V polovodičových zariadeniach zohrávajú 12-vrstvové dosky plošných spojov kľúčovú úlohu pri spájaní základných čipov, prenášaní vysoko-frekvenčných signálov a vysokých prúdov. Jeho výrobný proces vyžaduje extrémne vysoké požiadavky na presnosť, stabilitu a spoľahlivosť. V porovnaní s bežnými viacvrstvovými doskami plošných spojov majú 12vrstvové dosky plošných spojov zložitejšiu štruktúru, viac procesných krokov a musia sa prispôsobiť prísnym normám polovodičových zariadení na integritu signálu a odvod tepla. Preto vo výrobnom procese existuje viacero základných ťažkostí. Počnúc kľúčovými krokmi procesu rozoberieme výrobné výzvy 12-vrstvových dosiek plošných spojov v scenároch aplikácií polovodičových zariadení.
1, Proces laminovania: výzva „presného spájania“ vo viac-vrstvových štruktúrach
Vrstvenie je základným procesom výroby 12 vrstiev PCB, ktorý vyžaduje integráciu 12 vrstiev substrátu, medenej fólie a izolačnej vrstvy do celku prostredníctvom vysokej teploty a vysokého napätia. Problém spočíva v presnosti zarovnania a rovnomernosti hrúbky medzi vrstvami, ktoré sú rozhodujúce pre prenos signálu v polovodičových zariadeniach.
Z hľadiska zarovnania medzi vrstvami je potrebné 12-vrstvovú dosku s plošnými spojmi stlačiť viackrát a každé stlačenie musí zabezpečiť, aby sa chyba zarovnania grafiky každej vrstvy kontrolovala vo veľmi malom rozsahu. Pri skutočnej výrobe je však substrát náchylný na tepelnú deformáciu pri vysokých teplotách a po každej laminácii môžu byť mierne odchýlky v rovinnosti plechu. Pri vrstvení na 12 vrstvách môže celková chyba zarovnania prekročiť kritickú hodnotu. Keď presnosť zarovnania nespĺňa normu, prenosová strata vysoko-frekvenčných signálov v polovodičovom zariadení sa výrazne zvýši a môže dokonca dôjsť k presluchu signálu, čo ovplyvní normálnu prevádzku zariadenia.
Rovnomernosť hrúbky je rovnako náročná. 12 vrstiev PCB potrebuje kontrolovať celkovú hrúbku a rozsah odchýlok každej hrúbky vrstvy. Počas procesu lisovania však nerovnomerné rozloženie tlaku a rozdiely v rýchlostiach zmrštenia medzi podkladom a izolačnou vrstvou môžu viesť k problémom, ako je „hrubý v strede, tenký na okrajoch“ alebo miestne výstupky vo finálnej doske. V oblastiach v polovodičových zariadeniach, ktoré vyžadujú inštaláciu presných konektorov, môže nadmerná odchýlka hrúbky viesť k zlému kontaktu konektora a zvýšiť riziko zlyhania zariadenia.
2, Spracovanie mikrodier: dvojité výzvy s malou veľkosťou pórov a pomerom strán
12-vrstvová doska plošných spojov polovodičového zariadenia vyžaduje na dosiahnutie medzivrstvových obvodových spojení veľký počet mikropórov. Tieto mikropóry majú nielen malú veľkosť, ale potrebujú preniknúť aj do 12 vrstiev substrátu, pričom pomer hĺbky k priemeru ďaleko prevyšuje pomer bežných viacvrstvových dosiek plošných spojov, čo značne zvyšuje náročnosť výroby.
Po prvé, je tu otázka presnosti vŕtania. Vďaka extrémne malému otvoru je vrták náchylný na „vibrácie“ počas-otáčania s vysokou rýchlosťou, čo má za následok odchýlku otvoru a dokonca aj škrabance na stene otvoru. Materiálové rozdiely 12-vrstvového substrátu zároveň urýchlia rýchlosť opotrebovania vrtáka. Ak sa včas nenahradí, presnosť veľkosti pórov nasledujúcich mikropórov sa bude naďalej znižovať. V prípade polovodičových zariadení môže odchýlka veľkosti mikropórov viesť k nerovnomernej hrúbke medenej vrstvy vo vnútri pokovovaných otvorov, zintenzívniť lokálne zahrievanie počas prenosu prúdu a ovplyvniť výkon zariadenia pri odvádzaní tepla.
Hlbšia výzva spočíva v kvalite steny pórov. Mikropóry 12-vrstvovej dosky plošných spojov musia prejsť procesom „vŕtania a galvanického pokovovania“, pri ktorom proces odvŕtania vyžaduje odstránenie zvyškov zvyškov živice zo steny otvoru. Úzka veľkosť pórov mikropórov však sťažuje úplné preniknutie čistiaceho roztoku. Ak nie je odvŕtanie dôkladné, medená vrstva sa počas galvanizácie nemôže pevne spojiť so stenou otvoru a pri neskoršom použití môže dôjsť k „odlupovaniu steny otvoru“, čo spôsobí prerušenie obvodu. Okrem toho nadmerný pomer strán sťažuje rovnomerné rozloženie prúdu na dno otvoru počas elektrolytického pokovovania a hrúbka medenej vrstvy na dne otvoru je nedostatočná. Pri vysokoprúdových scenároch polovodičových zariadení je medená vrstva na dne otvoru náchylná na prehriatie a vyhorenie.
3, Kontrola hrúbky medi: rozpor medzi globálnou uniformitou a lokálnym zahusťovaním
Požiadavka na hrúbku medi v 12 vrstvách PCB polovodičových zariadení má „dualitu“: na jednej strane musí byť globálna hrúbka medi rovnomerná, aby sa zabezpečil stabilný prenos signálu; Na druhej strane, niektoré oblasti vyžadujú lokálne zhrubnutie hrúbky medi, aby sa zvýšil odvod tepla a prúdová prenosová kapacita, čo môže ľahko viesť ku konfliktom vo výrobe.
Ťažkosti pri dosahovaní globálnej rovnomernosti hrúbky medi spočívajú v procese galvanizácie. Plocha 12-vrstvovej dosky plošných spojov je zvyčajne veľká a distribúcia prúdu v pokovovacej nádrži je ľahko ovplyvnená tvarom dosky a polohou závesného zariadenia, čo vedie k rozdielom v hrúbke medi medzi okrajmi a stredom dosky. Okrem toho mikrootvory a slepé otvory v 12-vrstvovej doske plošných spojov „odklonia“ prúd, čo spôsobí, že hrúbka medi v blízkosti otvorov bude tenšia ako v iných oblastiach. Ak je globálna odchýlka hrúbky medi príliš veľká, rýchlosť prenosu signálu rôznych ciest v polovodičovom zariadení sa bude líšiť, čo bude mať za následok oneskorenie synchronizácie údajov a ovplyvnenie účinnosti spracovania zariadenia.
Lokálne zhrubnutie hrúbky medi predstavuje riziko „nadmerného galvanického pokovovania“. Aby sa dosiahlo lokálne zahustenie hrúbky medi, je potrebné v príslušnej oblasti vykonať sekundárne galvanické pokovovanie. Počas sekundárneho galvanického pokovovania je však prúd náchylný k difúzii do okolitých oblastí, čo spôsobuje, že hrúbka medi v necieľových oblastiach prekračuje normu. Zároveň je prechod medzi lokálne zahustenou oblasťou a okolitou konvenčnou medenou hrubou oblasťou náchylný na „kroky“. Počas následného nanášania vrstvy spájkovacej masky sa na krokoch ľahko vytvárajú bubliny alebo nedostatočná hrúbka, čo vedie k odkrytiu medenej vrstvy a zvyšuje riziko oxidácie a skratu v polovodičovom zariadení.
4, Povlak spájkovacej masky: rovnováha medzi tenkým povlakom a vysokou izoláciou
Vrstva spájkovacej masky 12-vrstvovej dosky plošných spojov v polovodičovom zariadení musí spĺňať požiadavky „tenkej vrstvy“ aj „vysokej izolácie“, aby sa prispôsobila kompaktnému inštalačnému priestoru a vysokonapäťovému pracovnému prostrediu vo vnútri zariadenia. Pri výrobe však existuje prirodzený rozpor medzi týmito dvoma požiadavkami.
Presnosť povlaku tenkých povlakov je ťažké kontrolovať. Vrstva spájkovacej masky je zvyčajne spracovaná sieťotlačou alebo nástrekom a pre jemné hrbolčeky a priehlbiny na povrchu 12-vrstvovej dosky plošných spojov sú tenké povlaky náchylné na "netesnosť" alebo "nerovnomernú hrúbku". Napríklad, ak je kontrola tlaku škrabky počas sieťotlače nesprávna, hrúbka vrstvy spájkovacej masky v kroku môže byť nižšia ako štandardná hodnota. Tenká vrstva spájkovacej masky však môže viesť k zníženiu izolačného výkonu a vysokonapäťový prenos signálu v polovodičovom zariadení je náchylný na poruchu, ktorá spôsobuje poruchu zariadenia.
Vysoká izolácia kladie prísne požiadavky na materiál a proces vytvrdzovania spájkovacej odolnosti. Pri prevádzke polovodičových zariadení sú dosky plošných spojov dlhodobo vystavené vysokým teplotám a môžu prísť do kontaktu s korozívnymi plynmi. Spájkovací odpor musí mať vynikajúcu odolnosť voči vysokým teplotám a korózii. Pod tenkými vrstvami je však distribúcia vytvrdzovacích činidiel v spájkovacom odolnom materiáli nerovnomerná, čo vedie k nedostatočnej hustote krížových{3}}sieťovaní v niektorých oblastiach po vytvrdnutí a v prostredí s vysokou-teplotou je náchylný na vznik trhlín, čo časom vedie k rýchlemu poklesu izolačného výkonu.
5, Kontrola rovinnosti: kľúčové obmedzenie pre neskoršiu montáž a odvod tepla
12-vrstvová doska plošných spojov polovodičového zariadenia musí mať extrémne vysokú rovinnosť, inak to ovplyvní priľnavosť k čipom a chladičom, čo vedie k zlému odvodu tepla alebo zlyhaniu zostavy. Viacvrstvová štruktúra a zložitý proces 12-vrstvových dosiek s plošnými spojmi však robia z kontroly plochosti „tvrdohlavý problém“ vo výrobe.
Na jednej strane uvoľnenie napätia po viac{0}}vrstevnej kompresii môže spôsobiť deformáciu dosky. Počas viacnásobných laminovacích procesov na 12 vrstvách PCB sa vnútorné napätie materiálu každej vrstvy priebežne hromadí. Po ochladení sa uvoľní napätie, ktoré môže ľahko spôsobiť prehnutie dosky smerom k hrubšej strane medenej fólie. Najmä ak existuje významný rozdiel v miestnej hrúbke medi, deformácia môže ďaleko presiahnuť požiadavky polovodičových zariadení.
Na druhej strane, vysokoteplotné{0}}spracovanie následných procesov zhorší problém plochosti. Procesy, ako je vytvrdzovanie spájkovacej masky, sa musia vykonávať pri určitej vysokej teplote. Pri tejto teplote sa doska plošných spojov opäť tepelne deformuje. Ak sa napätie predtým úplne neuvoľní, deformácia sa bude ďalej prekrývať. Pre oblasti v polovodičových zariadeniach, ktoré vyžadujú úzky kontakt s chladičmi, môžu odchýlky rovinnosti viesť k zmenšeniu kontaktnej plochy, zníženiu účinnosti odvádzania tepla, zvýšeniu prevádzkovej teploty čipu a skráteniu životnosti zariadenia.
6, Testovanie a opravy: Výzvy v oblasti kontroly kvality v zložitých štruktúrach
Výrobný proces 12-vrstvovej dosky plošných spojov pre polovodičové zariadenia vyžaduje 100% úplnú kontrolu, ale kvôli zložitej štruktúre je ťažké odhaliť niektoré chyby a náročnosť opravy je extrémne vysoká, čo sa stáva hlavným problémom pri kontrole kvality.
V procese kontroly je ťažké odhaliť defekty vo vnútornej vrstve 12-vrstvovej dosky plošných spojov konvenčnou kontrolou vzhľadu a vyžadujú detekciu röntgenových lúčov a ultrazvukové skenovanie. Detekcia röntgenových lúčov má však obmedzenú rýchlosť rozpoznávania malých defektov a nedokáže určiť stav spojenia medzi stenou otvoru a vnútornou medenou fóliou; Aj keď ultrazvukové skenovanie dokáže detekovať medzivrstvové spojenie, rozlíšenie skenovania sa môže znížiť v dôsledku hrúbky 12 vrstiev, ktoré môžu vynechať lokálne odlepovacie oblasti. Tieto nezistené chyby sa budú postupne rozširovať počas-dlhodobej prevádzky polovodičových zariadení, čo v konečnom dôsledku povedie k poruchám obvodov.
Výzva v procese opravy je ešte väčšia. Ak sa vo vnútornej vrstve zistí skrat alebo nekvalitné pokovovanie mikrootvorov, 12-vrstvovú dosku s plošnými spojmi je potrebné „opraviť vrstvu po vrstve“, to znamená, že izolačná vrstva a medená fólia sa vrstvu po vrstve odlepia, chyby sa opravia a potom znova zalisujú. Počas procesu vrstvenia však môžu vysoké teploty a chemické činidlá ľahko poškodiť okolité neporušené vrstvy, čo má za následok nižšiu úspešnosť opráv. Aj keď je oprava úspešná, stále sa môžu vyskytnúť nové koncentrácie napätia v potlačenej oblasti. Vo vibračnom prostredí polovodičových zariadení sú na mieste opravy náchylné na vznik trhlín, ktoré sa stávajú novým potenciálnym nebezpečenstvom poruchy.