque tecnologia finale prescelta, dopo la completa polimerizzazione, la resina viene rimossa tramite una
azione meccanica di spazzolatura, detta planarizzazione, che può essere eseguita con specifiche macchine che lavorano con spazzole a tazza di cui l’Italia è leader a livello mondiale in quanto
le più diffuse sono costruite dall’azienda Pola&Massa di Ovada (Al) e Wise
di Parma, contrastate da sistemi a spazzolatura orizzontale con spazzola tubolare forniti dalla giapponese Ishii Hyoki
Corp. oppure da aziende tedesche con
Schimd GmbH in testa.
Il target è quello di rimuovere la
resina in eccesso e andare a creare sulla superficie un piano uniforme: tale operazione è propedeutica alla successiva sovrametallizzazione con rame nel caso dei Capped
Vias. Nell’applicazione di questa tecnica costruttiva è di grande importanza la definizione, insieme al cliente, di planarità richieste e la definizione del lato ove è richiesta la maggior planarità.
Cistelaier fa riferimento ai dettami IPC oppure alle specifiche del
cliente per validare il prodotto per
tutti gli aspetti caratteristici di questa tecnologia:
- Capped Thickness, spessore del rame depositato sopra alla resina di
riempimento maggiore di 2um;
- Dimple Value, avvallamento della
piazzola di rame inferiore a 18um;
- Wrap Thickness, sormonto della
placcatura del foro riempito, maggiore di 12um;
Cistelaier ha voluto pertanto am-
pliare le proprie capacità tecnologiche, garantendo ai propri clienti un
supporto tecnologico sempre al passo con i tempi e possibilmente anticipando le esigenze dei clienti aiutandoli a individuare in fase di definizione dei nuovi progetti la miglior tecnica presente sul mercato. In quest’ottica tutti gli investimenti degli ultimi
anni sono stati tali da poter supportare circuiti con caratteristiche di design come:
- Sequential Build-Up con strutture 5+n+5 con fori ciechi e interrati tramite sistemi di registrazione inner layer, foratura riferimenti
XRay e foratura laser con sistema
Hitachi Via Mechanics LTD, fino a 60um di diametro forato con
macchina a doppia sorgente laser
(UV-CO2);
- Piste e isolamenti fino a 75/68um
come standard (50 micron come R&D), piste ad impedenza controllata, grazie alla ripetibilità garantita dall’immagine diretta Orbotech Ltd. Xpress9 e
Paragon8800H per strati interni/esterni e l’ispezione ottica laser automatica Orbotech Ltd.
Discovery e Fusion22.
- Copper Filling Via Technology
con una linea galvanica dedicata a
questa tecnologia con anodi insolubili e chimica Atotech.
Cistelaier è
in grado di
offrire una
vasta gamma di
circuiti stampati,
caratterizzati
dall’elevata
tecnologia
4
PCB
dicembre 2013
Cistelaier
www.cistelaier.com