การเคลือบไฟฟ้าแบบเรียบและการเติมรูใน PCB HDI: เทคนิคความแม่นยําสําหรับการออกแบบความหนาแน่นสูง

PCBs เชื่อมต่อระหว่างกันที่มีความหนาแน่นสูง (HDI) ได้ปฏิวัติอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยเปิดใช้งานอุปกรณ์ที่เล็กลงเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นตั้งแต่สมาร์ทโฟน 5G ไปจนถึงการปลูกถ่ายทางการแพทย์ หัวใจสำคัญของ PCB ขั้นสูงเหล่านี้อยู่สองกระบวนการผลิตที่สำคัญ: การเติมด้วยไฟฟ้าแบบแบนและการเติมหลุม เทคนิคเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจว่ามีความแตกต่างเล็ก ๆ น้อย ๆ (มีขนาดเล็กถึง50μm) และร่องรอยที่ละเอียดในการออกแบบ HDI นั้นมีความน่าเชื่อถือทางไฟฟ้ามีความแข็งแกร่งทางกลไกและพร้อมที่จะจัดการกับความต้องการของสัญญาณความเร็วสูง

คู่มือนี้สำรวจว่าการเติมไฟฟ้าแบบแบนและการเติมหลุมแบบแบนบทบาทของพวกเขาในประสิทธิภาพ HDI PCB เทคนิคสำคัญและทำไมพวกเขาถึงขาดไม่ได้สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย ไม่ว่าคุณจะออกแบบโมดูลเรดาร์ที่สวมใส่ได้ขนาดกะทัดรัดหรือโมดูลเรดาร์ความถี่สูงการทำความเข้าใจกระบวนการเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้ HDI PCB ที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพสูง

ประเด็นสำคัญ
1. FLAT Electroplating สร้างชั้นทองแดงสม่ำเสมอ (ความหนา±5μm) ข้าม HDI PCBs เพื่อให้มั่นใจถึงความต้านทานที่สอดคล้องกัน (50Ω/100Ω) สำหรับสัญญาณความเร็วสูง (25Gbps+)
2. การเติมน้ำ (ผ่านวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหรือไม่นำพา) ช่วยลดช่องอากาศใน microvias ลดการสูญเสียสัญญาณ 30% และปรับปรุงค่าการนำความร้อน 40%
3. เปรียบเทียบกับการชุบแบบดั้งเดิมการชุบด้วยไฟฟ้าแบบแบนช่วยลดความขรุขระของพื้นผิวได้ 50%ซึ่งสำคัญสำหรับการลดการลดทอนสัญญาณในการออกแบบความถี่สูง
4. อุตสาหกรรมเช่นการบินและอวกาศโทรคมนาคมและอุปกรณ์การแพทย์พึ่งพาเทคนิคเหล่านี้เพื่อให้ได้ HDI PCBs ด้วย BGAs 0.4 มม. และ 10,000+ vias ต่อตารางนิ้ว

การเติมไฟฟ้าแบบแบนและการเติมหลุมใน HDI PCB คืออะไร?
HDI PCB ต้องการส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นสูงและ VIAs เล็ก ๆ เพื่อประหยัดพื้นที่ แต่คุณสมบัติเหล่านี้สร้างความท้าทายในการผลิตที่ไม่เหมือนใคร 1. การเติมด้วยไฟฟ้าและการเติมหลุมที่อยู่ที่อยู่ความท้าทายเหล่านี้:
Electroplating แบบแบน: กระบวนการชุบด้วยไฟฟ้าพิเศษที่สะสมชั้นทองแดงที่สม่ำเสมอทั่วพื้นผิว PCB และเข้าไปใน VIAS ทำให้มั่นใจได้ว่าจะราบรื่นแม้จะเสร็จสิ้นด้วยการเปลี่ยนแปลงความหนาน้อยที่สุด นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาความต้านทานต่อการควบคุมในร่องรอยความเร็วสูง
2. การเติมหลุม: กระบวนการเติม microvias (รูเล็ก ๆ ที่เชื่อมต่อเลเยอร์) ด้วยวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหรือไม่นำไฟฟ้าเพื่อกำจัดช่องว่างเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลและปรับปรุงประสิทธิภาพความร้อนและไฟฟ้า

ทำไม HDI PCB ต้องการกระบวนการเหล่านี้
PCB แบบดั้งเดิมที่มี vias ขนาดใหญ่ (≥200μm) สามารถใช้การชุบมาตรฐานได้ แต่การออกแบบ HDI ด้วยความต้องการความต้องการ microvias (50–150μm):
A.Signal Integrity: สัญญาณความเร็วสูง (25Gbps+) มีความไวต่อความหยาบของพื้นผิวและความแปรปรวนของความต้านทานซึ่งการชุบด้วยไฟฟ้าแบบแบนลดลง
B.Shanical ความน่าเชื่อถือ: Vias ที่ไม่สำเร็จทำหน้าที่เป็นจุดความเครียดเสี่ยงต่อการเกิดรอยร้าวในระหว่างการปั่นจักรยานด้วยความร้อน Vias ที่เติมเต็มกระจายความเครียดลดอัตราความล้มเหลว 50%
C. การจัดการ Thermal: Vias ที่เต็มไปด้วยความร้อนออกไปจากส่วนประกอบที่ร้อน (เช่นตัวรับส่งสัญญาณ 5G) ลดอุณหภูมิการทำงานลง 15-20 ° C

Electroplating แบบแบน: การบรรลุเลเยอร์ทองแดงแบบสม่ำเสมอ
Electroplating แบบแบนทำให้มั่นใจได้ว่าความหนาของทองแดงนั้นสอดคล้องกันทั่วทั้ง PCB แม้จะอยู่ในพื้นที่แคบเช่นผ่านผนังและใต้ส่วนประกอบ

การชุบด้วยไฟฟ้าแบบแบนแค่ไหน
1. การรักษาเบื้องต้น: PCB ได้รับการทำความสะอาดเพื่อกำจัดออกไซด์น้ำมันและสารปนเปื้อนเพื่อให้มั่นใจว่าการยึดเกาะของทองแดงที่เหมาะสม ซึ่งรวมถึงการแกะสลักขนาดเล็กเพื่อสร้างพื้นผิวที่ขรุขระเพื่อการยึดติดที่ดีขึ้น
2. การตั้งค่าการอาบน้ำแบบอิเล็กโทรไลต์: PCB จมอยู่ใต้น้ำในอ่างอิเล็กโทรไลต์คอปเปอร์ซัลเฟตพร้อมสารเติมแต่ง (levelers, brighteners) ที่ควบคุมการสะสมของทองแดง
3. แอปพลิเคชั่นปัจจุบัน: ใช้กระแสต่ำที่ควบคุมได้ (1–3 A/DM²) โดยใช้ PCB ที่ทำหน้าที่เป็นแคโทด ไอออนทองแดงในอ่างจะถูกดึงดูดไปยัง PCB โดยฝากไว้อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิวและเข้าไปใน Vias
4. ตัวแทนระดับ: สารเติมแต่งในอิเล็กโทรไลต์อพยพไปยังพื้นที่ปัจจุบัน (เช่นขอบร่องรอย) การชะลอการสะสมของทองแดงที่นั่นและทำให้มั่นใจได้ว่ามีความหนาสม่ำเสมอทั่วกระดาน
ผลลัพธ์: การแปรผันของความหนาของทองแดงที่±5μmเมื่อเทียบกับ±15μmกับการชุบแบบดั้งเดิมซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความคลาดเคลื่อนของความต้านทานต่อความต้านทานที่แน่นหนาของ HDI (± 10%)

ประโยชน์ของการชุบด้วยไฟฟ้าแบบแบนใน HDI PCBS
1. การควบคุมอิมพีแดนซ์: ความหนาของทองแดงสม่ำเสมอช่วยให้มั่นใจได้ว่าการติดตามความต้านทานจะอยู่ภายในรายละเอียดการออกแบบ (เช่น50Ω±5Ωสำหรับสัญญาณ RF) ลดการสะท้อนสัญญาณ
2. การสูญเสียสัญญาณลดลง: พื้นผิวที่ราบรื่น (RA <0.5μM) ลดการสูญเสียผลของผิวที่ความถี่สูง (28GHz+), มีประสิทธิภาพสูงกว่าการชุบแบบดั้งเดิม (RA 1–2μm)
3. การเสริมความสามารถในการประสาน: พื้นผิวแบนทำให้มั่นใจได้ว่าการก่อตัวของรอยต่อที่สอดคล้องกันมีความสำคัญสำหรับ BGAs ระยะพิทช์ 0.4 มม. ซึ่งแม้แต่การเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กอาจทำให้เกิดการเปิดหรือกางเกงขาสั้น
4. ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้น: ชั้นทองแดงสม่ำเสมอต้านทานการแตกร้าวในระหว่างการปั่นจักรยานด้วยความร้อน (-40 ° C ถึง 125 ° C) จุดล้มเหลวทั่วไปใน HDI PCB

การเติมหลุม: กำจัดช่องว่างใน microvias
Microvias ใน HDI PCBs (เส้นผ่านศูนย์กลาง 50–150μm) มีขนาดเล็กเกินไปสำหรับการชุบผ่านรูแบบดั้งเดิมซึ่งทำให้เกิดช่องว่าง การเติมหลุมจะช่วยแก้ปัญหานี้ได้โดยการเติมวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหรือวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์

ประเภทของเทคนิคการเติมหลุม

ทำไมการเติมหลุมจึงมีความสำคัญ
1. ELIMINES VOIDS: ช่องว่างใน Vias Trap Air ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณ (เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ไดอิเล็กทริก) และฮอตสปอตความร้อน Vias ที่เติมเต็มลดการลดทอนสัญญาณ 30% ที่ 28GHz
2. ความแข็งแรงของระบบกลไก: Vias ที่เติมเต็มทำหน้าที่สนับสนุนโครงสร้างป้องกันการแปรปรวนของ PCB ในระหว่างการเคลือบและลดความเครียดในข้อต่อประสาน
3. ค่าการนำไฟฟ้าความสูง: VIAs ที่เต็มไปด้วยทองแดงนำถ่ายเทความร้อน 4x ดีกว่า Vias ที่ไม่ได้เติมซึ่งสำคัญสำหรับส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อนเช่นโมดูล 5G PA
4. แอสเซมบลีที่เลียนแบบ: vias ที่เติมและระนาบสร้างพื้นผิวเรียบทำให้สามารถวางตำแหน่งส่วนประกอบที่ละเอียดได้อย่างแม่นยำ (เช่น 0201 passives)

กระบวนการเติมหลุม
สำหรับการเติมเงินนำไฟฟ้าทองแดง (พบได้บ่อยใน PCBs HDI ที่น่าเชื่อถือสูง):
1. การเตรียมการ: microvias ถูกเจาะ (เลเซอร์หรือกลไก) และ desmeared เพื่อกำจัดอีพ็อกซี่ตกค้างเพื่อให้มั่นใจว่าการยึดเกาะของทองแดง
2.SEED ชั้นการสะสม: ชั้นเมล็ดทองแดงบาง (0.5μm) ถูกนำไปใช้กับผ่านผนังเพื่อเปิดใช้งานการชุบด้วยไฟฟ้า
3.Electroplating: ใช้ชีพจรกระแสสูง (5–10 A/DM²) ทำให้เกิดทองแดงที่จะฝากเร็วขึ้นที่ Via Bottom เติมจากด้านใน
4.Planarization: ทองแดงส่วนเกินบนพื้นผิวจะถูกลบออกผ่านทางเคมีกลไกการขัด (CMP) ออกจาก VIA ที่เต็มไปด้วยพื้นผิว PCB

การเปรียบเทียบการชุบ/เติมแบบดั้งเดิมกับ HDI
กระบวนการ PCB แบบดั้งเดิมต่อสู้กับคุณสมบัติเล็ก ๆ ของ HDI ทำให้การชุบด้วยไฟฟ้าแบบแบนและการเติมหลุมที่จำเป็น:

แอปพลิเคชันที่ต้องการการชุบด้วยไฟฟ้าแบบแบนและการเติมรู
เทคนิคเหล่านี้มีความสำคัญในอุตสาหกรรมที่ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของ HDI PCB ไม่สามารถต่อรองได้:
1. โทรคมนาคมและ 5G
สถานีฐาน A.5G: HDI PCBs ที่มี vias ที่เต็มไปด้วยทองแดงและสัญญาณการชุบแบน 28GHz/39GHz MMWave สัญญาณทำให้มั่นใจได้ว่าการสูญเสียต่ำและปริมาณงานสูง (10Gbps+)
B.SmartPhones: สมาร์ทโฟน 5G ใช้ PCBs HDI 6–8 ชั้นพร้อม BGA ระดับเสียง 0.4 มม. โดยอาศัยกระบวนการเหล่านี้เพื่อให้พอดีกับโมเด็มเสาอากาศและโปรเซสเซอร์ในการออกแบบที่เพรียวบาง
ตัวอย่าง: PCB หลักของสมาร์ทโฟน 5G ชั้นนำใช้ microvias ทองแดงกว่า 2,000+ และร่องรอยไฟฟ้าแบบแบนทำให้สามารถดาวน์โหลดความเร็ว 4Gbps ในอุปกรณ์หนา 7.5 มม.

2. อุปกรณ์การแพทย์
A. Implantables: เครื่องกระตุ้นหัวใจและ neurostimulators ใช้ Biocompatible (ISO 10993) HDI PCBs ที่มี vias ที่เต็มไปด้วยอีพ็อกซี่ทำให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในของเหลวในร่างกายและลดขนาด 40% เทียบกับ PCB แบบดั้งเดิม
B.Diagnostic Equipment: เครื่องวิเคราะห์เลือดแบบพกพาใช้ HDI PCB แบบชุบแบนเพื่อเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และโปรเซสเซอร์ขนาดเล็กด้วย Vias ที่เต็มไปด้วยการป้องกันการเข้าของเหลว

3. การบินและอวกาศและการป้องกัน
A.Satellite Payloads: HDI PCBs ที่มี vias ที่เต็มไปด้วยทองแดงทนต่อการแผ่รังสีและอุณหภูมิสูง (-55 ° C ถึง 125 ° C) ด้วยการชุบแบนทำให้มั่นใจได้ว่าสัญญาณความสมบูรณ์ของสัญญาณที่มั่นคงสำหรับการสื่อสารระหว่างดาวเทียม
B. Military Radios: HDI PCBs ที่ทนทานใช้กระบวนการเหล่านี้เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพความถี่สูง (18GHz) ในสิ่งที่แนบมาแบบกะทัดรัดและทนต่อแรงกระแทก

4. อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม
A.AUTOMOTIVE ADAS: HDI PCBs ในระบบเรดาร์และ LIDAR นั้นขึ้นอยู่กับ vias ที่เต็มไปด้วยความต้านทานการสั่นสะเทือน (20G+) และการชุบแบนสำหรับความสมบูรณ์ของสัญญาณ 77GHz ซึ่งสำคัญสำหรับการหลีกเลี่ยงการชนกัน
B.Robotics: ตัวควบคุมแขนหุ่นยนต์ขนาดกะทัดรัดใช้ HDI PCBs ที่มีส่วนประกอบพิทช์ 0.2 มม. เปิดใช้งานโดยการเติมด้วยไฟฟ้าแบบแบนและการเติมรูเพื่อลดขนาดและปรับปรุงเวลาตอบสนอง

ความท้าทายและการแก้ปัญหาในการชุบ/เติม HDI
ในขณะที่กระบวนการเหล่านี้เปิดใช้งานนวัตกรรม HDI พวกเขามาพร้อมกับความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร:

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: อะไรคือสิ่งที่เล็กที่สุดผ่านทางเทคนิคเหล่านี้?
ตอบ: microvias ที่เจาะด้วยเลเซอร์มีขนาดเล็กเท่ากับ50μmสามารถเต็มไปด้วยทองแดงหรืออีพ็อกซี่ได้อย่างน่าเชื่อถือแม้ว่า100μmนั้นเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับการผลิต

ถาม: การเติมแบบไม่นำไฟฟ้า (อีพ็อกซี่) นั้นเชื่อถือได้เหมือนกับการเติมทองแดงหรือไม่?
ตอบ: สำหรับสัญญาณ Vias ใช่ - การเติมเต็มมีประสิทธิภาพเชิงกลและความร้อนที่ดีในราคาที่ต่ำกว่า การเติมทองแดงจะดีกว่าสำหรับพลังการใช้พลังงานที่ต้องการการนำไฟฟ้าสูง

ถาม: Electroplating แบบแบนมีผลต่อความยืดหยุ่นของ PCB อย่างไร
ตอบ: Electroplating แบบแบนใช้เลเยอร์ทองแดงทินเนอร์ (12–35μm) มากกว่าการชุบแบบดั้งเดิมทำให้เหมาะสำหรับ HDI PCB ที่ยืดหยุ่น (เช่นบานพับโทรศัพท์แบบพับได้) พร้อมความสามารถในการโค้งงอที่ดีขึ้น

ถาม: เวลานำโดยทั่วไปสำหรับ HDI PCBs กับกระบวนการเหล่านี้คืออะไร?
ตอบ: 10–14 วันสำหรับต้นแบบเมื่อเทียบกับ 5-7 วันสำหรับ PCB แบบดั้งเดิมเนื่องจากขั้นตอนความแม่นยำในการชุบและการเติม

ถาม: กระบวนการเหล่านี้เข้ากันได้กับ ROHS และมาตรฐานด้านสิ่งแวดล้อมอื่น ๆ หรือไม่?
ตอบ: ใช่-การชุบเครื่องชุบและการเติมอีพ็อกซี่ใช้วัสดุที่ปราศจากตะกั่วตามมาตรฐาน ROHS, การเข้าถึงและมาตรฐาน IPC-4552 สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

บทสรุป
การเติมด้วยไฟฟ้าแบบแบนและการเติมหลุมเป็นวีรบุรุษที่ไม่ได้รับการผลิตของ HDI PCB Manufacturing ทำให้สามารถย่อขนาดเล็กและประสิทธิภาพสูงที่กำหนดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย ด้วยการสร้างความมั่นใจว่าชั้นทองแดงที่สม่ำเสมอกำจัดผ่านช่องว่างและรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณกระบวนการเหล่านี้ทำให้สามารถบรรจุการทำงานได้มากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก-จากสมาร์ทโฟน 5G ไปจนถึงอุปกรณ์การแพทย์ที่ช่วยชีวิต
ในขณะที่ HDI PCBs ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง (ด้วย vias sub-50μmและสัญญาณ 112Gbps บนขอบฟ้า) การชุบด้วยไฟฟ้าแบบแบนและการเติมหลุมจะเพิ่มขึ้นอย่างมีความสำคัญยิ่งขึ้น ผู้ผลิตและนักออกแบบที่เชี่ยวชาญเทคนิคเหล่านี้จะอยู่ข้างหน้าในตลาดที่ขนาดความเร็วและความน่าเชื่อถือเป็นทุกอย่าง
ในท้ายที่สุดกระบวนการที่แม่นยำเหล่านี้พิสูจน์ว่ารายละเอียดที่เล็กที่สุดในการผลิต PCB มักจะมีผลกระทบมากที่สุดต่ออุปกรณ์ที่เราพึ่งพาทุกวัน