ブラインドマイクロビアの銅充填

積み重ねられたパッドが電気的に接続される穴であるビアは、プリント回路基板（PCB）の重要な部分です。電子機器、つまりスマートフォンやその他の同様の製品の人気が高まり、サイズが縮小するにつれて、ボード上に小さなビアを配置する機能がますます便利になります。

また、PCBの層を介して信号を確実に転送できる必要があります。これは、ボード基板に銅層を追加することで実現できますが、ビアを銅で満たすと容量が増えます。

銅で満たされたブラインドマイクロビアは、高密度相互接続（HDI）ボードを可能にし、信頼性の高い信号転送も提供します。このタイプのビアには課題がありますが、多くの利点もあります。このプロセスの詳細と、それが役立つ理由については、読み続けてください。

マイクロビアとは何ですか？

IPCは、マイクロビアを「最大アスペクト比が1：1のブラインド構造（メッキ済み）…ターゲットの土地で終了または貫通し、合計深度（X）が0.25 mm [0.00984in]以下である」と定義しています。構造物のキャプチャランドフォイルをターゲットランドに移動します。」

2013年に定義が変更される前は、この用語は直径0.15 mm（0.006インチ）未満のビアホールとして定義されていました。時間の経過とともに、そのサイズはより一般的になり、IPCは、直径を使用して定義し続けるとビアが小さくなるため、定義を更新し続ける必要があることに気付きました。

レーザーはマイクロビア用の穴を開けるために使用され、レーザー穴あけの最近の進歩により、15 µmの小さなマイクロビアを作成できるようになりました。使用するレーザーは一度に1つの層だけをドリルできますが、PCBメーカーは、複数の層を別々にドリルしてから積み重ねることで、マイクロビアを介して製造できます。

マイクロビアを使用する場合は、通常のビアを使用する場合よりも製造上の欠陥が発生する可能性が低くなります。これは、レーザードリルを使用すると、ドリル穴に材料が残らないためです。ただし、マイクロビアは、メッキやはんだのリフローで問題が発生する可能性があります。

マイクロビアはサイズが小さいため、高密度の相互接続PCBに使用できます。これは、電子機器、特に電気通信やコンピューティングデバイスがより高度になり、サイズも小さくなるため、今日重要です。

ブラインドビアと埋め込みビアとは何ですか？

マイクロビアは、ブラインドまたは埋没のいずれかです。ブラインドマイクロビアは、PCBの外層を1つまたは複数の内層に接続し、ボード全体を通過しません。それらは、外側の最上層とそれらが到達する内側の層を接続します。ブラインドビアは、配線密度を上げるのに役立ちます。信号トラックを外層から内層にルーティングする必要がある場合は、ブラインドビアが最短ルートであることがよくあります。

埋め込まれたマイクロビアは、2つ以上の内層を接続し、外層には到達しません。外層からは見えません。メーカーは通常、連続したラミネーションを使用してそれらを作成します。

銅充填ビアとは何ですか？

銅を充填したビアは、純銅または銅を含むエポキシ樹脂のいずれかで充填されたビアです。この銅の充填により、ビアの導電性が向上し、ボードの一方の側からもう一方の側に信号をより効果的に転送できるようになります。標準ビア、マイクロビア、ブラインドビア、埋め込みビアなど、さまざまな種類のビアに銅を充填できます。

ビアには、金、銀、導電性エポキシ、非導電性エポキシ、電気化学メッキなどの他の材料を充填することもできます。最も一般的なタイプのビアフィルは、非導電性エポキシです。ただし、銅の充填には、特定のアプリケーションに理想的な利点があります。

銅充填ブラインドマイクロビアの利点

マイクロビアを使用することは、ブラインドであろうと埋没であろうと、次のようなさまざまな理由で有益です。

スペース

マイクロビアを使用する主な利点の1つは、スペースを節約できることです。これにより、最終的にコストが削減されます。ビアが占めるスペースが増えるほど、必要なボードが増え、プロジェクトのコストが高くなります。

マイクロビアはHDIPCBの重要なコンポーネントであり、多くの場合、ビア、埋め込みビア、ブラインドビア、コアレス構造、パッシブ基板構造、およびレイヤーペアを備えたコアレスビルドの代替構造を備えています。これらのボードは、サイズが小さく軽量であることに加えて、コンポーネント間の距離が短くなり、トランジスタの数が増えるため、電気的性能が向上します。

マイクロビアは、ビアインパッド（VIP）をより効果的に利用するのにも役立ちます。 VIPは、表面実装技術（SMT）のパッドに接続を作成することにより、スペースを節約します。サイズが小さいため、マイクロビアはVIPでの使用に最適です。通常のビアは、SMTのパッドの内側に収まらないほど大きい場合があります。ただし、マイクロビアは製造上の問題なしにパッドの内側に収まります。

ブラインドおよび埋め込みマイクロビアは、通常のブラインドおよび埋め込みビアよりも製造が容易であり、製造が困難な場合があります。ただし、マイクロビアはすでにレイヤーごとに作成されているため、ブラインドまたは埋め込みにするのが簡単です。これは、レイヤーごとに作業する必要があるプロセスです。

マイクロビアは、ボールグリッドアレイ（BGA）の破壊にも役立ちます。 Microvia VIPは、ファインピッチBGAのパッド内に簡単に収まります。ブレイクアウトチャネルではさらに有益です。 VIPは表面スペースを節約しますが、ボードの他の部分に出力を取得するために多数のレイヤーを必要とします。マイクロビアは、エスケープパスの幅を広げるのに役立ちます。これにより、使用するレイヤーを減らしてBGAを分割できる場合があります。

EMIの削減

マイクロビアは、電磁界が電気回路に影響を与え、電子デバイスの動作を妨害するときに発生する電磁干渉（EMI）の低減にも役立ちます。マイクロビアはEMIのリスクが低いため、高周波または高速アプリケーションで使用される回路など、EMIが発生しやすい回路に特に役立ちます。

高速回路は、信号の放射とビアでの反射の問題に遭遇することがよくあります。ただし、ビアのサイズを小さくすると、放射ポテンシャルが小さくなり、EMIが少なくなります。高速回路の場合、スタブ（一方の端でのみ接続されている伝送線路または導波管）がEMI問題のもう1つの原因です。スタブは信号を導体に反射して戻し、元の信号を減衰またはキャンセルすることさえできます。ただし、マイクロビアはレイヤーごとに作成されるため、スタブはありません。

マイクロ波やミリ波のストリップライン導体などの高周波伝送ラインには、信号を遮断するためのビアが必要です。ただし、標準のビアは、高周波ストリップラインで使用するにはEMIを生成しすぎます。一方、マイクロビアはEMIをほとんど生成せず、シグナルインテグリティを低下させません。高周波回路はますます頻繁に使用されており、EMIがより一般的な懸念事項となっています。

ビアに銅を充填すると、熱伝導率と電気伝導率の分野でいくつかの利点があります。

熱および電気伝導率

銅を使用してビアを充填すると、ビアの熱伝導率が向上し、ボードから熱を遠ざけることができるため、寿命が長くなり、欠陥のリスクが低くなります。ボードのさまざまな部分に移動する代わりに、熱は銅を通ってボードの反対側に移動し、そのコンポーネントを保護します。銅は、ビアの充填に使用されるもう1つの材料である金よりも熱伝導率が高くなっています。

銅はまた、金よりも高い電気伝導率を持っています。ビア内の銅の導電率により、PCBに過負荷をかけることなく、電流をより深い層に流すことができます。この機能により、銅を充填したマイクロビアは、高電圧アプリケーションや、ボードの両側を流れるために強い電流を必要とするアプリケーションに最適です。

銅充填ブラインドマイクロビアに関連する課題

マイクロビアの製造には、特定の課題が伴います。これらの課題は、相互接続欠陥（ICD）、めっきおよび内部銅層の近くで発生する欠陥につながる場合があります。これらのICDは、信頼性の問題、開回路、高温での断続的な問題、および回路障害を引き起こす可能性があります。 ICDは、製造段階後のテスト中には正しく機能する可能性がありますが、組み立て中または使用中に問題が明らかになる可能性があるため、検出が難しい場合があります。これらの欠陥を監視し、それらを回避するためにボードを注意深く製造することが重要です。

破片ベースのICD

ICDの一般的なタイプの1つは、デブリが相互接続ホールに到達し、次に内層銅に埋め込まれるために発生します。この破片は、多くの場合、穴あけプロセスに起因します。マイクロビアの穴を開けるために使用されるレーザーは、他の穴あけプロセスほど多くの破片を生成しないため、マイクロビアは破片ベースのICDのリスクが低くなります。ただし、製造業者は、銅を充填する前に、すべての穴にすべての破片、残留物、ドリルスミア、グラスファイバー、無機フィラー、およびその他の材料がないことを確認することが依然として重要です。

さまざまなタイプのビアで、デブリベースのICDが一般的になりつつあります。これは、おそらく、より多くの製造業者が低DK/低DF材料を使用しているためです。これらの材料は多くの点で最も費用効果がありますが、多くの場合、標準のFR-4エポキシ材料などの他の材料よりも多くの破片を生成し、洗浄に対して化学的に耐性があります。

銅結合障害ICD

ICDのもう1つの一般的なタイプは、銅結合の障害です。このタイプは、組み立てまたは使用中の高いストレス、弱い銅バンド、またはこれら2つの条件の組み合わせが原因で発生する可能性があります。銅線結合障害ICDが発生すると、銅線接続が物理的に切断されます。銅の結合が弱いほど、それを破壊するために必要なストレスは少なくなります。

銅結合不良ICDの蔓延は増加しているようです。これは、おそらくより多くのメーカーがより厚いPCBとより高い鉛フリーはんだ付け温度を使用しているためです。より大きな穴のサイズとウェーブはんだ付けも、銅の接合不良が発生する可能性を高める可能性があります。銅結合の障害は、標準ビアだけでなくマイクロビアでも発生します。

ボイドと信頼性

マイクロビアの銅めっきプロセスで発生する一般的な問題には、不完全な充填、ディンプル、およびボイドが含まれます。これらの欠陥は信頼性の問題を引き起こす可能性があります。メリーランド大学の研究者による研究によると、不完全な銅の充填はマイクロビアの応力レベルを上昇させ、疲労寿命を低下させます。これは、試験片が破損するまで持続できる荷重（応力）サイクルの数です。

ボイドがマイクロビアの信頼性に与える影響は、ボイドのサイズ、形状、位置などの特性によって異なります。たとえば、小さな球形のボイドはマイクロビアの疲労寿命をわずかに延ばしますが、極端なボイド条件はマイクロビアの寿命を大幅に短縮します。

ブラインドマイクロビアの銅充填プロセス

マイクロビアの穴を開けた後、製造元は純銅または銅を含むエポキシ樹脂を挿入して、内層回路をPCB表面に接続します。この銅線を使用すると、ボードの表面にコンポーネントやコネクタを配置でき、回路を層間で接続できます。

ブラインドマイクロビアを使用する場合、添加剤なしでマイクロビアの穴を埋めると、通常、ボイドが形成されます。製造業者は、ビアが閉じるまで常に銅を堆積しますが、添加剤を使用しない場合、表面よりもビアの内部に堆積する銅が少なくなり、ボイドが形成される可能性があります。

特定の有機添加剤は、表面での堆積を妨げ、ブラインドマイクロビア内のめっきを増加させるのに役立ちます。これにより、コンフォーマル堆積が発生します。コンフォーマルメッキは、ブラインドマイクロビアのアスペクト比も増加させ、溶液とその中への物質移動を制限します。このプロセスにより、中央に継ぎ目があるマイクロビアが生じることがあります。

銅をキャプチャパッドに優先的に堆積させるボトムアップ方式を使用して、ブラインドマイクロビアに銅を充填することもできます。このプロセスは、理想的には、最小限のメッキ表面銅と組み合わせた低いディンプルを作成します。

ビアホールに銅を充填するときは、ビア内の銅の層が均一であり、外層が厚くなりすぎないようにすることが重要です。銅が過剰になると、PCBに不要な重量が加わり、トレースに銅が多すぎる可能性があります。この問題により、欠陥、仕様の不適合、またはコストの増加が発生する可能性があります。これは、設計仕様が厳しいため、通常のビアよりもマイクロビアの方がさらに重要です。

ブラインドマイクロビアを充填する際の重要な考慮事項は、純銅またはエポキシ樹脂と銅のどちらを使用するかです。純銅を使用するのがより伝統的な方法ですが、このアプローチではボイドが形成される可能性があります。汚染物質も銅に閉じ込められる可能性があります。詰め物の上部にくぼみを残すと、これらの問題の発生を防ぐのに役立ちます。

穴を埋めるための1つのアプローチは、基本的に2つのブラインドマイクロビアを作成します。このプロセスでは、最初にコンフォーマルメッキを使用し、次にアグレッシブパルスメッキに切り替えます。これにより、各穴の壁に2つの銅の三角形が形成された穴にX字型が作成されます。この形状は、PCBの両側に1つずつ、本質的に2つのブラインドマイクロビアを形成します。次のステップでは、これらのBMVを完全に埋めます。

新しい銅電解質の開発などの最近の進歩により、欠陥や過剰な銅を含まないブラインドマイクロビアの充填が容易になりました。ブラインドマイクロビア充填用の電解質は、多くの場合、銅濃度が高く、硫酸濃度が低く、塩化物イオンがあります。コーティング特性を制御するために使用される有機電解質添加剤には、通常、スターター、グレインリファイナー、レベラーが含まれます。

MillenniumCircuitsLimitedの銅充填ブラインドマイクロビア

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