Qualifizierung PCB-Fertigung: Vias und Buried Vias in Mehrlagenleiterplatten – Teil 1

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Die Miniaturisierung aller elektrischen Bauteile bringt Leiterplatten technologisch an Grenzen. Qualifizierte Prüfmethoden sind daher unerlässlich.

Elektronische Baugruppen bestehen aus Schaltungsträgern, elektronischen Bauteilen und eventuell noch mechanischen Komponenten. Als Schaltungsträger werden in sehr vielen Anwendungen Mehrlagenleiterplatten (Kurz: Leiterplatte oder Platine) eingesetzt, die auch als Multilayerleiterplatten oder Multilayerplatinen bezeichnet werden. Die Komplexität elektronischer Baugruppen hat sich in den letzten 15 bis 20 Jahren deutlich verändert. Es ist nicht mehr so, dass die Elektronik und installierte Software uns nur begleiten, sondern in speziellen Anwendungen treffen Elektronik und Software inzwischen Entscheidungen, die über unseren privaten und beruflichen Alltag entscheiden und somit auch in speziellen Fällen über unser Leben. Insofern sind die Anforderungen an solche elektronischen Systeme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Lebensdauer deutlich gestiegen.

Diese Anforderungen werden auf die Multilayerleiterplatten übertragen, weil sie die Basis der elektronischen Produkte sind und zum Beispiel auch bei Hochstromanwendungen in der Elektromobilität oder auch in der Medizintechnik eine zentrale Rolle spielen. In Multilayerplatinen werden verschiedene Durchkontaktierungen (Vias) eingesetzt werden: Zum Beispiel µ-Via, Blind-Via, Buried-Via oder gebohrte Durchkontaktierungen. Vias dienen zur elektrischen Verbindung der verschiedenen Lagen in Mehrlagenleiterplatten. Mit zunehmender Miniaturisierung der elektronischen Bauteile wirkt sich dies auch auf die Strukturen in den Leiterplatten aus, so bewegen sich die gültigen Designregeln hinsichtlich der Leiterplattentechnologie zunehmend in technologischen Grenzbereichen oder sogar über die bisher als gültig vereinbarten Grenzen hinaus.

Aufgrund des Umfangs wurde dieser Artikel in drei Teile aufgeteilt, die nacheinander in EP erscheinen werden: Visuelle und optische Untersuchungsmethoden im Querschliff (Teil 1), Elektrische und thermische Untersuchungs-methoden (Teil 2) und CT-Röntgenanalyse und Ultraschall-Prüfverfahren (Teil 3). Inhaltlich hängen diese drei Teile zusammen und bauen aufeinander, so dass es für das Gesamtverständnis hilfreich ist, wenn die vorhergehenden Teile bekannt sind.

Plugging-Prozesse bei Buried Vias mit Epoxidharz

Als Beispiel dienen exemplarisch zwei verschiedene Lagenaufbauten einer Multilayerplatine mit 4 Lagen, die aus einem 410 µm dicken Kern bestehen und gebohrte Durchkontaktierungen sowie Buried Vias enthalten (Bild 1). Die Durchkontaktierungen (DK) gehen von Lage 1 bis zur Lage 4 und die Buried Vias von Lage 2 bis zur Lage 3. Die Buried Vias müssen vollständig mit Epoxidharz gefüllt sein. Wenn Gaseinschlüsse in den Buried Vias vorkommen, dann würden sich diese beim Löten oder im Einsatz ausdehnen, wodurch es zur Delamination der Leiterplatte und dadurch zum Ausfall der elektronischen Schaltung führen kann.

Beim Verfüllen von Vias oder Buried Vias mit Harz werden zwei verschiedene Methoden verwendet: Buried Vias können mit einem externen Druckprozess, das sogenannte „Plugging“, mit Harz verfüllt werden.

Dabei wird das Epoxidharz in einem separaten Arbeitsschritt in die Bohrungen gedruckt. Dieser Prozess erfolgt, an dem inneren Kern der Leiterplatte, bevor die Außenlagen mit dem Kern verpresst werden. Alternativ können die Buried Vias auch mit dem Harz der Prepregs verfüllt werden, indem beim Verpressen der Leiterplatte das Harz der Prepregs direkt in die Bohrungen fließt. Dies erfolgt in einem Arbeitsschritt dann beim Pressvorgang der gesamten Leiterplatte. Dadurch wird der separate Druckprozess eingespart.

Deshalb ist dieses Verfahren wirtschaftlich interessant und wird zunehmend in der Serienfertigung von Leiterplatten eingesetzt.

Die Verfüllung der Buried Vias mit Epoxidharz hängt dabei u.a. von der Geometrie bzw. dem Aspekt-Ratio der Bohrungen, dem Fließverhalten des Epoxidharzes und der Glasfaserstruktur der Prepregs, der Temperatur, dem Druck und der Zeit beim Verpressen der Leiterplatte ab.

Insofern ist der thermische Verpressvorgang bei den Multilayer-Leiterplatten ein zentraler Prozess beim Herstellen von Buried Vias mit hoher Zuverlässigkeit.

Aspekt-Ratio bei der Metallisierung sowie Verfüllung (Pluggen) von Buried Vias

Zur Sicherstellung, dass sich ein Via oder Buried Via galvanisch kontaktieren lässt und die Metallabscheidung zuverlässig funktioniert, wird das sogenannte Aspekt-Ratio als Regel in der Praxis verwendet (Bild 2). Es beschreibt für Bohrungen das Verhältnis zwischen dem Hülsendurchmesser (a) und der Hülsenlänge (b). Aus trigonometrischer Sicht entspricht dies dem Tangens Alpha (tan α). Es gilt folgender Zusammenhang (Bild 2):

tan α = a/b (1)

Es ist ein Maß bzw. eine praktische Regel, die ein produzierbares und kontaktierbares Verhältnis zwischen dem minimalen Lochdurchmesser und der Hülsenlänge eines Vias vorgibt. Beispielsweise einem Aspekt-Ratio von 1:8 entspricht also einem Winkel αvon etwa 7°. Dies bedeutet, dass ein Via dann zuverlässig metallisierbar ist, wenn der Winkel nicht kleiner als 7^° ist. Der Mindestdurchmesser eines gebohrten oder gelaserten Vias orientiert sich an den chemisch-physikalischen Eigenschaften während der galvanischen Kontaktierung.

Die Kupferabscheidung in der Hülse erfolgt katodisch-anodisch. Für diesen Prozess muss das Via in der Galvanik mehrfach (etwa 8 bis 12-mal) zuverlässig mit chemischen Reagenzien durchspült werden. Die Oberflächenspannungen der chemischen, wässrigen Lösungen und die Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und der Hülsenfläche behindern die notwendige Durchflutung der Hülse, wenn das Via „zu lang“ im Verhältnis zum Viadurchmesser ist. Im Ergebnis ist die Kupferschichtdicke der Hülse zu gering oder unvollständig.

Hingegen für Buried Vias gibt es zwei unterschiedliche Aspekt-Ratio, zum einen ein Aspekt-Ratio hinsichtlich der Metallisierbarkeit der Bohrungen und zum anderen auch hinsichtlich der Verfüllbarkeit der Bohrungen mit Epoxidharz. Beide Aspekt-Ratio unterscheiden sich voneinander, weil es vollkommen unterschiedliche technologische Prozesse sind. Der Durchfluss von wässrigen Lösungen bei der Metallabscheidung unterliegt anderen chemischen Oberflächenprozessen als die Verfüllung der Buried Vias mit Epoxidharz. Insofern muss auch beim Sprachgebrauch darauf geachtet werden, ob es um das Aspekt-Ratio bei der Metallisierung oder um die Verfüllung beim Pluggen mit Epoxidharz geht.

Untersuchungsmethoden im Querschliff

Es gibt verschiedene Untersuchungsmethoden, um die verschiedenen Fertigungsprozesse zu qualifizieren und um die Ergebnisse der Fertigungsprozesse zu verifizieren und charakterisieren. Dazu gehören u.a. optische, elek­trische und thermische Untersuchungsmethoden. Um ein möglichst umfassendes wissenschaftliches Ergebnis einer fertigstellten Leiterplatte zu erhalten, ist es sinnvoll, möglichst mehrere dieser Untersuchungsmethoden schrittweise anzuwenden und dafür spezielle Testgeometrien oder Teststrukturen zu verwenden. Solche Teststrukturen können auch zur Prozesskontrolle in der Serienfertigung eingesetzt werden, die dann zum Beispiel auf dem Außenrahmen (Nutzenrand) bei der LP-Herstellung platziert werden.

Zur visuellen Analyse wird üblicherweise ein Querschliff der Leiterplatte angefertigt und optisch unter dem Lichtmikroskop (LM) oder dem Rasterelektronenmikroskop (REM) begutachtet. Das Bild 3 zeigt einen Querschliff einer 4-lagigen Leiterplatte mit Buried Vias, die durch das Harz der Prepregs verfüllt worden sind. Bei den Untersuchungen im Querschliff können sowohl die Kupferschichten als auch das Epoxidharz analysiert werden. Die Querschliffanalyse hat aber den Nachteil, dass sie eine zerstörende Prüfung ist und nur eine Schliffebene durch die Präparation untersucht werden kann.

Außerdem erfordert die Präparation viel Erfahrung und einen größeren Zeitaufwand, so dass meistens nur ausgewählte Querschliffe angefertigt werden und die Anzahl der Querschliffe pro Leiterplatte auch begrenzt ist. Somit können exemplarisch nur einige Schliffebenen untersucht werden. Durch die Präparation beim Querschliff entsteht somit auch ein rein zufälliges statistisches Ergebnis hinsichtlich der zu betrachtenden Schliffebene. Es kann damit kein vollständiges Analyseergebnis einer gesamten Leiterplatte erzielt werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Der Einsatz von Buried Vias in Multilayer-Leiterplatten nimmt immer weiter zu. Für die Zuverlässigkeit dieser Leiterplatten ist es erforderlich, die Buried Vias vollständig mit Harz zu verfüllen und eine homogene Struktur der Füllstoffe zu erreichen, damit kein vorzeitiger Ausfall der Leiterplatten stattfindet. Die Untersuchung von Buried Vias im Querschliff zeigt immer nur einzelne Bereiche der Leiterplatte, die statistisch bei der Präparation der Querschliffe entstehen.

Um aber ein wissenschaftlich vollständiges Verständnis und Bild von den Buried Vias zu bekommen, wäre es erforderlich weitere Analyse-Methoden einzusetzen, mit denen alle Buried Vias in einer Leiterplatte komplett erfasst werden können. Aussichtsreiche Methoden wären beispielsweise die CT-Röntgenanalyse oder das Ultraschall-Prüfverfahren, die in den nächsten Teilen 2 und 3 erläutert werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind dann mit den optischen und thermischen Analysen zu vergleichen. Es ist geplant, mit diesen Verfahren ausführliche wissenschaftliche Untersuchungen an Buried Vias durchzuführen. Dafür werden noch Kooperationspartner gesucht. Interessenten können sich an die Autoren wenden. (mbf)

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