قابلیت اطمینان میکروویا در بردهای مدار چاپی HDI: بهترین روش‌های تولید و پیشگیری از خرابی

تصاویر تایید شده توسط مشتری

در بردهای مدار چاپی با اتصال متراکم (HDI)، میکروویاها قهرمانان گمنام مینیاتوری‌سازی هستند. این سوراخ‌های ریز - که اغلب از موی انسان نازک‌تر هستند (50 تا 150 میکرومتر) - اتصالات لایه‌ای متراکمی را امکان‌پذیر می‌کنند که الکترونیک مدرن را ممکن می‌سازد، از تلفن‌های هوشمند 5G گرفته تا ایمپلنت‌های پزشکی. اما با تراکم زیاد، مسئولیت زیادی نیز همراه است: یک نقص در میکروویا می‌تواند کل دستگاه را از کار بیندازد و منجر به فراخوان‌های پرهزینه یا خطرات ایمنی شود. برای مهندسان و تولیدکنندگان، درک قابلیت اطمینان میکروویا - چه چیزی باعث خرابی می‌شود، چگونه می‌توان از آن جلوگیری کرد و چگونه می‌توان نقاط ضعف را آزمایش کرد - برای ارائه بردهای مدار چاپی HDI با عملکرد بالا بسیار مهم است. این راهنما علم قابلیت اطمینان میکروویا را، از طراحی تا تولید، تجزیه و تحلیل می‌کند و استراتژی‌های عملی را برای اطمینان از اینکه این اجزای کوچک در برابر آزمون زمان مقاومت می‌کنند، ارائه می‌دهد.​

نکات کلیدی​
   1. میکروویاها به دلیل نقص‌های تولیدی (خلاء، آبکاری ضعیف)، تنش مکانیکی (خم شدن، چرخه حرارتی) و عدم تطابق مواد - که باعث 35 تا 40 درصد از خرابی‌های میدانی بردهای مدار چاپی HDI می‌شود - از کار می‌افتند.​
   2. میکروویاهای قابل اعتماد به سوراخ‌کاری دقیق (تلرانس ±5 میکرومتر)، آبکاری یکنواخت (پوشش 95٪+) و مواد سازگار (زیرلایه‌های CTE کم، مس انعطاف‌پذیر) نیاز دارند.​
   3. لمیناسیون متوالی و سوراخ‌کاری لیزری نرخ خرابی را 60 درصد در مقایسه با روش‌های تولید سنتی کاهش می‌دهد.​
   4. آزمایش - از جمله تجزیه و تحلیل مقطعی، چرخه حرارتی و آزمایش خمشی - 90 درصد از نقص‌های نهفته میکروویا را قبل از رسیدن به میدان شناسایی می‌کند.​

میکروویاها چه هستند و چرا حیاتی هستند؟​
میکروویاها سوراخ‌های کوچک و آبکاری شده در بردهای مدار چاپی HDI هستند که لایه‌های مسی را بدون نفوذ به کل برد به هم متصل می‌کنند. آنها در سه نوع اصلی وجود دارند:​
   میکروویاهای کور: یک لایه بیرونی را به یک یا چند لایه داخلی متصل می‌کنند اما به سمت مخالف نمی‌روند.​
   میکروویاهای مدفون: دو یا چند لایه داخلی را به هم متصل می‌کنند و از دید پنهان هستند.​
   میکروویاهای انباشته: چندین میکروویا به صورت عمودی روی هم قرار گرفته‌اند تا سه یا چند لایه را به هم متصل کنند و نیاز به سوراخ‌های بزرگ‌تر را کاهش دهند.​
نقش آنها در طرح‌های HDI غیرقابل جایگزین است:​
   بهره‌وری فضا: میکروویاها 1/10 فضای ویای سنتی را اشغال می‌کنند و تراکم اجزای 3 تا 5 برابر بیشتر را امکان‌پذیر می‌کنند.​
   عملکرد سیگنال: مسیرهای کوتاه و مستقیم، تلفات سیگنال را 40 درصد در مقایسه با اتصالات طولانی‌تر و 绕路 در بردهای مدار چاپی سنتی کاهش می‌دهند.​
   قابلیت اطمینان: اتصالات کمتر و مسیرهای کوتاه‌تر، خطرات خرابی را در دستگاه‌های مستعد لرزش (به عنوان مثال، حسگرهای خودرو) کاهش می‌دهند.​
در یک برد مدار چاپی HDI 12 لایه برای یک ایستگاه پایه 5G، یک اینچ مربع ممکن است حاوی 500+ میکروویا باشد - که هر کدام برای حفظ سرعت سیگنال 100 گیگابیت بر ثانیه حیاتی هستند. نرخ خرابی 1٪ در این سناریو، 5 واحد از هر 100 واحد را غیرقابل استفاده می‌کند.​

علل رایج خرابی میکروویاها​
میکروویاها زمانی از کار می‌افتند که نقص‌های تولیدی یا استرس‌زاهای محیطی از محدودیت‌های مکانیکی یا الکتریکی آنها فراتر روند. در زیر رایج‌ترین حالت‌های خرابی آمده است:​
1. نقص‌های تولیدی​
حتی عیوب کوچک در تولید می‌تواند منجر به خرابی‌های فاجعه‌بار شود:​
   الف. خلاء در آبکاری: حباب‌های هوا یا آلاینده‌های به دام افتاده در حین آبکاری مس، نقاط ضعفی با مقاومت بالا ایجاد می‌کنند. خلاء >5٪ از حجم ویا، خطر خرابی را 70٪ افزایش می‌دهد.​
   ب. آبکاری کم: مس نازک یا ناهموار (≤10 میکرومتر) در میکروویاها مقاومت را افزایش می‌دهد و منجر به گرم شدن بیش از حد و مدار باز تحت جریان بالا می‌شود.​
   ج. عدم هم‌ترازی سوراخ‌کاری: میکروویاهای خارج از مرکز سوراخ‌کاری شده (بیش از 10 میکرومتر) ممکن است فقط تا حدی به مسیرها متصل شوند و باعث اتصالات متناوب شوند.​
   د. لکه رزین: زباله‌های حاصل از سوراخ‌کاری (رزین یا فایبرگلاس) که در داخل میکروویاها باقی مانده‌اند، مس را عایق می‌کنند و جریان را مسدود می‌کنند.​
یک مطالعه توسط IPC نشان داد که 60٪ از خرابی‌های میکروویا به نقص‌های تولیدی برمی‌گردد و کنترل فرآیند را به خط اول دفاعی تبدیل می‌کند.​

2. تنش مکانیکی​
میکروویاها در استفاده واقعی با تنش مکانیکی مداوم مواجه هستند:​
  الف. چرخه حرارتی: بردهای مدار چاپی HDI با تغییرات دما منبسط و منقبض می‌شوند (40- درجه سانتی‌گراد تا 125 درجه سانتی‌گراد در کاربردهای خودرو). ضریب انبساط حرارتی (CTE) نامتناسب بین مس (17ppm/درجه سانتی‌گراد) و زیرلایه‌ها (FR-4: 14 تا 20ppm/درجه سانتی‌گراد) تنشی ایجاد می‌کند که آبکاری میکروویا را ترک می‌زند.​
  ب. خم شدن/انعطاف‌پذیری: در بردهای مدار چاپی HDI انعطاف‌پذیر (به عنوان مثال، تلفن‌های تاشو)، میکروویاها در مناطق انعطاف‌پذیر خم شدن مکرر را تحمل می‌کنند. یک میکروویای 0.1 میلی‌متری در شعاع خم 0.5 میلی‌متری می‌تواند پس از 10000 چرخه در صورت عدم طراحی صحیح، ترک ایجاد کند.​
  ج. لرزش: در دستگاه‌های هوافضا یا صنعتی، لرزش‌های 20G می‌تواند اتصالات میکروویا را شل کند، به خصوص اگر آبکاری نازک یا ناهموار باشد.​

3. ناسازگاری مواد​
میکروویاها به پیوندهای قوی بین مواد متکی هستند - خرابی‌ها زمانی رخ می‌دهند که این پیوندها شکسته شوند:​
  الف. چسبندگی ضعیف: پیوند ضعیف بین آبکاری مس و زیرلایه (به عنوان مثال، FR-4 یا پلی‌امید) باعث لایه‌برداری می‌شود، به خصوص تحت تنش حرارتی.​
  ب. عدم تطابق CTE: زیرلایه‌های با CTE بالا (به عنوان مثال، FR-4 استاندارد) در حین گرم شدن بیشتر از مس منبسط می‌شوند و میکروویاها را از هم جدا می‌کنند.​
  ج. خوردگی: رطوبت یا مواد شیمیایی (به عنوان مثال، باقیمانده‌های شار) به آبکاری میکروویا نفوذ می‌کنند، مس را اکسید می‌کنند و مقاومت را افزایش می‌دهند.​

چگونه فرآیندهای تولید بر قابلیت اطمینان میکروویا تأثیر می‌گذارند​
مسیر رسیدن به میکروویاهای قابل اعتماد از کارخانه شروع می‌شود. مراحل کلیدی تولید - سوراخ‌کاری، آبکاری و لمیناسیون - مستقیماً بر نرخ خرابی تأثیر می‌گذارند.​

1. سوراخ‌کاری: دقت مهم است​
میکروویاها با استفاده از روش‌های لیزری یا مکانیکی سوراخ می‌شوند، اما سوراخ‌کاری لیزری برای قابلیت اطمینان غالب است:​
  الف. سوراخ‌کاری لیزری: لیزرهای UV (طول موج 355 نانومتر) سوراخ‌های تمیز و دقیقی با تلرانس ±5 میکرومتر، حداقل لکه رزین و دیواره‌های صاف ایجاد می‌کنند - ایده‌آل برای میکروویاهای 50 تا 100 میکرومتر.​
  ب. سوراخ‌کاری مکانیکی: برای میکروویاهای بزرگ‌تر (100 تا 150 میکرومتر) کار می‌کند اما خطر لکه رزین و دیواره‌های ناهموار را دارد و نقص‌های آبکاری را افزایش می‌دهد.​

2. آبکاری: اطمینان از پوشش یکنواخت​
آبکاری مس شریان حیاتی میکروویاها است - بدون یک لایه پیوسته و ضخیم، آنها جریان را هدایت نمی‌کنند. آبکاری قابل اعتماد نیاز دارد:​
  الف. رسوب مس بدون الکترولیز: یک لایه پایه نازک (0.5 تا 1 میکرومتر) که به دیواره‌های ویا می‌چسبد و اطمینان حاصل می‌کند که آبکاری الکتریکی بعدی می‌چسبد.​
  ب. آبکاری الکتریکی: ایجاد ضخامت مس به 15 تا 25 میکرومتر (حداقل) برای هدایت و استحکام. آبکاری باید یکنواخت باشد، بدون «سوراخ سوزنی» یا خلاء.​
  ج. بازپخت: گرم کردن مس تا 150 تا 200 درجه سانتی‌گراد برای کاهش شکنندگی، که برای مقاومت در برابر چرخه حرارتی بسیار مهم است.​
استانداردهای IPC به پوشش آبکاری 95٪+ نیاز دارند - ویاهایی با <90٪ پوشش در آزمایش‌های میدانی 5 برابر بیشتر از کار می‌افتند.​

3. لمیناسیون: متوالی در مقابل سنتی​
لمیناسیون (چسباندن لایه‌ها به هم) بر هم‌ترازی و تنش میکروویا تأثیر می‌گذارد:​
  الف. لمیناسیون متوالی: ساخت لایه‌های HDI یک‌باره، با هر لایه جدید که با استفاده از نشانگرهای لیزری با لایه قبلی هم‌تراز می‌شود. این هم‌ترازی ±5 میکرومتر را به دست می‌آورد و از عدم هم‌ترازی میکروویا که باعث اتصال کوتاه یا باز شدن می‌شود، جلوگیری می‌کند.​
  ب. لمیناسیون دسته‌ای: فشار دادن تمام لایه‌ها به طور همزمان، که خطر عدم هم‌ترازی ±25 میکرومتر را دارد - برای بردهای مدار چاپی سنتی قابل قبول است اما برای میکروویاها در HDIهای 8+ لایه کشنده است.​
لمیناسیون متوالی نرخ خرابی میکروویا را 60٪ در بردهای مدار چاپی HDI 12 لایه کاهش می‌دهد و آن را برای کاربردهای هوافضا و پزشکی استاندارد می‌کند.​

استراتژی‌های طراحی برای افزایش قابلیت اطمینان میکروویا​
مهندسان می‌توانند با انتخاب‌های طراحی فعال از خرابی‌ها جلوگیری کنند:​
1. اندازه و قرارگیری میکروویا را بهینه کنید​
  الف. اندازه: میکروویاهای بزرگ‌تر (100 تا 150 میکرومتر) نسبت به میکروویاهای کوچک‌تر (50 تا 75 میکرومتر) در برابر تغییرات تولیدی انعطاف‌پذیرتر هستند اما فضای بیشتری را اشغال می‌کنند. تعادل تراکم با قابلیت اطمینان - برای اکثر برنامه‌ها از 75 تا 100 میکرومتر استفاده کنید.​
  ب. فاصله: میکروویاها را حداقل 2 برابر قطرشان از هم دور نگه دارید (به عنوان مثال، فاصله 150 میکرومتر برای ویاهای 75 میکرومتر) تا از تداخل و تنش مکانیکی جلوگیری شود.​
  ج. مناطق خمشی: در بردهای مدار چاپی HDI انعطاف‌پذیر، میکروویاها را 500 میکرومتر+ دورتر از محورهای خمشی قرار دهید تا تنش ناشی از خم شدن کاهش یابد.​

2. مواد سازگار را انتخاب کنید​
  الف. زیرلایه‌ها: از مواد CTE کم (به عنوان مثال، Rogers RO4350، CTE 14ppm/درجه سانتی‌گراد) برای به حداقل رساندن تنش حرارتی استفاده کنید. برای مناطق انعطاف‌پذیر، پلی‌امید (CTE 20ppm/درجه سانتی‌گراد) با مس بهتر از پلی‌استر مطابقت دارد.​
  ب. نوع مس: مس نورد شده (در مقابل الکترودپوزیت) انعطاف‌پذیرتر است و در برابر ترک خوردن در حین خم شدن یا چرخه حرارتی مقاومت می‌کند.​
  ج. چسب‌ها: از چسب‌های اپوکسی یا اکریلیک با CTE نزدیک به مس (17ppm/درجه سانتی‌گراد) برای کاهش لایه‌برداری استفاده کنید.​

3. مناطق پرفشار را تقویت کنید​
  الف. ویاهای حرارتی: ویاهای حرارتی بزرگ‌تر (100 میکرومتر) را در نزدیکی منابع گرما (به عنوان مثال، تقویت‌کننده‌های قدرت) اضافه کنید تا گرما را دفع کنند و تنش حرارتی روی میکروویاهای سیگنال را کاهش دهند.​
  ب. پدهای مسی: میکروویاها را با پدهای مسی 50 تا 100 میکرومتر احاطه کنید تا تنش را توزیع کرده و چسبندگی به زیرلایه را بهبود بخشید.​
  ج. از زوایای 90 درجه خودداری کنید: مسیرها را با زاویه 45 درجه به میکروویاها هدایت کنید تا ازدحام جریان را کاهش دهید، که باعث ایجاد نقاط داغ می‌شود.​

روش‌های آزمایش برای اعتبار سنجی قابلیت اطمینان میکروویا​
هیچ طرحی بدون آزمایش دقیق برای گرفتن نقص‌های نهفته کامل نیست:​
1. تجزیه و تحلیل مقطعی​
برش میکروویاها و بررسی آنها زیر میکروسکوپ نشان می‌دهد:​
  ضخامت و یکنواختی آبکاری.​
  خلاء، سوراخ سوزنی یا لکه رزین.​
  چسبندگی بین مس و زیرلایه.​
IPC-TM-650 2.1.1 به مقاطع عرضی برای تأیید ضخامت آبکاری ≥15 میکرومتر و <5٪ مساحت خلاء نیاز دارد.​

2. چرخه حرارتی​
بردهای مدار چاپی HDI را در معرض 40- درجه سانتی‌گراد تا 125 درجه سانتی‌گراد برای 1000+ چرخه قرار دهید، سپس مقاومت میکروویا را آزمایش کنید. افزایش مقاومت >10٪ نشان‌دهنده ترک خوردن آبکاری است.​

3. آزمایش خمشی​
برای بردهای مدار چاپی HDI انعطاف‌پذیر:​
  نمونه‌ها را 10000+ بار در شعاع 1 برابر ضخامت برد خم کنید.​
  میکروویاها را با استفاده از یک تستر پیوستگی برای باز شدن بررسی کنید.​
میکروویاهای قابل اعتماد باید پس از آزمایش هیچ تغییری در مقاومت نشان ندهند.​

4. بازرسی با اشعه ایکس​
اسکن‌های سه بعدی با اشعه ایکس عیوب پنهان را تشخیص می‌دهند:​
  هم‌ترازی میکروویاهای انباشته (باید در ±5 میکرومتر باشد).​
  خلاء در میکروویاهای لایه داخلی (ویاهای مدفون).​
  تغییرات ضخامت آبکاری.​

5. آزمایش لحیم‌کاری​
میکروویاها باید لحیم‌پذیری را در حین مونتاژ حفظ کنند:​
با IPC-TM-650 2.4.12 (آزمایش غوطه‌وری در لحیم) آزمایش کنید تا اطمینان حاصل شود که لحیم به طور مساوی خیس می‌شود، بدون جدا شدن (علامتی از اکسیداسیون یا آلودگی).​

موارد خرابی واقعی و راه‌حل‌ها​
1. خرابی حسگر ADAS خودرو​
یک تامین‌کننده سطح 1 با 15٪ خرابی میدانی در حسگرهای راداری مبتنی بر HDI مواجه شد که به ترک‌های میکروویا مربوط می‌شد.​
  علت اصلی: سوراخ‌کاری لیزر CO₂ لکه رزین را در 10٪ از میکروویاهای 75 میکرومتر باقی گذاشت و از آبکاری مناسب جلوگیری کرد.​
  راه‌حل: به سوراخ‌کاری لیزر UV تغییر یافت و لکه رزین به <2٪ و خرابی‌ها به <1٪ کاهش یافت.​

2. خرابی‌های منطقه انعطاف‌پذیر تلفن تاشو​
یک سازنده گوشی هوشمند پس از 10000 تاخوردگی در بردهای مدار چاپی HDI انعطاف‌پذیر، باز شدن میکروویاها را مشاهده کرد.​
  علت اصلی: میکروویاها خیلی نزدیک به محورهای خمشی (200 میکرومتر در مقابل 500 میکرومتر توصیه شده) قرار داشتند که در حین خم شدن ترک خوردند.​
  راه‌حل: میکروویاها را جابه‌جا کرد و از مس نورد شده استفاده کرد و امکان 100000+ تاخوردگی بدون خرابی را فراهم کرد.​

3. مسائل مربوط به قابلیت اطمینان ایمپلنت‌های پزشکی​
یک برد مدار چاپی ضربان‌ساز در حین تأیید به دلیل خوردگی میکروویا از کار افتاد.​
  علت اصلی: باقیمانده‌های شار به دام افتاده در میکروویاها با مایعات بدن واکنش نشان دادند و باعث اکسیداسیون مس شدند.​
  راه‌حل: یک مرحله تمیز کردن پس از آبکاری (حمام اولتراسونیک + آب DI) و پوشش انطباقی اضافه شد و آزمایش‌های دوام 5 ساله را پشت سر گذاشت.​

سوالات متداول​
س: کوچک‌ترین اندازه میکروویایی که می‌توان با اطمینان تولید کرد چیست؟​
پاسخ: تولیدکنندگان تجاری با اطمینان میکروویاهای 50 میکرومتر را با سوراخ‌کاری لیزر UV تولید می‌کنند، اما بازده برای ویاهای 30 تا 40 میکرومتر به زیر 90٪ می‌رسد. اکثر برنامه‌های با قابلیت اطمینان بالا از 75 تا 100 میکرومتر برای تعادل اندازه و بازده استفاده می‌کنند.​

س: میکروویاهای انباشته چگونه بر قابلیت اطمینان تأثیر می‌گذارند؟​
پاسخ: میکروویاهای انباشته (اتصال 3+ لایه) بیشتر از میکروویاهای تک به عدم هم‌ترازی مستعد هستند. از لمیناسیون متوالی و بررسی‌های هم‌ترازی با اشعه ایکس برای اطمینان از 10 میکرومتر خطر خرابی را 80٪ افزایش می‌دهند.​

س: آیا میکروویاها در صورت معیوب بودن قابل تعمیر هستند؟​
پاسخ: خیر - هنگامی که یک میکروویا آبکاری شد، نقص‌هایی مانند خلاء یا ترک‌ها قابل تعمیر نیستند. پیشگیری کلیدی است: کنترل فرآیند دقیق و بازرسی 100٪ از میکروویاهای بحرانی (به عنوان مثال، در دستگاه‌های پزشکی) ضروری است.​

س: میکروویاها در محیط‌های سخت چقدر دوام می‌آورند؟​
پاسخ: با طراحی و تولید مناسب، میکروویاها در بردهای مدار چاپی خودرو یا هوافضا باید 10 تا 20 سال دوام بیاورند. در ایمپلنت‌های پزشکی، پوشش‌های سازگار با زیست (به عنوان مثال، پارایلن) طول عمر را به 15+ سال افزایش می‌دهند.​

س: آیا میکروویاها بر یکپارچگی سیگنال در فرکانس‌های بالا تأثیر می‌گذارند؟​
پاسخ: بله - میکروویاهای با طراحی ضعیف (با دیواره‌های ناهموار یا آبکاری ناهموار) باعث انعکاس و تلفات سیگنال در >10 گیگاهرتز می‌شوند. از میکروویاهای سوراخ‌کاری شده با لیزر با دیواره‌های صاف و زیرلایه‌های کم‌افت (به عنوان مثال، Rogers) برای حفظ یکپارچگی تا 100 گیگابیت بر ثانیه استفاده کنید.​

نتیجه‌گیری​
میکروویاها ستون فقرات بردهای مدار چاپی HDI هستند و تراکم و عملکردی را که الکترونیک مدرن را تعریف می‌کند، امکان‌پذیر می‌کنند. قابلیت اطمینان آنها به تعادل شکننده‌ای از تولید دقیق، طراحی هوشمندانه و آزمایش دقیق بستگی دارد. با درک حالت‌های خرابی - از خلاءهای آبکاری گرفته تا تنش حرارتی - و اجرای راه‌حل‌هایی مانند سوراخ‌کاری لیزر UV، لمیناسیون متوالی و تطبیق مواد، تولیدکنندگان می‌توانند میکروویاهایی تولید کنند که در برابر دهه‌ها استفاده در سخت‌ترین محیط‌ها مقاومت کنند. برای مهندسان، نتیجه‌گیری واضح است: با میکروویاها نه به عنوان افکار بعدی، بلکه به عنوان اجزای حیاتی که به همان توجه به جزئیات به عنوان پیشرفته‌ترین ICها نیاز دارند، رفتار کنید. در دنیای بردهای مدار چاپی HDI، کوچک‌ترین ویژگی‌ها اغلب بزرگ‌ترین موفقیت‌ها را تعیین می‌کنند.​