В полупроводниковом оборудовании 12-слойные печатные платы играют решающую роль в соединении основных микросхем, передаче высокочастотных-сигналов и больших токов. Процесс его производства требует чрезвычайно высоких требований к точности, стабильности и надежности. По сравнению с обычными многослойными печатными платами, 12-слойные печатные платы имеют более сложную структуру, больше этапов обработки и должны адаптироваться к строгим стандартам полупроводникового оборудования в отношении целостности сигнала и рассеивания тепла. Таким образом, в производственном процессе возникает множество основных трудностей. Начиная с ключевых этапов процесса, мы разберем проблемы производства 12-слойных печатных плат в сценариях применения полупроводникового оборудования.
1. Процесс ламинирования: задача «точного склеивания» в много-слоистых структурах
Наслаивание — это основной процесс производства 12-слойной печатной платы, который требует объединения 12 слоев подложки, медной фольги и изоляционного слоя в единое целое под воздействием высокой температуры и высокого напряжения. Сложность заключается в точности выравнивания и однородности толщины между слоями, которые имеют решающее значение для передачи сигнала в полупроводниковом оборудовании.
С точки зрения межслоевого выравнивания, 12-слойную печатную плату необходимо нажимать несколько раз, и каждое нажатие должно гарантировать, что ошибка выравнивания графики каждого слоя контролируется в очень небольшом диапазоне. Однако в реальном производстве подложка склонна к термической деформации при высоких температурах, и после каждого ламинирования могут наблюдаться небольшие отклонения в плоскостности листа. При наложении на 12 слоев общая ошибка выравнивания может превысить критическое значение. Если точность выравнивания не соответствует стандарту, потери при передаче высокочастотных сигналов в полупроводниковом оборудовании значительно возрастут и даже могут возникнуть перекрестные помехи, влияющие на нормальную работу оборудования.
Равномерность толщины также является сложной задачей. 12-слойная печатная плата должна контролировать общую толщину и диапазон отклонения толщины каждого слоя. Однако в процессе сжатия неравномерное распределение давления и различия в скорости усадки между подложкой и изоляционным слоем могут привести к таким проблемам, как «толстая середина, тонкая по краям» или локальные выступы на готовой плите. В областях полупроводникового оборудования, где требуется установка прецизионных разъемов, чрезмерное отклонение толщины может привести к плохому контакту разъема и увеличить риск выхода оборудования из строя.
2. Обработка микроотверстий: двойная проблема, связанная с малым размером пор и соотношением сторон.
12-слойная печатная плата полупроводникового оборудования требует большого количества микропор для обеспечения межслоевых соединений. Эти микропоры не только малы по размеру, но и должны проникать в 12 слоев подложки, причем отношение глубины к диаметру намного превышает соотношение глубины и диаметра обычных многослойных печатных плат, что значительно увеличивает сложность производства.
Во-первых, существует проблема точности сверления. Из-за чрезвычайно малого отверстия сверло склонно к «вибрации» при вращении на высокой-скорости, что приводит к отклонению отверстия и даже появлению царапин на стенке отверстия. В то же время различия в материалах 12-слойной подложки ускорят износ сверла. Если не заменить вовремя, точность размера последующих микропор будет продолжать снижаться. В полупроводниковых устройствах отклонение размера микропор может привести к неравномерной толщине медного слоя внутри металлизированных отверстий, усилить локальный нагрев при передаче тока и повлиять на характеристики рассеивания тепла устройством.
Более глубокая проблема заключается в качестве стенки пор. Микропоры 12-слойной печатной платы должны пройти процесс «сверления или гальванопокрытия», при котором процесс сверления требует удаления остатков смолы со стенок отверстия. Однако узкий размер микропор затрудняет полное проникновение чистящего раствора. Если высверливание не будет тщательным, медный слой не сможет плотно сцепиться со стенкой отверстия во время гальваники, и во время последующего использования может произойти «отслоение стенки отверстия», что приведет к разрыву цепи. Кроме того, чрезмерное удлинение затрудняет равномерное распределение тока по дну отверстия во время гальваники, а толщина медного слоя на дне отверстия оказывается недостаточной. В сценариях полупроводниковых устройств с высоким током медный слой на дне отверстия склонен к перегреву и выгоранию.
3. Контроль толщины меди: противоречие между глобальной однородностью и локальным утолщением.
Требование к толщине меди в 12-слойной печатной плате полупроводникового оборудования имеет «двойственность»: с одной стороны, общая толщина меди должна быть одинаковой для обеспечения стабильной передачи сигнала; С другой стороны, в некоторых областях требуется локальное утолщение меди для улучшения рассеивания тепла и повышения пропускной способности по току, что может легко привести к конфликтам на производстве.
Трудность в достижении глобальной однородности толщины меди заключается в процессе гальванического покрытия. Площадь 12-слойной печатной платы обычно велика, и на распределение тока в гальванической ванне легко влияет форма платы и положение подвесного крепления, что приводит к разнице в толщине меди между краями и центром платы. Кроме того, микроотверстия и глухие отверстия в 12-слойной печатной плате будут «отводить» ток, в результате чего толщина поверхности меди возле отверстий будет тоньше, чем в других областях. Если глобальное отклонение толщины меди слишком велико, скорость передачи сигнала по разным путям в полупроводниковом оборудовании будет различаться, что приведет к задержке синхронизации данных и повлияет на эффективность обработки оборудования.
Локальное утолщение меди создает риск «чрезмерной гальваники». Чтобы добиться локального утолщения меди, необходимо провести вторичную гальванизацию на соответствующем участке. Однако во время вторичной гальваники ток имеет тенденцию распространяться в окружающие области, в результате чего толщина меди в нецелевых областях превышает стандарт. В то же время переход между областью локального утолщения и окружающей областью обычной толщины меди склонен к появлению «ступенек». При последующем нанесении слоя паяльной маски на ступенях легко образуются пузырьки или недостаточная толщина, что приводит к оголению медного слоя и увеличению риска окисления и короткого замыкания в полупроводниковом оборудовании.
4. Покрытие паяльной маски: баланс между тонким покрытием и высокой изоляцией.
Слой паяльной маски 12-слойной печатной платы в полупроводниковом оборудовании должен отвечать как требованиям «тонкого покрытия», так и «высокой изоляции», чтобы адаптироваться к компактному пространству для установки и рабочей среде высокого-напряжения внутри оборудования. Однако между этими двумя требованиями в производстве существует естественное противоречие.
Точность нанесения тонких покрытий трудно контролировать. Слой паяльной маски обычно обрабатывается трафаретной печатью или напылением, а из-за небольших неровностей и впадин на поверхности 12-слойной печатной платы тонкие покрытия склонны к «протечкам» или «неравномерной толщине». Например, при неправильном контроле давления скребка во время трафаретной печати толщина слоя паяльной маски на этапе может быть ниже стандартного значения. Однако тонкий слой паяльной маски может привести к снижению характеристик изоляции, а передача сигналов высокого-напряжения в полупроводниковом оборудовании подвержена пробоям, что приводит к выходу оборудования из строя.
Высокая изоляция предъявляет строгие требования к материалу и процессу отверждения паяльного резиста. При эксплуатации полупроводниковой техники печатные платы длительное время подвергаются воздействию высоких температур и могут контактировать с агрессивными газами. Резист для припоя должен обладать превосходной устойчивостью к высоким температурам и коррозии. Однако под тонкими покрытиями распределение отвердителя в паяльном резисте склонно к неравномерности, что приводит к недостаточной плотности поперечных-сшивок в некоторых областях после отверждения, а в условиях высоких-температурных сред может возникнуть растрескивание, что со временем приводит к быстрому ухудшению характеристик изоляции.
5. Контроль плоскостности: ключевое ограничение для последующей сборки и рассеивания тепла.
12-слойная печатная плата полупроводникового оборудования должна иметь чрезвычайно высокую плоскостность, в противном случае это повлияет на сцепление с микросхемами и радиаторами, что приведет к плохому рассеиванию тепла или отказу сборки. Однако многослойная структура и сложный процесс изготовления 12-слойных печатных плат делают контроль плоскостности «упрямой проблемой» в производстве.
С одной стороны, снятие напряжения после много-сжатия может привести к деформации платы. Во время многократного ламинирования 12-слойной печатной платы внутреннее напряжение материала каждого слоя постоянно накапливается. После охлаждения напряжение снимается, что может легко привести к изгибу платы в сторону более толстой стороны медной фольги. Особенно когда существует значительная разница в локальной толщине меди, коробление может значительно превысить требования, предъявляемые к полупроводниковому оборудованию.
С другой стороны, обработка-высокотемпературными последующими процессами усугубит проблему плоскостности. Такие процессы, как отверждение паяльной маски, необходимо проводить при определенной высокой температуре. При этой температуре печатная плата снова подвергнется термической деформации. Если напряжение не будет полностью снято раньше, деформация продолжит перекрываться. Для участков полупроводниковых устройств, требующих тесного контакта с радиаторами, отклонения от плоскостности могут привести к уменьшению площади контакта, снижению эффективности рассеивания тепла, повышению рабочей температуры чипа и сокращению срока службы устройства.
6. Испытания и ремонт: проблемы контроля качества в сложных конструкциях.
Процесс производства 12-слойной печатной платы для полупроводникового оборудования требует 100% полной проверки, но из-за сложной структуры некоторые дефекты трудно обнаружить, а сложность ремонта чрезвычайно высока, что становится основной трудностью при контроле качества.
В процессе проверки дефекты внутреннего слоя 12-слойной печатной платы трудно обнаружить с помощью обычного внешнего контроля и требуют обнаружения рентгеновским излучением и ультразвукового сканирования. Однако рентгеновское обнаружение имеет ограниченную скорость распознавания небольших дефектов и не может определить состояние связи между стенкой отверстия и внутренней медной фольгой; Хотя ультразвуковое сканирование может обнаружить межслоевое соединение, разрешение сканирования может снизиться из-за толщины 12 слоев, из-за чего могут быть пропущены локальные участки отслоения. Эти необнаруженные дефекты будут постепенно расширяться в ходе длительной-эксплуатации полупроводникового оборудования, что в конечном итоге приведет к сбоям в работе схемы.
Проблема в процессе ремонта еще больше. Если во внутреннем слое обнаружено короткое замыкание или плохое покрытие микроотверстий, 12-слойную печатную плату необходимо «отремонтировать слой за слоем», то есть слой изоляции и медную фольгу снимают слой за слоем, дефекты устраняются, а затем повторно прессуются. Однако в процессе наслаивания высокие температуры и химические реагенты могут легко повредить окружающие неповрежденные слои, что приведет к снижению успешности ремонта. Даже если ремонт пройдет успешно, в репрессированной области все равно могут возникнуть новые концентрации напряжений. В условиях вибрации полупроводникового оборудования на месте ремонта могут возникать трещины, что становится новой потенциальной опасностью неисправности.