ブラインドマイクロビアの銅充填によるPCB性能の最適化

目次: ブラインドマイクロビアの銅充填 | マイクロビアとは？ | ブラインドビアと埋め込みビアとは？ | 銅充填ブラインドマイクロビアの利点 | 銅充填ビアとは？ | 関連する課題 | 熱伝導率と電気伝導率 | 銅充填プロセス | 銅充填ビア

ビアは、スタックされたパッドを電気的に接続する穴であり、プリント基板（PCB）の不可欠な要素です。スマートフォンなどの電子機器が普及し、小型化が進むにつれ、基板上により小さなビアを配置する能力がますます重要になっています。

また、基板の層間で信号を確実に伝送する必要があります。これは基板に銅層を追加することで実現できますが、ビアを銅で充填することでさらなる容量が得られます。

銅充填ブラインドマイクロビアは、高密度相互接続（HDI）基板を実現し、信頼性の高い信号伝送を提供します。このタイプのビアには課題もありますが、多くの利点も備えています。詳細については読み進めてください。

マイクロビアとは？

IPCは、マイクロビアを「最大アスペクト比1:1のブラインド構造（メッキ後）……ターゲットランドで終了または貫通し、キャプチャランド箔からターゲットランドまでの総深さ（X）が0.25mm［0.00984インチ］以下のもの」と定義しています。

2013年に定義が変更される前は、直径0.15mm（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が一般的になったため、直径で定義し続ける場合、ビアがさらに小さくなるたびに定義を更新し続ける必要があるとIPCは判断しました。

マイクロビアの穴あけにはレーザーが使用され、レーザー穴あけ技術の進歩により、15μmという微小なマイクロビアの作成が可能になっています。使用されるレーザーは一度に1層しか穴あけできませんが、PCB製造業者は複数の層を別々に穴あけし、それらをスタックすることでスルーマイクロビアを製造できます。

レーザー穴あけでは穴あけ後に材料が穴内に残らないため、通常のビアよりも製造欠陥が発生しにくい傾向があります。ただし、メッキや半田リフローの問題は通常のビアと同様に発生する可能性があります。

マイクロビアは小型であるため、高密度相互接続（HDI）PCBに使用できます。これは、通信機器やコンピューティングデバイスなどの電子機器がより高度になる一方で小型化が進んでいる今日、重要な技術となっています。

ブラインドビアと埋め込みビアとは？

マイクロビアはブラインドまたは埋め込みのいずれかに分類されます。ブラインドマイクロビアは、PCBの外層と1つ以上の内層を接続し、基板全体を貫通しません。外層のトップ層と到達する内層を接続します。ブラインドビアは配線密度を高めるのに有用です。外層から内層へ信号配線をルーティングする必要がある場合、ブラインドビアが最短ルートとなることがよくあります。

埋め込みマイクロビアは、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。製造業者は通常、連続ラミネーションを使用して作成します。

銅充填ビアとは？

銅充填ビアは、純銅または銅入りエポキシ樹脂で充填されたビアです。この銅充填によりビアの導電性が向上し、基板の片側からもう片側へより効果的に信号を伝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、多くの種類のビアを銅で充填できます。

ビアには金、銀、導電性エポキシ、非導電性エポキシ、電解メッキなどの他の材料を充填することもできます。最も一般的なビア充填材は非導電性エポキシです。しかし、銅充填には特定の用途に最適な利点があります。

銅充填ブラインドマイクロビアの利点

ブラインドまたは埋め込みのマイクロビアを使用することは、以下の理由から有益です。

スペースの節約

マイクロビアを使用する主な利点の1つはスペースの節約であり、最終的にはコスト削減につながります。ビアが占めるスペースが大きいほど、より大きな基板が必要となり、プロジェクトのコストが高くなります。

マイクロビアはHDI PCBの重要な構成要素であり、スルービア、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、層ペアを用いたコアレス構造の代替構成などを特徴とすることが多いです。小型・軽量であることに加え、部品間の距離が短くトランジスタ数が多いため、電気的性能も向上します。

マイクロビアは、ビアインパッド（VIP）をより効果的に活用するのにも役立ちます。VIPは、表面実装技術（SMT）のパッド内に接続を作ることでスペースを節約します。小型であるため、マイクロビアはVIPでの使用に適しています。通常のビアはSMTのパッド内に収まらないほど大きい場合がありますが、マイクロビアであれば製造上の問題なくパッド内に収まります。

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す。通常のものは製造が難しい場合がありますが、マイクロビアはすでに層ごとに作られるため、層ごとの作業が必要なブラインドまたは埋め込み加工が容易です。

マイクロビアは、ボールグリッドアレイ（BGA）のブレイクアウトにも有用です。マイクロビアVIPは、ファインピッチBGAのパッド内に容易に収まります。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、出力を基板の他の部分に伝えるには多くの層が必要です。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、BGAのブレイクアウトに必要な層数を減らせる可能性があります。

EMIの低減

マイクロビアは電磁干渉（EMI）の低減にも役立ちます。EMIは、電磁界が電気回路に影響を与え、電子機器の動作を妨げる現象です。EMIのリスクが低いため、高周波や高速アプリケーションで使用されるような、EMIを受けやすい回路に特に有用です。

高速回路では、ビアにおける信号放射と反射の問題がよく発生します。しかし、ビアのサイズを小さくすることで放射の可能性が減少し、EMIが低減します。高速回路では、スタブ（片側のみ接続された伝送線路または波導管）もEMI問題の原因となります。スタブは信号を導体に反射させ、元の信号を減衰または打ち消す可能性があります。しかし、マイクロビアは層ごとに作られるため、スタブが発生しません。

マイクロ波やミリ波ストリップライン導体などの高周波伝送線路では、信号をブレイクアウトするためにビアが必要です。しかし、標準ビアでは高周波ストリップラインでの使用にはEMIが多すぎます。一方、マイクロビアはごくわずかなEMIしか発生せず、信号品質を低下させません。高周波回路がますます頻繁に使用されるようになっているため、EMIはより一般的な懸念事項となっています。

ビアを銅で充填することも、主に熱伝導率と電気伝導率の面でいくつかの利点を提供します。

熱伝導率と電気伝導率

ビアを銅で充填すると、ビアの熱伝導率が向上し、熱を基板から遠ざけることで、より長寿命化と欠陥リスクの低減を実現します。熱は基板のさまざまな部分に伝わる代わりに、銅を通じて基板の反対側へ伝わり、部品を保護します。銅は、ビア充填に使用されるもう1つの材料である金よりも高い熱伝導率を持ちます。

銅は金よりも高い電気伝導率も持っています。ビア内の銅の導電性により、電流がPCBに過負荷をかけることなく深い層へと伝達されます。この特性により、銅充填マイクロビアは高電圧アプリケーションや、基板の両側間で強い電流を流す必要がある用途に最適です。

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、メッキと内層銅の近くで発生する相互接続欠陥（ICD）を引き起こすことがあります。これらのICDは信頼性の問題、オープン回路、高温時の断続的な問題、回路故障の原因となります。ICDは製造段階後のテストでは正常に機能しているように見えても、組み立てや使用中に問題を露呈することがあるため、検出が困難です。これらの欠陥を監視し、慎重に基板を製造して回避することが重要です。

デブリ由来のICD

一般的なICDの1つは、デブリが相互接続穴に入り込み、内層銅に埋め込まれることで発生します。このデブリは多くの場合、穴あけプロセスに由来します。マイクロビア穴あけ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デブリを生成しないため、マイクロビアではデブリ由来のICDリスクが低くなります。それでも、製造業者が銅充填前にすべての穴がデブリ、残留物、ドリルスミア、ガラス繊維、無機フィラー、その他の材料からクリアされているか確認することは重要です。

さまざまなタイプのビアにおいて、デブリ由来のICDが増加傾向にあります。これは、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かもしれません。これらの材料は多くの面でコスト効率が良いですが、標準的なFR-4エポキシ材料などよりも多くのデブリを生成し、化学的にクリーニングに対して耐性があることが多いです。

銅結合不良によるICD

もう1つの一般的なICDは銅結合不良です。これは、組み立てや使用時の高ストレス、弱い銅バンド、またはこれらの組み合わせによって発生する可能性があります。銅結合不良ICDが発生すると、銅接続が物理的に剥離します。銅結合が弱いほど、破断に必要なストレスは小さくなります。

銅結合不良ICDの発生率が増加しているようです。これは、より厚いPCBやより高い鉛フリー半田付け温度を使用する製造業者が増えているためかもしれません。より大きな穴サイズやフロー半田付けも、銅結合不良の発生可能性を高めます。銅結合不良はマイクロビアと標準ビアの両方で発生します。

ボイドと信頼性

マイクロビアの銅メッキプロセスで発生する一般的な問題には、充填不完全、ディンプル、ボイドがあります。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たちによる研究によると、不完全な銅充填はマイクロビアの応力レベルを上昇させ、疲労寿命（試験片が破壊するまで耐えられる負荷（応力）サイクル数）を低下させます。

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。例えば、小さな球状のボイドはマイクロビアの疲労寿命をわずかに延ばす一方、極端なボイド状態では大幅に寿命を縮めます。

ブラインドマイクロビアの銅充填プロセス

マイクロビア穴を穴あけした後、製造業者は純銅または銅入りエポキシ樹脂を穴に充填し、内層回路をPCB表面に接続します。この銅により、基板表面に部品やコネクタを配置し、層間で回路を接続できるようになります。

ブラインドマイクロビアを扱う際、添加剤なしでマイクロビア穴を充填すると、通常ボイドが形成されます。製造業者は常にビアが閉じるまで銅を堆積させますが、添加剤を使用しない場合、ビア内部よりも表面により多くの銅が堆積し、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阻害し、ブラインドマイクロビア内部でのメッキを増加させ、共形堆積をもたらします。共形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、溶液と物質のビア内への輸送を制限します。このプロセスでは、中心にシームのあるマイクロビアが形成されることがあります。

また、ボトムアップ法を使用してブラインドマイクロビアを銅で充填することもできます。これは、キャプチャパッドに優先的に銅を堆積させる方法です。このプロセスでは、理想的には最小限のディンプルと最小限の表面メッキ銅が形成されます。

ビア穴を銅で充填する際、ビア内の銅層が均一で、外層が厚くなりすぎないようにすることが重要です。過剰な銅はPCBに不必要な重量を加え、トレースに過剰な銅が残る可能性があります。これにより欠陥、仕様不適合、コスト増加につながる可能性があり、設計仕様がより厳しいマイクロビアでは通常のビアよりもさらに重要です。

ブラインドマイクロビア充填時の重要な考慮事項は、純銅を使用するか、エポキシ樹脂と銅を使用するかです。純銅の使用は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。汚染物質が銅内に閉じ込められることもあります。充填のトップにリセスを残すことで、これらの問題を防止できます。

スルーホール充填の1つのアプローチでは、実質的に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、まず共形メッキを行い、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、穴の壁にそれぞれ銅の三角形が形成され、X字形状が穴内に作られます。この形状は、実質的にPCBの両側に1つずつ、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を完全に充填します。

新しい銅電解液の開発などの最近の進歩により、欠陥や過剰な銅なしでブラインドマイクロビアを充填しやすくなっています。ブラインドマイクロビア充填用の電解液は、高銅濃度、低硫酸濃度、塩化物イオンを持つことが多いです。被膜特性を制御するために使用される有機電解液添加剤には、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。

ミレニアムサーキッツリミテッドの銅充填ブラインドマイクロビア

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