Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа). Теоретические и практические аспекты.

Берт Ринтс, Штефан Кенни (Мир гальваники 2008)
Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа) стало необходимым, когда кристаллодержатели и другие компоненты стали монтироваться непосредственно на отверстия, и когда размер отверстия стал таким же, как и толщина осаждаемого слоя меди.

В процессе заполнения глухих и сквозных отверстий наблюдается изменение рассеивающей способности со временем и в зависимости от изменения размеров отверстий во время осаждения. В решении задачи заполнения отверстий может помочь изменение использования тока различных форм. Способность к заполнению зависит от многих химических и физических параметров. В данной статье рассматривается влияние различных переменных, начиная от органических и неорганических добавок и заканчивая параметрами импульсного тока. Приведены примеры использования горизонтального и вертикального оборудования, а также обсуждается оптимальная геометрия отверстия.

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение числа соединений вызвало разработку новых технологий в производстве ПП и модулей, таких как послойное формирование (SBU). В то же время схемы на плате и расстояния между ними стали такими маленькими, что заполнение микровиа стало необходимостью.

Тем самым обеспечивается эффективное разветвление по выходу (Fan out/Открытый веер, см. рис. 1) при поверхностном монтаже компонентов и модулей непосредственно на отверстии.

Отверстия с размерами, сопоставимыми с толщиной осажденного слоя меди могут быть покрыты только при соблюдении надежности процесса, если они заполняются без всяких включений. Некоторые технологии, в которых применяются интегральные схемы, предъявляют такие требования для глухих и сквозных отверстий.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАССУЖДЕНИЯ

Если рассматривать процесс осаждения в микровиа, можно представить себе наиболее характерные и важные для практического применения характеристики этих маленьких деталей.

То, что было постоянным и измеряемым в гальванизации ПП, становится переменным и, следовательно, неведомым при обработке микровиа.

Рассеивающая способность, которая описывает соотношение плотности тока в сквозном отверстии к заданной плотности тока, до сих пор определялась просто по конечным и начальным размерам отверстий.

Если сравнивать с начальным размером, диаметром и толщиной заготовки/глубиной глухого отверстия, их металлизация не отличается в значительной степени от металлизации нормальных (не микровиа) отверстий.

Поэтому рассеивающая способность остается постоянной и еелегко оценить по простому микрошлифу.

Если мы рассмотрим микровиа, относительные пространственные изменения будут весьма значительны, поэтому рассеивающая способность не будет оставаться постоянной, а станет функцией от времени.

Глухие микровиа, которые относятся сегодня к массовому производству, с диаметром 100 микрон и глубиной проникновения в диэлектрик толщиной 70 микрон (включая медную фольгу), требуют осаждения меди в отверстиях не менее 15 микрон. Даже если принять минимальную рассеивающую способность за 100%, после осаждения мы получим соотношение 70 микрон/70 микрон (см. рисунок 2) Aspect ratio изменяется с 1/0,7 во время ts (начало осаждения) до 1/1 на время tе (окончание) .

Поэтому понятно, что если прилагается постоянная плотность тока, рассеивающая способность за промежуток времени ts- tе уменьшается. Следовательно, рассеивающая способность, измеренная после осаждения меди, можно рассматривать только как среднюю величину процесса.

Из примера, приведенного на рисунке 2, можно сделать два важных вывода. Микровиа можно полностью заполнить без включений, если выбрать плотности тока и процесс с минимальной рассеивающей способностью намного больше 100%.

Более того, для достижения максимальной эффективности процесса заполнения микровиа (принимая во внимание качество и производительность) следует адаптировать параметры металлизации (плотность тока и характеристики импульсных токов) к потребностям процесса осаждения, определенных по пространственным данным в данное время t.

Следовательно, рассеивающая способность – это функция от времени осаждения и заданных пространственных данных на момент t. Параметр aspect ratio как исходная точка не определяет пространственные характеристики с удовлетворительной точностью. Для соотношения 1/1 и заданной плотности тока для глухого микровиа диаметром 50 микрон, значение рассеивающей способности будет меньше,  чем к отверстия диаметром 100микрон. Фактически обе пространственные характеристики (диаметр и глубина, или толщина) независимо определяют значение рассеивающей способности. И оба параметра значительно изменяются за время t.

Следовательно:

TP=f(T) (I)

TP=f(CD,diameterφ,depthδ)

Локальная плотность тока CDloc и минимальная плотность тока CDmin в отверстии определяются следующим образом:

CDloc=CD · TPloc

CDmin=CD · TPmin

Минимальная толщина меди, осажденной за время t, получается из уравнений (II):

dmin ≈ ∫tt=0 CDmindt (II)

dmin ≈ ∫tt=0 CD · TPmindt

В уравнении (I) TPmin является неизвестной функцией от времени. Следовательно, уравнение (II) не может быть решено без предварительного определения границ значений.

Наряду с требованием полного заполнения отверстий без включений, полученная толщина медной поверхности должна оставаться ниже определенных границ, чтобы соответствовать условиям травления тонких проводников.

Функция CD•TP (плотностьтока • рассеивающая способность) в комплексе со временем осаждения должна быть оптимизирована таким образом, чтобы оставаться ниже максимально допустимой толщины осажденной меди. В начале осаждения (to) функция CD•TP от CD – как отражено на рисунке 2 – относительно понятна. Ее можно определить по микрошлифам, сделанным после небольшого времени осаждения.

Так как рассеивающая способность изменяется в течение осаждения, функция, отраженная на рис. 3, действует только для времени t=0. В течение процесса осаждения и в зависимости от начальной плотности тока получаются различные функции CD•TP от CD. Начальный цикл осаждения характеризуется бесконечно малым изменением CD•TP от CD; он может быть определен в виде трехмерной диаграммы CD•TP от CD и t.

Осаждение, отраженное в трехмерной функции, характеризуется простой линией. Оно определяет функцию плотность тока/время. Для данного микровиа это может быть отражено на рисунке 4.

Любой другой цикл плотность/время даст характеристики CD•TP от CD и t, отличающиеся от рисунка 3. Начальные размеры микровиа также имеют влияние на очертания трехмерной функции.

ПРИМЕНЕНИЕ

N-мерное уравнение, описанное выше, не может быть решено с точностью, следовательно, для заполнения микровиа можно использовать только подходящую приблизительную модель.

Принимая во внимание заданные размеры микровиа, например, сделанное лазером глухое отверстие диаметром 90 микрон и глубиной 75 микрон, и зная функцию CD•TP от CD для t = 0, можно выбрать наиболее подходящую начальную плотность тока.

После осаждения 10 микрон и при рассеивающей способности 130% полученное глухое микровиа будет иметь aspect ratio прибл. 1/1 при диаметре 70 микрон и глубине 70 микрон.

Чтобы успешно заполнить это отверстие без включений, требуется более низкая плотность тока при повышении рассеивающей способности. После дальнейшего осаждения 10 микрон микровиа будет представлять из себя: диаметр 50 микрон с глубиной ок. 25 микрон. Теперь можно приложить более высокую плотность тока, поскольку эту выемку нужно просто заровнять.

Описанный процесс схематически показан на рисунке 5. Весь процесс заполнения разделен на различные этапы с соответствующими плотностями тока и средней рассеивающей способностью.

Горизонтальное применение

На рисунке 6 изображен микрошлиф заполненного глухого микровиа с начальными размерами 90/75 микрон. Средняя применяемая плотность тока составляла 6 А/дм2. Металлизация осуществлялась на горизонтальной линии с нерастворимыми анодами и реверсным током.

Плотность тока для заполнения отверстий изменялась по причинам, которые были объяснены выше. Первый этап – осаждение 20 микрон – проходил при 7,5 А/дм2, следующие 15 микрон были осаждены при 5,5 А/дм2, последние 15 микрон – при 10 А/дм2.

Получившаяся толщина меди на поверхности 50 микрон не подходит для технологии fine line, ее следует уменьшить дифференциальным травлением.

Необходимая технология full panel process (тентинг) может вызвать дальнейшие сложности при формировании поверхности платы или компонента.

Вертикальное применение

Глухие отверстия, которые в настоящее время заполняются в производстве, имеют глубину прибл. 40 микрон при диаметре ок. 100 микрон. Следовательно, не следует превышать осаждение 25 микрон при pattern – технологии (металлизация рисунка схемы). Самые важные химические параметры для адаптирования системы к заполнениюглухих отверстий:

  • Концентрация ионов меди
  • Органические добавки
  • Концентрация хлорид-ионов
  • Температура
  • Перемешивание ванны

На рисунке 7 сравниваются два микрошлифа микровиа 90/40, которые обрабатывались при 2 А/дм2 в течение 60 мин. Показано влияние концентрации меди на поведение электролита при заполнении. Высокое содержание металла значительно улучшает результат заполнения.

Выбор органических добавок – их состав и концентрация – является, несомненно, наиболее важным фактором при заполнении микровиа. В особенности важны для заполнения микровиа различные составляющие выравнивателя (leveller), как это показано на рисунке 8.

Перемешивание (движение) ванны можно изменить разными путями. Барботаж, движение подвески, производительность насосов и направление потока могут изменить распределение осаждаемой меди. Это верно как для обычных процессов осаждения, так и для заполнения. Использование, например, струйного течения может значительно улучшить рассеивающую способность, как видно на рис. 9.

Заполнение сквозных отверстий

Если размер сквозных отверстий сопоставим с толщиной меди, которую надо осадить и необходимо обеспечить надежность процесса, то заполнение сквозных отверстий становится неизбежным. С одной стороны, некачественное заполнение может привести к захвату рабочих растворов, с другой стороны, полное заполнение микроотверстий внутренних слоев для послойного наращивания может стать все более сложной задачей.

Пример, показанный на рис. 10, это подложка для BGA (компонент с шариковыми выводами) с заполненным сквозным отверстием. Полиамидная пленка 50 микрон была просверлена лазером, получилось отверстие диаметром 20-30 микрон.

ВЫВОДЫ

Размеры микровиа достигли границы, после которой по разным причинам их заполнение становится необходимым. В Японии технология заполнения отверстий уже активно используется в производстве.

В настоящее время заполнение отверстий уже не ограничено только вертикальной технологией. Теперь выбор между вертикальным и горизонтальным процессом за производителем плат.