Las microvías se utilizan como interconexiones entre capas en sustratos de interconexión de alta densidad (HDI) y placas de circuito impreso (PCB) para adaptarse a la alta densidad de entrada/salida (E/S) de paquetes avanzados. Impulsada por la portabilidad y las comunicaciones inalámbricas, la industria electrónica se esfuerza por producir productos asequibles, ligeros y fiables con una mayor funcionalidad. A nivel de componentes electrónicos, esto se traduce en componentes con E/S aumentadas con áreas de ocupación más pequeñas (por ejemplo, paquetes de chip invertido, paquetes a escala de chip y conexiones directas de chip) y, a nivel de sustrato de placa de circuito impreso y paquete, en el uso de interconexiones de alta densidad (HDI) (por ejemplo, líneas y espacios más finos y vías más pequeñas ). [1]
Las normas del IPC revisaron la definición de microvía en 2013 y la definen como un orificio con una relación de aspecto de profundidad a diámetro de 1:1 o menos, y la profundidad del orificio no debe superar los 0,25 mm. Anteriormente, una microvía era cualquier orificio con un diámetro menor o igual a 0,15 mm [2].
Con la llegada de los teléfonos inteligentes y los dispositivos electrónicos portátiles, las microvías han evolucionado desde un solo nivel hasta microvías apiladas que cruzan múltiples capas de HDI. La tecnología de construcción secuencial (SBU) se utiliza para fabricar placas HDI. Las capas de HDI generalmente se construyen a partir de una placa de núcleo de doble cara o PCB multicapa fabricada tradicionalmente. Las capas de HDI se construyen en ambos lados de la PCB tradicional una por una con microvías. El proceso SBU consta de varios pasos: laminación de capas, formación de vías, metalización de vías y llenado de vías. Hay múltiples opciones de materiales y/o tecnologías para cada paso. [3]
Las microvías se pueden rellenar con diferentes materiales y procesos: [4]
Las microvías enterradas deben rellenarse, mientras que las microvías ciegas en las capas externas normalmente no tienen requisitos de relleno. [5] Una microvía apilada normalmente se rellena con cobre galvanizado para hacer interconexiones eléctricas entre múltiples capas de HDI y proporcionar soporte estructural para el nivel o niveles externos de la microvía o para un componente montado en la almohadilla de cobre más externa. [6] [7]
La confiabilidad de la estructura HDI es una de las principales limitaciones para su implementación generalizada y exitosa en la industria de PCB. La buena confiabilidad termomecánica de las microvías es una parte esencial de la confiabilidad de HDI. Muchos investigadores y profesionales han estudiado la confiabilidad de las microvías en PCB HDI. La confiabilidad de las microvías depende de muchos factores, como los parámetros de geometría de las microvías, las propiedades del material dieléctrico y los parámetros de procesamiento.
La investigación sobre la confiabilidad de las microvías se ha centrado en la evaluación experimental de la confiabilidad de las microvías sin relleno de un solo nivel, así como en el análisis de elementos finitos sobre las distribuciones de tensión/deformación en las microvías de un solo nivel y la estimación de la vida útil por fatiga de las microvías. [8] Las fallas de las microvías identificadas a partir de la investigación incluyen la separación interfacial (separación entre la base de la microvía y la placa de destino), grietas en el barril, grietas en las esquinas/codos y grietas en la placa de destino (también conocidas como extracción de la microvía). Estas fallas son el resultado de las tensiones termomecánicas causadas por el desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE), en la dirección del espesor de la PCB, entre la metalización en una estructura de microvía y los materiales dieléctricos que rodean el metal. El siguiente párrafo destaca algunas de las investigaciones sobre la confiabilidad de las microvías.
Ogunjimi et al. [9] analizaron el efecto de las variables del proceso de fabricación y diseño en la vida útil por fatiga de las microvías, incluido el espesor de la traza (conductor), la capa o capas del dieléctrico alrededor de la traza y en la microvía, la geometría de la vía, el ángulo de la pared de la vía, el coeficiente de ductilidad del material conductor y el factor de concentración de deformación. Se crearon modelos de elementos finitos con diferentes geometrías y se utilizó el método ANOVA para determinar la importancia de las diferentes variables del proceso. Los resultados del ANOVA mostraron que el factor de concentración de deformación fue la variable más importante, seguida del factor de ductilidad, el espesor de la metalización y el ángulo de la pared de la vía. Prabhu et al. [10] realizaron un análisis de elementos finitos (FEA) en una estructura de microvía HDI para determinar el efecto del ciclo de temperatura acelerado y el choque térmico. Liu et al. [11] y Ramakrishna et al. [12] realizaron pruebas de choque térmico de líquido a líquido y aire a aire, respectivamente, para estudiar el efecto de las propiedades del material dieléctrico y los parámetros de geometría de las microvías, como el diámetro de las microvías, el ángulo de la pared y el espesor del revestimiento, en la confiabilidad de las microvías. Andrews et al. [13] investigaron la confiabilidad de las microvías de un solo nivel utilizando IST (prueba de tensión de interconexión) y consideraron el efecto de los ciclos de reflujo de soldadura sin plomo. Wang y Lai [14] investigaron los posibles sitios de falla de las microvías utilizando el modelado de elementos finitos. Encontraron que las microvías llenas tienen una tensión menor que las microvías sin llenar. Choi y Dasgupta introdujeron el método de inspección no destructiva de las microvías en su trabajo. [15]
Aunque la mayoría de las investigaciones sobre la confiabilidad de las microvías se centran en microvías de un solo nivel, Birch [4] probó microvías apiladas y escalonadas de varios niveles utilizando la prueba IST. El análisis de Weibull sobre los datos de prueba mostró que las microvías apiladas de un solo nivel y de dos niveles duran más que las de tres y cuatro niveles (por ejemplo, las microvías apiladas de dos niveles experimentaron aproximadamente 20 veces más ciclos hasta la falla que las de cuatro niveles).
Un desafío para el desarrollo de placas de interconexión de alta densidad es fabricar microvías confiables, especialmente para microvías apiladas, sin que se produzca un llenado incompleto, hoyuelos o huecos en el proceso de recubrimiento de cobre. [16] Los autores de [16] han estado investigando el riesgo de microvías en términos de huecos y otros defectos utilizando pruebas experimentales y análisis de elementos finitos. Descubrieron que el llenado incompleto de cobre aumenta los niveles de estrés en las microvías y, por lo tanto, disminuye la vida útil por fatiga de las microvías.
En cuanto a los huecos, las diferentes condiciones de formación de huecos, como los diferentes tamaños, formas y ubicaciones de los huecos, tienen efectos diferentes en la fiabilidad de las microvías. Los huecos pequeños de forma esférica aumentan ligeramente la vida útil de las microvías, pero las condiciones de formación de huecos extremas reducen en gran medida la duración de las microvías.