In Halbleitergeräten spielen die 12-lagigen Leiterplatten eine entscheidende Rolle bei der Verbindung von Kernchips, der Übertragung von Hochfrequenzsignalen und hohen Strömen. Der Herstellungsprozess erfordert äußerst hohe Anforderungen an Präzision, Stabilität und Zuverlässigkeit. Im Vergleich zu gewöhnlichen mehrschichtigen Leiterplatten haben 12-schichtige Leiterplatten eine komplexere Struktur, mehr Prozessschritte und müssen sich an die strengen Standards von Halbleitergeräten für Signalintegrität und Wärmeableitung anpassen. Daher gibt es im Herstellungsprozess mehrere Kernschwierigkeiten. Ausgehend von den wichtigsten Prozessschritten werden wir die Herstellungsherausforderungen von 12-Lagen-Leiterplatten in Anwendungsszenarien für Halbleitergeräte aufschlüsseln.
1, Laminierter Prozess: Die Herausforderung der „präzisen Verbindung“ in mehrschichtigen Strukturen
Das Layering ist der Kernprozess der 12-Lagen-Leiterplattenherstellung, der die Integration von 12 Lagen Substrat, Kupferfolie und Isolationsschicht zu einem Ganzen durch hohe Temperatur und Hochspannung erfordert. Die Schwierigkeit liegt in der Ausrichtungsgenauigkeit und der Gleichmäßigkeit der Dicke zwischen den Schichten, die für die Signalübertragung in Halbleitergeräten von entscheidender Bedeutung sind.
Im Hinblick auf die Ausrichtung zwischen den Schichten muss eine Leiterplatte mit 12 Schichten mehrmals gepresst werden, und bei jedem Pressen muss sichergestellt werden, dass der Ausrichtungsfehler der Grafiken jeder Schicht innerhalb eines sehr kleinen Bereichs kontrolliert wird. Bei der tatsächlichen Herstellung neigt das Substrat jedoch bei hohen Temperaturen zu thermischer Verformung und es kann nach jeder Laminierung zu geringfügigen Abweichungen in der Ebenheit der Platte kommen. Beim Stapeln auf 12 Schichten kann der Gesamtausrichtungsfehler den kritischen Wert überschreiten. Sobald die Ausrichtungsgenauigkeit nicht dem Standard entspricht, nimmt der Übertragungsverlust von Hochfrequenzsignalen in Halbleitergeräten erheblich zu, und es kann sogar zu Signalübersprechen kommen, was den normalen Betrieb des Geräts beeinträchtigt.
Die Gleichmäßigkeit der Dicke stellt eine ebenso große Herausforderung dar. Die 12-lagige Leiterplatte muss die Gesamtdicke und den Abweichungsbereich jeder Schichtdicke kontrollieren. Während des Verdichtungsprozesses können jedoch eine ungleichmäßige Druckverteilung und unterschiedliche Schrumpfraten zwischen Untergrund und Dämmschicht zu Problemen wie „in der Mitte dick, an den Rändern dünn“ oder lokalen Vorsprüngen in der fertigen Platte führen. In Bereichen in Halbleitergeräten, in denen die Installation von Präzisionssteckverbindern erforderlich ist, kann eine übermäßige Dickenabweichung zu einem schlechten Steckverbinderkontakt führen und das Risiko eines Geräteausfalls erhöhen.
2, Mikrolochverarbeitung: doppelte Herausforderungen durch kleine Porengröße und Seitenverhältnis
Die 12-schichtige Leiterplatte von Halbleitergeräten erfordert eine große Anzahl von Mikroporen, um Schaltkreisverbindungen zwischen den Schichten herzustellen. Diese Mikroporen sind nicht nur klein, sondern müssen auch 12 Substratschichten durchdringen, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser weit über dem von gewöhnlichen mehrschichtigen Leiterplatten liegt, was die Herstellungsschwierigkeiten erheblich erhöht.
Da ist zunächst die Frage der Bohrgenauigkeit. Aufgrund der extrem kleinen Öffnung ist der Bohrer bei hoher Rotation anfällig für „Vibrationen“, was zu einer Abweichung der Öffnung und sogar zu Kratzern an der Lochwand führt. Gleichzeitig beschleunigen die Materialunterschiede des 12-schichtigen Substrats die Verschleißrate des Bohrers. Wenn sie nicht rechtzeitig ausgetauscht wird, nimmt die Genauigkeit der Porengröße der nachfolgenden Mikroporen weiter ab. Bei Halbleiterbauelementen kann die Abweichung der Mikroporengröße zu einer ungleichmäßigen Dicke der Kupferschicht in den plattierten Löchern führen, die lokale Erwärmung während der Stromübertragung verstärken und die Wärmeableitungsleistung des Bauelements beeinträchtigen.
Die tiefere Herausforderung liegt in der Qualität der Porenwand. Die Mikroporen einer 12-lagigen Leiterplatte müssen einen „Drilling-de-Boring-Galvanisierungsprozess“ durchlaufen, bei dem beim De-Bohrvorgang verbleibende Harzreste von der Lochwand entfernt werden müssen. Allerdings erschwert die geringe Porengröße der Mikroporen ein vollständiges Eindringen der Reinigungslösung. Wenn das Bohren nicht gründlich durchgeführt wird, kann sich die Kupferschicht beim Galvanisieren nicht fest mit der Lochwand verbinden, und bei der späteren Verwendung kann es zu einem „Abblättern der Lochwand“ kommen, was zu einem Stromkreisbruch führen kann. Darüber hinaus erschwert ein zu großes Seitenverhältnis die gleichmäßige Verteilung des Stroms auf den Boden des Lochs beim Galvanisieren und die Dicke der Kupferschicht am Boden des Lochs ist unzureichend. In Hochstromszenarien von Halbleiterbauelementen ist die Kupferschicht am Boden des Lochs anfällig für Überhitzung und Durchbrennen.
3, Kontrolle der Kupferdicke: Der Widerspruch zwischen globaler Gleichmäßigkeit und lokaler Verdickung
Die Anforderung an die Kupferdicke in der 12-Lagen-Leiterplatte von Halbleitergeräten weist eine „Dualität“ auf: Einerseits muss die globale Kupferdicke einheitlich sein, um eine stabile Signalübertragung zu gewährleisten; Andererseits ist in einigen Bereichen eine lokale Verdickung der Kupferdicke erforderlich, um die Wärmeableitung und die Stromtragfähigkeit zu verbessern, was leicht zu Konflikten bei der Herstellung führen kann.
Die Schwierigkeit, eine globale Gleichmäßigkeit der Kupferdicke zu erreichen, liegt im Galvanisierungsprozess. Die Fläche einer 12-Lagen-Leiterplatte ist normalerweise groß und die Stromverteilung im Galvanisierungstank wird leicht durch die Form der Platine und die Position der Aufhängevorrichtung beeinflusst, was zu Unterschieden in der Kupferdicke zwischen den Kanten und der Mitte der Platine führt. Darüber hinaus „leiten“ die Mikrolöcher und Sacklöcher in der 12-Lagen-Leiterplatte den Strom um, wodurch die Oberflächenkupferdicke in der Nähe der Löcher geringer ist als in anderen Bereichen. Wenn die globale Abweichung der Kupferdicke zu groß ist, unterscheidet sich die Signalübertragungsgeschwindigkeit verschiedener Pfade in Halbleitergeräten, was zu einer Verzögerung der Datensynchronisation führt und die Effizienz der Geräteverarbeitung beeinträchtigt.
Eine lokale Verdickung der Kupferdicke birgt die Gefahr einer „übermäßigen Galvanisierung“. Um eine lokale Erhöhung der Kupferdicke zu erreichen, muss im entsprechenden Bereich eine sekundäre Galvanisierung durchgeführt werden. Beim sekundären Galvanisieren neigt der Strom jedoch dazu, in die umliegenden Bereiche zu diffundieren, was dazu führt, dass die Kupferdicke in Nichtzielbereichen den Standard überschreitet. Gleichzeitig ist der Übergang zwischen dem lokal verdickten Bereich und dem umgebenden konventionellen Kupferdickbereich anfällig für „Stufen“. Beim anschließenden Auftragen der Lötmaskenschicht kommt es an den Stufen leicht zu Blasenbildung oder unzureichender Dicke, was zur Freilegung der Kupferschicht führt und das Risiko von Oxidation und Kurzschlüssen in Halbleitergeräten erhöht.
4, Lötstopplackbeschichtung: ein Gleichgewicht zwischen dünner Beschichtung und hoher Isolierung
Die Lötmaskenschicht der 12-Lagen-Leiterplatte in Halbleitergeräten muss sowohl die Anforderungen einer „dünnen Beschichtung“ als auch einer „hohen Isolierung“ erfüllen, um sich an den kompakten Installationsraum und die Hochspannungs-Arbeitsumgebung innerhalb des Geräts anzupassen. Allerdings besteht zwischen diesen beiden Anforderungen in der Fertigung ein natürlicher Widerspruch.
Die Beschichtungsgenauigkeit dünner Beschichtungen ist schwer zu kontrollieren. Die Lötmaskenschicht wird normalerweise durch Siebdruck oder Sprühbeschichtung verarbeitet, und aufgrund der subtilen Unebenheiten und Vertiefungen auf der Oberfläche der 12-Schichten-Leiterplatte neigen dünne Beschichtungen zu „Leckagen“ oder „ungleichmäßiger Dicke“. Wenn beispielsweise die Drucksteuerung des Schabers während des Siebdrucks nicht ordnungsgemäß funktioniert, kann die Dicke der Lötmaskenschicht an der Stufe unter dem Standardwert liegen. Allerdings kann eine dünne Lötmaskenschicht zu einer Verschlechterung der Isolationsleistung führen und die Hochspannungssignalübertragung in Halbleitergeräten ist anfällig für Ausfälle, die zu Geräteausfällen führen können.
Eine hohe Isolierung stellt strenge Anforderungen an das Material und den Aushärtungsprozess des Lötstopplacks. Beim Betrieb von Halbleitergeräten sind Leiterplatten über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt und können mit korrosiven Gasen in Kontakt kommen. Lötstopplack muss eine hervorragende Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Korrosion aufweisen. Unter dünnen Beschichtungen neigt die Verteilung der Härter im Lötstopplack jedoch dazu, ungleichmäßig zu sein, was in einigen Bereichen nach dem Aushärten zu einer unzureichenden Vernetzungsdichte führt, und in Umgebungen mit hohen Temperaturen kann es leicht zu Rissen kommen, was mit der Zeit zu einem schnellen Rückgang der Isolationsleistung führt.
5, Ebenheitskontrolle: eine wichtige Einschränkung für die spätere Montage und Wärmeableitung
Die 12-lagige Leiterplatte von Halbleitergeräten muss eine extrem hohe Ebenheit aufweisen, da sonst die Haftung an Chips und Kühlkörpern beeinträchtigt wird, was zu einer schlechten Wärmeableitung oder einem Montagefehler führt. Allerdings machen die mehrschichtige Struktur und der komplexe Prozess von 12-schichtigen Leiterplatten die Ebenheitskontrolle zu einem „hartnäckigen Problem“ bei der Herstellung.
Einerseits kann die Spannungsfreisetzung nach der mehrschichtigen Komprimierung dazu führen, dass sich die Platine verzieht. Bei mehreren Laminierungsprozessen auf einer 12-lagigen Leiterplatte baut sich die innere Spannung jedes Schichtmaterials kontinuierlich auf. Nach dem Abkühlen wird die Spannung abgebaut, was leicht dazu führen kann, dass sich die Platine zur dickeren Seite der Kupferfolie hin verbiegt. Insbesondere wenn es einen erheblichen Unterschied in der lokalen Kupferdicke gibt, kann der Verzug die Anforderungen von Halbleitergeräten bei weitem übersteigen.
Andererseits wird die Hochtemperaturbehandlung nachfolgender Prozesse das Problem der Ebenheit verschärfen. Prozesse wie das Aushärten der Lötstoppmaske müssen bei einer bestimmten hohen Temperatur durchgeführt werden. Bei dieser Temperatur erfährt die Leiterplatte erneut eine thermische Verformung. Wenn die Spannung vorher nicht vollständig abgebaut wird, kommt es zu einer weiteren Überlagerung der Verformung. In Bereichen in Halbleiterbauelementen, die einen engen Kontakt mit Kühlkörpern erfordern, können Ebenheitsabweichungen zu einer verringerten Kontaktfläche, einer verringerten Wärmeableitungseffizienz, einer erhöhten Chip-Betriebstemperatur und einer verkürzten Gerätelebensdauer führen.
6, Prüfung und Reparatur: Herausforderungen bei der Qualitätskontrolle in komplexen Strukturen
Der Herstellungsprozess von 12-Lagen-Leiterplatten für Halbleitergeräte erfordert eine 100-prozentige vollständige Inspektion. Aufgrund der komplexen Struktur sind jedoch einige Mängel schwer zu erkennen und der Reparaturaufwand ist extrem hoch, was zu einer großen Schwierigkeit bei der Qualitätskontrolle wird.
Im Inspektionsprozess sind Defekte in der Innenschicht der 12-Lagen-Leiterplatte durch herkömmliche Erscheinungsbildprüfungen nur schwer zu erkennen und erfordern eine Röntgenerkennung und Ultraschallscannen. Allerdings hat die Röntgenerkennung eine begrenzte Erkennungsrate für kleine Defekte und kann den Bindungszustand zwischen der Lochwand und der inneren Kupferfolie nicht bestimmen; Obwohl Ultraschallscans Zwischenschichtbindungen erkennen können, kann sich die Scanauflösung aufgrund der Dicke von 12 Schichten verringern, wodurch möglicherweise lokale Ablösungsbereiche übersehen werden. Diese unentdeckten Defekte werden sich im Laufe des Langzeitbetriebs von Halbleitergeräten allmählich ausweiten und schließlich zu Schaltkreisausfällen führen.
Noch größer ist die Herausforderung im Reparaturprozess. Wenn ein Kurzschluss oder eine schlechte Mikrolochbeschichtung in der Innenschicht festgestellt wird, muss die 12-Lagen-Leiterplatte „Schicht für Schicht repariert“ werden, d. h. die Isolationsschicht und die Kupferfolie werden Schicht für Schicht abgezogen, die Defekte werden repariert und anschließend verpresst. Während des Schichtungsprozesses können hohe Temperaturen und chemische Reagenzien jedoch leicht die umgebenden intakten Schichten beschädigen, was zu einer geringeren Erfolgsquote bei Reparaturen führt. Selbst bei erfolgreicher Reparatur kann es dennoch zu neuen Spannungskonzentrationen im verdrängten Bereich kommen. In der Vibrationsumgebung von Halbleitergeräten kann es an der Reparaturstelle leicht zu Rissen kommen, die zu einer neuen potenziellen Fehlergefahr werden.