HDI PCBにおけるマイクロビアの信頼性：製造上のベストプラクティスと故障防止

顧客が人間化したイメージ

高密度インターコネクト (HDI) の PCB では マイクロヴィアがミニチュア化で 名誉のないヒーローですこの小さな穴は 人間の髪の毛 (50~150μm) ほど 広いものでもあり 現代の電子機器を可能にする 密度の高い層の接続を可能にします5Gスマートフォンから医療インプラントまで 高い密度には大きな責任があります 単一のマイクロネットワークの故障が デバイス全体を無効にしたり 高額なリコールや安全リスクを引き起こす可能性がありますエンジニアや製造業者向け低性能HDIPCBの提供には,マイクロネットワークの信頼性―障害の原因,障害の予防方法,欠陥の検査方法―を理解することが不可欠です.このガイドはマイクロヴィア信頼性の科学を分解しています設計から製造まで,これらの小さな部品が時間の試練に耐えられるようにするための実行可能な戦略を提供します.

重要な教訓
1製造の欠陥 (真空,不適切な塗装),機械的ストレス (屈曲,熱循環),および材料の不一致により,マイクロバイアが故障します.これはHDI PCBのフィールド障害の35%~40%を引き起こします.
2信頼性の高いマイクロボイアには精密な掘削 (±5μmの許容度),均質な塗装 (95%以上カバー) と互換性のある材料 (CTEが低い基板,柔らかい銅) が必要です.
3配列ラミネーションとレーザードリリングは,従来の製造方法と比較して失敗率を60%削減します.
4横断解析,熱循環,曲線テストを含むテストは,フィールドに到達する前に 90%の潜伏した微波欠陥を特定します.

微生物 は 何 で,なぜ 極めて 重要 です か
マイクロホールは,HDI PCBの小さな,プレートされた穴で,板全体に浸透することなく銅層を接続する.それらは3つの主なタイプがあります:
盲目マイクロビヤ:外層を内層1つまたはそれ以上と接続し,反対側から短く止まる.
埋もれた微生物: 2つ以上の内層を接続し,視界から隠します.
積み重ねたマイクロビヤ:三層以上を連結するために垂直に積み重ねられた複数のマイクロビヤで,より大きな透孔の必要性が軽減されます.
HDIの設計において,それらの役割は不可避です.
空間効率:マイクロバイアスは,伝統的な透孔バイアスの10分の"のスペースを占め,コンポーネント密度が3倍5倍に増加します.
シグナル性能: 短く直線路は,従来のPCBの長い回路接続と比較して 40%の信号損失を軽減します.
信頼性: 接続器の数が少なく,痕跡が短くなれば,振動に敏感な装置 (例えば自動車センサー) の故障リスクが低くなります.
5Gベースステーション用の12層HDIPCBでは,1平方インチに500+のマイクロバイアスが含まれ,それぞれが100Gbpsの信号速度を維持するために重要です.このシナリオでは,1%の失敗率で, 100台に5台が動作不能になります...

微生物 が 機能 し ない 原因
製造の欠陥や環境ストレスが機械的または電気的限界を超えるとマイクロヴィアが故障します.以下は最も一般的な故障モードです.
1製造上の欠陥
生産の微小な欠陥でさえ 壊滅的な失敗につながります
a.塗装中の空白:銅塗装中に閉じ込められた空気泡または汚染物質は,強い抵抗を持つ弱点を生み出します.容量の5%以上の空白は,失敗リスクを70%増加させます.
微小孔に薄いまたは不均等な銅 (≤10μm) が置かれると抵抗が増加し,高電流下で過熱と開いた回路を引き起こす.
c.ドリルの誤った配置:中心から離れている (> 10μm) マイクロビアは,痕跡に部分的にしか接続されず,断続的な接続を引き起こす可能性があります.
d.樹脂塗り: 微小管内に残された掘削 (樹脂またはガラス繊維) の残骸は,銅を隔離し,電流を阻害します.
IPCの調査によると マイクロネットワークの故障の60%は 製造の欠陥によるもので プロセス制御が第一の防御線になっているそうです

2機械的ストレス
マイクロビアは実用的な使用で 絶えず機械的なストレスを受ける:
a.熱循環:HDI PCBは温度変化 (自動車用では-40°Cから125°C) に伴い膨張し収縮する.銅 (17ppm/°C) と基板 (FR-4) の間の不一致な熱膨張係数 (CTE)圧力が発生し,マイクロボイアプレートが割れていく.
折りたたみ/折りたたみ:硬・柔らかいHDIPCB (例えば折りたたみ可能な電話) では,折りたたみゾーンのマイクロボイアは繰り返し折りたたみを受けます.0.1mmの折りたたみ半径の0.1mmのマイクロボイアは,10年後には亀裂を発生させることができます.適切に設計されていない場合..
c.振動:航空宇宙や工業機器では,特に塗装が薄いか不均等である場合,20G振動はマイクロボイア接続を緩める可能性があります.

3材料の相容れない
微生物は材料の間の強い結合に依存し,これらの結合が壊れるときに障害が発生します.
a.粘着性が悪い:銅塗装と基板 (例えばFR-4またはポリアミド) の間の弱い結合は,特に熱圧下では,デラミナレーションを引き起こす.
c.CTE不一致:CTEが高い基質 (例えば標準FR-4) は,加熱中に銅よりも膨張し,微生物を引き離します.
c.腐食:水分や化学物質 (例えば流体残留物) がマイクロボイアプレートに浸透し,銅を酸化し,耐性を高めます.

製造プロセスが微生物の信頼性に影響を与える方法
信頼性の高いマイクロボイアへの道のりは工場から始まります.主要製造ステップは,掘削,塗装,ラミネーションです.これは失敗率に影響します.

1掘削: 精度が重要だ
微小孔はレーザーまたは機械的方法を用いて掘削されますが,信頼性の点でレーザー掘削が優れています:
a.レーザードリリング:UVレーザー (355nm波長) は, ±5μmの許容度,最小限の樹脂塗り,滑らかな壁を持つ清潔で正確な穴を作り出します.50~100μmのマイクロビアに最適です.
b.機械式掘削:より大きなマイクロビア (100~150μm) に動作するが,樹脂塗りや不均等な壁のリスクがあり,塗装の欠陥が増加する.

2コーティング: 均等なカバーを確保する
銅塗装は微生物の生命体である.連続で厚い層がないと,電流を導けない.信頼性の高い塗装には:
a.電解のない銅沉積物: 壁に粘着する薄 (0.5μm) の底層で,その後は電解棒が確保されます.
b.電圧塗装: 導電性と強度のために,銅の厚さを15~25μm (最小) にする.塗装は均一で,ピンホールや空隙がない必要があります.
c.アニール:銅を150~200°Cに加熱して脆さを軽減し,熱循環に耐えるために重要です.
IPC規格では,覆蓋率が95%以上で,覆蓋率が90%未満の線がフィールドテストで5倍多く失敗することを要求しています.

3レイミネーション: 順序式と伝統的な
ラミネーション (層を結合させる) は,マイクロボイアのアライナメントとストレスを影響します:
a.連続ラミネーション: HDI 層を一つずつ構築し,新しい層はレーザーマーカーを使用して前一層に並べられる.これは ± 5μm の並べ方を達成する.短パンまたは開口を引き起こすマイクロボイヤの不整列を予防する..
b.バッチラミネーション:すべての層を一度に圧迫し,従来のPCBでは ±25μmの不整列を危険に晒すが,8層以上のHDIのマイクロビアには致命的である.
12層のHDI PCBでは,連続ラミネーションによってマイクロボイア障害率が60%減少し,航空宇宙および医療用アプリケーションの標準化されています.

微生物の信頼性を高める戦略を設計する
エンジニアは積極的な設計選択で失敗を防ぐことができます
1微生物のサイズと配置を最適化します
a. サイズ:より大きなマイクロビア (100μm~150μm) は,より小さいもの (50μm~75μm) よりも製造の変動を許すが,より多くのスペースを占めています.信頼性のあるバランス密度 75 〜 100μm をほとんどのアプリケーションで使用..
隔離:マイクロバイアスを直径の2倍以上隔離する (例えば,75μmバイアスの間隔は150μmである) 隔離と機械的ストレスを避ける.
c. 屈曲ゾーン: 硬柔性 HDI では,屈曲軸から500μm以上離れた場所にマイクロビヤを配置して,屈曲誘発的ストレスを軽減する.

2互換性のある材料を選択します.
a.基材:低CTE材料 (例えば,ロジャースRO4350,CTE 14ppm/°C) を使用して熱圧を最小限に抑える.フレックスゾーンでは,ポリマイム (CTE 20ppm/°C) はポリエステルよりも銅に適している.
b.銅型: ローリングされた銅 (電極化) はより柔らかく,曲げまたは熱循環中に裂けることを抵抗します.
c.粘着剤:エポキシまたはアクリル粘着剤を使用し,CTEは銅に近い (17ppm/°C) で,脱層を減らす.

3高ストレス領域を強化する
a.熱ビアス:熱源 (例えば電源増幅機) の近くで,より大きな"熱微管" (100μm) を加え,熱を散布し,信号微管に熱圧を軽減する.
b.銅パッド: ストレスを分散し,基板への粘着性を改善するために,50~100μmの銅パッドでマイクロビヤを囲む.
c. 90° の角度を避ける:ホットスポットを引き起こす電流の混雑を減らすために, 45° の角度でマイクロビアにルート痕跡を配置する.

微生物の信頼性を検証するための試験方法
潜んでいる欠陥を検知するための厳格なテストなしでは 設計は完了しません
1横断解析
微生物を切って顕微鏡で見ると
塗装の厚さと均一性
穴,穴,または樹脂塗り
銅と基板の接着性
IPC-TM-650 2 試行錯誤した1.1 塗装厚さ ≥15μmと空白面積 < 5%を検証するために横切りを必要とする.

2熱サイクル
HDI PCB を -40°C から 125°C まで 1,000 回以上 暴露し,その後 マイクロ ヴァイア 抵抗 を テスト する.抵抗 が 10% 以上 増加 する と プレート 裂け が 発生 する.

3折りたたみテスト
硬柔性 HDI については:
板の厚さの1倍の半径で 折りたたむことができます
連続性テストでマイクロボイアの開口を確認します
信頼性の高いマイクロビアは,テスト後に抵抗の変化を示さない.

4- レンズ検査
3DX線スキャンで隠された欠陥が検出されます:
積み重ねたマイクロボイアアライナメント (±5μm以内である必要があります)
内部層の微小管 (埋葬管) の空白.
塗装の厚さの変動

5溶接性試験
組み立て中に溶接性を維持しなければならない:
IPC-TM-650 で試験する 2.4.12 (溶接器の浸水試験) 溶接器の湿度が均等で,露水がないことを確認する (酸化または汚染の兆候).

失敗した実例と解決策
1自動車ADASセンサーの故障
レベル1のサプライヤーはHDIベースのレーダーセンサーで15%のフィールド障害に直面し,マイクロボイアの亀裂に追及されました.
根源原因:CO2レーザードリリングは,75μmマイクロビアの10%に樹脂を塗り,適切な塗装を防止します.
解決策:UVレーザードリリングに切り替わり,樹脂塗り < 2% に減らし,故障 < 1% に減少します.

2折りたたむ電話 フレックスゾーン障害
スマートフォンメーカーが 硬式フレクスのHDIで1万回折りたたみした後 マイクロボイアが開くのを目撃しました
根源原因: 曲がり軸 (200μm 対 推奨 500μm) に近すぎたマイクロビアは,折りたたみ中に裂けています.
解決法:マイクロボイアを移動し,ローリング銅を使用し,失敗なく10万回以上折りたたむことができます.

3医療インプラントの信頼性の問題
パースメーカーのPCBは マイクロボイアの腐食により 予選中に故障しました
根源原因: 微生物に閉じ込められた流体残留物が体液と反応し,銅酸化を引き起こす.
解決法: 5 年間の耐久性試験に合格した,塗装後清掃ステップ (超音波浴 + DI 水洗浄) とコンフォームコーティングを追加しました.

よくある質問
Q: 信頼性のある製造可能な最小のマイクロボイアサイズは?
A: 商用メーカーはUVレーザードリリングで50μmのマイクロバイアを信頼的に生産していますが,30~40μmバイアでは 90%以下になります.大抵の高信頼性アプリケーションでは,サイズと出力をバランスするために75~100μmを使用します..

Q: 積み重なったマイクロビアは信頼性にどのように影響するのですか?
A: 積み重ねたマイクロビア (3+層を接続する) は単一のマイクロビアよりも不整列に易くなります.連続ラミネーションとX線アライナメントのチェックを使用して,積み重ねられたバイアス・オフセット間の<5μmのオフセット>10μmを確実にすると,失敗リスクが80%増加します...

Q: 欠陥のあるマイクロボイヤは修理できますか?
A: マイクロボイアが塗装されると,穴や亀裂のような欠陥は修正できません.予防は重要です.厳格なプロセス制御と重要なマイクロボイアの100%検査 (例えば,医療機器に用いられる) が必要です...

Q: 微生物は厳しい環境でどのくらい持続する?
A: 適切な設計と製造により,自動車や航空宇宙のPCBのマイクロビアは10~20年持続する.医療インプラントでは,生物互換性コーティング (例えば,パリレン) は寿命を15年以上延長します.

Q: マイクロビアは高周波の信号の整合性に影響しますか?
A: はい 設計が不良なマイクロビヤ (粗い壁や不均等な塗装) は, > 10GHz で信号反射と損失を引き起こす. 滑らかな壁のレーザードリールされたマイクロビヤと低損失基板 (例えば,ロジャース) は 100Gbps まで の 完整性 を 保つ..

結論
電子機器を定義する密度と性能を可能にします 信頼性は精密製造,スマートデザイン,厳格なテストプラチングの穴から熱圧まで 失敗モードを理解し,UVレーザードリリング,連続ラミネーション,材料マッチングなどのソリューションを実装することで,製造者は最も厳しい環境で数十年使用できるマイクロビヤを製造できます技術者にとって,この教訓は明らかです.マイクロビヤを後見としてではなく,最も先進的なICと同じ細部に注意を払う必要がある重要な部品として扱うことです.小さな特徴が 大きな成功を左右する..