Ces dernières années, avec le développement rapide des produits électroniques liés à la vidéo numérique et aux communications mobiles numériques, l’évolution de ce type de produits pousse les circuits imprimés (PCB) vers plus de légèreté, de finesse, de miniaturisation, de multifonctionnalité ainsi que vers une densité et une fiabilité accrues. L’espace de routage limité sur les PCB entraîne un espacement réduit entre les vias, les pistes, ainsi qu’entre les pistes et les vias, et l’apparition du procédé de remplissage des vias par cuivre permet d’augmenter la densité des PCB d’environ 10 % à 30 %. La figure 1 montre une carte HDI (High Density Interconnection) basée sur le remplissage des vias par cuivre.
Puisque la conception des vias est capable d’économiser considérablement l’espace de routage etvias borgnesremplies de cuivre présentent une grande fiabilité, les vias borgnes avec remplissage de cuivre par placage offrent de nombreux avantages. De plus, ce procédé est relativement simple, économique et comporte une procédure simplifiée. En raison des mérites mentionnés ci-dessus, les vias borgnes avec remplissage de cuivre par placage seront largement appliqués dansFabrication de circuits imprimés HDI, considéré comme une tendance émergente dans le domaine des PCB. Cependant, certains problèmes surviennent encore lors de l’application de vias borgnes avec remplissage de cuivre par placage, notamment des cavités extrêmement importantes, des fuites et des vides internes dans les vias. Véritable casse-tête pour les fabricants de PCB, de nombreux facteurs complexes contribuent à la formation de vides à l’intérieur des vias. Cet article examinera les causes de ces vides internes et proposera des mesures correspondantes pour y remédier, afin d’éliminer ces défaillances et d’augmenter le rendement des produits.
Analyse de défaillance
De nombreux éléments provoquent des cavités vides dans les vias borgnes lors du placage de remplissage au cuivre, et chaque élément doit être analysé du point de vue de ses caractéristiques et de son mécanisme de formation afin d’optimiser l’effet.
• Bulles dans les vias borgnes
Les sources de bulles proviennent d’apports externes et de réactions internes. En général, un flash de placage doit être réalisé sur les PCB avant le placage de remplissage au cuivre afin de renforcer la conductivité des vias et de faciliter le stockage. Une oxydation sévère des vias a tendance à se produire si les circuits restent exposés à l’air trop longtemps, de sorte que le temps de séjour ne doit pas être trop long. En d’autres termes, un mauvais prétraitement entraînera la non‑élimination des bulles dans les vias et l’oxydation de la surface, ce qui augmente fortement le taux de cavités vides dans les vias borgnes, comme indiqué à la Figure 2.
L’apparition de bulles réside également dans la réaction anodique dans le réservoir de cuivre et la réactionH2O → 1/2O2+ 2e-+ 2H+aura lieu sur l’anode lorsqu’une anode insoluble est utilisée. Sur la base de cette réaction, on peut en conclure que de l’oxygène s’échappera de l’anode insoluble, entraînant une forte compensation en additifs et une augmentation de la durée de vie de l’anode, voire la passivation de l’anode et des défauts de PCB. Par conséquent, pour résoudre ce problème, une quantité modérée de sulfate ferreux est ajoutée à la solution de placage afin d’éliminer l’oxygène s’échappant de l’anode lorsque la réaction anodique suit ces deux réactions :Fe2+→ Fer3++ e-,Fer3++ Cu → Fe2++ e-.
Pour assurer une mise en œuvre fluide de la réaction, il est nécessaire d’ajouter en continu du cuivre dans la solution de placage, généralement sous forme de poudre d’oxyde cuivrique. Parallèlement, afin de réduire la réaction parasite sur la cathode, des exigences plus élevées doivent être imposées en ce qui concerne l’écoulement de la solution de placage et le matériau de la cathode doit être amélioré.
Ce type de défaillance causé par une cavité vide se produit généralement au fond des vias borgnes, présentant des formes symétriques et régulières. Pour améliorer ce problème, des mesures peuvent être prises des aspects suivants :
a. Le temps de séjour et l’environnement de stockage doivent être strictement contrôlés avant le placage de remplissage au cuivre. En général, pour les circuits imprimés sans placage flash, le placage de remplissage au cuivre doit être terminé dans un délai de 4 heures, tandis que pour les circuits imprimés ayant reçu un placage flash, il doit être terminé dans un délai de 12 heures. Les circuits doivent être stockés loin de tout environnement acide et, si possible, il est préférable de les conserver dans des locaux climatisés permettant de contrôler la température et l’humidité de la pièce.
b. L’effet de prétraitement doit être amélioré et des dispositifs nécessaires d’élimination des bulles doivent être ajoutés. Le prétraitement est extrêmement important, car le placage de remplissage au cuivre après prétraitement est directement lié à l’effet de remplissage. Pour garantir l’effet de prétraitement, il est recommandé de choisir un agent de dégraissage acide et d’augmenter de manière appropriée le débit d’eau. De plus, en hiver, lorsque la température de l’eau est relativement basse (inférieure à 15 °C), il convient d’ajouter une petite quantité d’acide sulfurique pour le rinçage après l’application du dégraissage, ou d’ajouter des dispositifs de chauffage afin d’assurer l’effet de rinçage. En outre, un dispositif de vibration et une vanne à clapet d’air peuvent être installés sur le réservoir de prétraitement afin d’éliminer les bulles dans les vias.
c. Sélection du matériau d’anode du bain de cuivre et contrôle des paramètres de courant. Sur la base de la deuxième source de bulles, il est très important de sélectionner un matériau d’anode approprié pour le bain de cuivre. Le matériau d’anode doit contribuer à l’amélioration des performances de l’anode et à la réduction de la consommation d’additifs. Lorsque les paramètres de courant sont trop élevés, les réactions à l’anode seront accélérées, de sorte que le nombre de bulles augmentera. Dans ces conditions, les bulles pénètrent dans les vias borgnes lorsqu’elles s’échappent et ne peuvent pas être éliminées des vias. Par conséquent, en plus de la sélection du matériau d’anode et du contrôle des paramètres de courant, il est nécessaire d’ajouter un sac d’anode ou une couche de protection à l’extérieur du treillis d’anode afin d’empêcher les bulles générées par l’anode de pénétrer directement dans la solution de placage.
• Déséquilibre des composants additifs
Les composants de la solution de placage de remplissage au cuivre comprennent le sulfate de cuivre, l’acide sulfurique, l’ion chlorure et les additifs, et l’effet de remplissage à l’intérieur des vias borgnes est obtenu grâce au mécanisme d’action entre les composants de la solution de placage. Les additifs jouent chacun leur propre rôle dans le processus de placage, de manière mutuelle et indépendante. L’agent de brillantage agit sur les caractéristiques d’adsorption ou les propriétés électriques à l’interface de l’électrode et modifie la forme et les propriétés des dépôts afin d’obtenir la surface de placage souhaitée. L’agent de transport est capable de pousser l’agent de brillantage à se déplacer vers chaque zone de répartition des creux cathodiques. Cependant, il ne fonctionne qu’avec l’aide des ions chlorure. L’agent de transport est chargé de rendre uniforme une répartition inégale grâce à ses capacités de nivellement et de dépôt uniforme. L’agent de nivellement a tendance à être adsorbé par les zones présentant une électronégativité relativement forte, car il est fortement électropositif en solution acide. Il rend alors difficile la déposition des ions cuivre dans les zones de forte densité de dépôt, en raison de la compétition avec les ions cuivre chargés positivement, de sorte que le cuivre se dépose plus facilement dans les zones de faible densité.
Il est très important de contrôler les composants et la quantité d’additifs, et l’absence de contrôle des composants entraîne un mauvais remplissage en cuivre des vias borgnes ou des cavités vides, comme le montre la Figure 3.
La solution à l’échec de la cavité vide causé par cette raison réside dans le contrôle des composants additifs et de la quantité d’additifs, y compris :
a. Le débit d’additif doit être calibré périodiquement afin de garantir un débit précis et de permettre ainsi un contrôle efficace.
b. Le traitement au charbon doit être effectué périodiquement sur la solution en fonction de l’état de pollution du bain de placage.
c. Les composants de l’agent sont analysés périodiquement et la teneur en additifs ainsi que l’effet de dépôt doivent être évalués par une expérience en cellule de Hull afin de vérifier si l’effet de dépôt se situe dans la plage normale, et les ajustements correspondants doivent être effectués en temps voulu.
• Cause de corps étranger
L’environnement des lignes de procédé de placage de remplissage au cuivre, les fournitures utilisées et les activités de production quotidiennes entraînent tous des pollutions de degrés divers. Toutes sortes de corps étrangers ou de contaminants sont inévitables. Pour les micro-corps étrangers, ils sont invisibles à l’œil nu et il est extrêmement difficile de les éliminer. Une fois qu’ils pénètrent dans les vias borgnes, une cavité vide a tendance à se former, comme le montre la Figure 4 ci-dessous.
Pour cette cavité vide défectueuse dans les vias borgnes, la cause est facile à identifier. Grâce au MEB, la forme de la cavité vide dans les vias borgnes peut être observée. Par conséquent, les mesures pour trouver la source des matières étrangères comprennent :
a. Les matières étrangères extérieures sont empêchées de pénétrer dans la solution de placage et l’utilisation d’une ligne de procédé fermée est recommandée.
b. Estimer si les matériaux appliqués ou la pureté de l’agent atteignent la norme et si cela répond à l’exigence deFabrication de circuits imprimés.
c. Une filtration périodique et une pureté adéquate doivent être appliquées à l’agent de placage afin de garantir l’éclat et la netteté de la couleur.
Conclusion
Bien entendu, les causes de cavités vides dans les vias borgnes sont bien plus nombreuses que celles énumérées, et il existe de nombreux facteurs en jeu, notamment la classification des matériaux selon leur constante diélectrique, l’épaisseur, le type de via borgne et les paramètres de courant du placage électrique.
En conclusion, l’essentiel est d’identifier la cause de la formation de cavités vides dans les vias borgnes lorsqu’on est confronté à ce type de défaillance. Parallèlement, il est judicieux d’observer la forme de ces cavités vides et de capitaliser l’expérience acquise, afin de dégager les règles pertinentes et de mener des recherches en recourant à toutes sortes de méthodes d’analyse. En outre, sur la base du mécanisme de formation de ces cavités vides, des directives opérationnelles scientifiques doivent être établies et les règles d’amélioration et de prévention doivent être strictement appliquées, de manière à résoudre les problèmes et à augmenter en continu le rendement et la fiabilité des produits.
Ressources utiles
•Introduction sur les vias borgnes
•3 éléments importants que vous ne connaissez pas sur les vias enterrés et borgnes dans les circuits imprimés flex-rigides HDI
•Introduction d’une nouvelle méthode de remplissage de trous borgnes : remplissage de trous borgnes par placage de panneau
•Comment concevoir des vias borgnes/enterrés dans les circuits numériques à haute vitesse
•Service complet de fabrication de PCB par PCBCart - Multiples options à valeur ajoutée
•Service avancé d’assemblage de PCB par PCBCart - À partir d’une seule pièce
