マイクロビア

マイクロビアは、高密度相互接続 (HDI) 基板とプリント回路基板(PCB) の層間の相互接続として使用され、高度なパッケージの高入出力(I/O) 密度に対応します。携帯性と無線通信の推進により、エレクトロニクス業界は、機能性を高めながら、手頃な価格で軽量かつ信頼性の高い製品の製造を目指しています。電子部品レベルでは、これはフットプリント面積が小さく I/O 数が多い部品 (フリップチップ パッケージ、チップ スケール パッケージ、直接チップ接続など) につながり、プリント回路基板とパッケージ基板レベルでは、高密度相互接続 (HDI) (より細い線とスペース、より小さなビアなど) の使用につながります。^[1]

IPC規格は2013年にマイクロビアの定義を改訂し、深さと直径のアスペクト比が1:1以下で、穴の深さが0.25mmを超えないものとした。以前は、マイクロビアは直径が0.15mm以下の穴を指していた^[2]。

スマートフォンや携帯型電子機器の登場により、マイクロビアは単一レベルから複数の HDI 層にまたがるスタック型マイクロビアへと進化しました。HDI ボードの製造には、シーケンシャル ビルドアップ (SBU) 技術が使用されます。HDI 層は通常、従来製造された両面コア ボードまたは多層 PCB から構築されます。HDI 層は、従来の PCB の両面にマイクロビアを使用して 1 つずつ構築されます。SBU プロセスは、層ラミネーション、ビア形成、ビア メタライゼーション、ビア充填という複数のステップで構成されます。各ステップには、複数の材料やテクノロジの選択肢があります。^[3]

マイクロビアはさまざまな材料とプロセスで充填することができます。^[4]

1. 連続積層工程中にエポキシ樹脂（Bステージ）を充填する
2. 別の処理ステップとして銅以外の非導電性または導電性材料を充填する
3. 電気メッキ銅でメッキ密閉
4. 銅ペーストで閉じたスクリーン印刷

埋め込みマイクロビアは充填が必要ですが、外層のブラインドマイクロビアには通常充填は必要ありません。^[5]スタックマイクロビアは通常、電気メッキ銅で充填され、複数のHDI層間の電気的相互接続を実現し、マイクロビアの外側のレベルまたは最も外側の銅パッドに取り付けられたコンポーネントに構造的サポートを提供します。^{[6] [7]}

HDI 構造の信頼性は、PCB 業界で HDI を広く導入する上での大きな制約の 1 つです。マイクロビアの優れた熱機械信頼性は、HDI の信頼性の重要な部分です。多くの研究者や専門家が HDI PCB のマイクロビアの信頼性を研究してきました。マイクロビアの信頼性は、マイクロビアの形状パラメータ、誘電体材料の特性、処理パラメータなど、多くの要因に依存します。

マイクロビアの信頼性研究では、シングルレベルの未充填マイクロビアの信頼性の実験的評価、およびシングルレベルのマイクロビアの応力/ひずみ分布に関する有限要素解析とマイクロビアの疲労寿命推定に重点を置いています。^[8]研究から特定されたマイクロビアの故障には、界面分離（マイクロビアのベースとターゲットパッド間の分離）、バレルクラック、コーナー/ニークラック、およびターゲットパッドクラック（マイクロビアプルアウトとも呼ばれる）が含まれます。これらの故障は、マイクロビア構造の金属化と金属を囲む誘電体材料との間のPCB厚さ方向の熱膨張係数（CTE）の不一致によって引き起こされる熱機械的応力によって発生します。次の段落では、マイクロビアの信頼性研究のいくつかを取り上げます。

Ogunjimi ら^{[9] は}、トレース (導体) の厚さ、トレースの周囲およびマイクロビア内の誘電体の層、ビアの形状、ビアの壁の角度、導体材料の延性係数、およびひずみ集中係数を含む、製造および設計プロセス変数がマイクロビアの疲労寿命に及ぼす影響を調べました。有限要素モデルはさまざまな形状で作成され、ANOVA 法を使用してさまざまなプロセス変数の重要性が判断されました。ANOVA の結果は、ひずみ集中係数が最も重要な変数であり、延性係数、メタライゼーションの厚さ、およびビアの壁の角度がそれに続くことを示しました。Prabhu ら^{[10] は、HDI マイクロビア構造に対して有限要素解析 (FEA) を実施し、加速温度サイクルと熱衝撃の影響を判断しました。Liu ら[11]}と Ramakrishna ら [12] は、 加速温度サイクルと熱衝撃の影響を判断するために HDI マイクロビア構造に対して有限要素解析 (FEA) を実施しました。^[12]は、それぞれ液体対液体および空気対空気の熱衝撃試験を実施し、誘電体材料の特性とマイクロビアの直径、壁角度、めっき厚などのマイクロビアの形状パラメータがマイクロビアの信頼性に与える影響を研究した。Andrewsら^[13]は、 IST（相互接続ストレステスト）を使用してシングルレベルマイクロビアの信頼性を調査し、鉛フリーはんだのリフローサイクルの影響を考慮した。WangとLai ^[14]は、有限要素モデリングを使用してマイクロビアの潜在的な故障箇所を調査した。彼らは、充填されたマイクロビアは充填されていないマイクロビアよりもストレスが低いことを発見した。ChoiとDasguptaは、その研究でマイクロビアの非破壊検査方法を紹介した。^[15]

マイクロビアの信頼性に関する研究のほとんどはシングルレベルのマイクロビアに焦点を当てていますが、Birch ^{[4] は}ISTテストを使用して複数レベルのスタックされたマイクロビアとスタッガードマイクロビアをテストしました。テストデータのワイブル分析により、シングルレベルおよび2レベルのスタックされたマイクロビアは、3レベルおよび4レベルのマイクロビアよりも長持ちすることが示されました（たとえば、2レベルのスタックされたマイクロビアは、4レベルのスタックされたマイクロビアよりも約20倍多くのサイクルで故障しました）。

高密度相互接続基板の開発における課題の1つは、銅めっきプロセスで不完全な充填、ディンプル、またはボイドを生じさせることなく、特にスタックされたマイクロビアに対して信頼性の高いマイクロビアを製造することです。^{[16] [16]}の著者らは、実験テストと有限要素解析の両方を使用して、ボイドやその他の欠陥の観点からマイクロビアのリスクを調査してきました。彼らは、不完全な銅充填がマイクロビアの応力レベルを増加させ、したがってマイクロビアの疲労寿命を低下させることを発見しました。

ボイドに関しては、ボイドのサイズ、形状、位置などのボイド発生条件が異なれば、マイクロビアの信頼性に異なる影響が生じます。球形の小さなボイドはマイクロビアの疲労寿命をわずかに延ばしますが、極端なボイド発生条件はマイクロビアの寿命を大幅に短縮します。