Avec la miniaturisation et l'intégration croissantes des puces et des dispositifs électroniques, la fabrication de circuits uniquement sur la surface de substrats céramiques ne suffit plus à répondre aux exigences toujours plus strictes d'interconnexion et de routage. L'utilisation de microvias est donc indispensable pour connecter électriquement les faces avant et arrière du substrat, raccourcissant ainsi les chemins d'interconnexion et augmentant la densité des circuits. De ce fait, la technologie de métallisation par vias DPC (Direct Plated Copper) est largement répandue dans des applications telles que les LED, les lasers, les communications optiques, les dispositifs RF et l'électronique de puissance.
Cependant, les substrats céramiques sont intrinsèquement isolants électriquement. La simple réalisation de microvias à travers le substrat n'établit pas de continuité électrique entre les deux faces. Le véritable défi consiste à former une couche d'amorçage métallique continue et fiable le long des parois internes des microvias.
1. Comment la continuité électrique est-elle établie à travers les microvias en céramique ?
La métallisation des vias DPC commence généralement par un perçage laser pour former des microvias dans le substrat céramique, généralement sous forme de trous coniques ou traversants. Les microvias et la surface du substrat sont ensuite soigneusement nettoyées et dégazées afin d'éliminer les résidus de perçage, l'humidité et autres contaminants. Un procédé de pulvérisation cathodique sous vide est ensuite utilisé pour déposer une couche d'adhérence de titane, d'une épaisseur typique de 50 à 200 nm, suivie d'une couche d'amorçage conductrice de cuivre, d'une épaisseur typique de 0,5 à 2 µm, sur la surface du substrat et le long des parois internes des microvias.
La couche de titane sert de couche d'adhérence pour renforcer la liaison entre le film métallique et le substrat céramique, tandis que la couche d'amorçage de cuivre assure une base conductrice continue pour le dépôt électrolytique ultérieur. La couche de cuivre est ensuite déposée par électrolyse, généralement jusqu'à une épaisseur de 5 à 20 µm, garantissant ainsi une continuité électrique fiable entre les circuits des faces avant et arrière grâce aux vias métallisés. En résumé, la pulvérisation cathodique sous vide crée la base conductrice, tandis que le dépôt électrolytique ultérieur augmente l'épaisseur de cuivre, réduisant ainsi la résistance des vias et améliorant la fiabilité des interconnexions.
Bien que le processus semble simple, une interconnexion fiable dépend d'une condition préalable essentielle : la couche d'amorçage Ti/Cu doit recouvrir complètement et en continu la surface du substrat et la totalité de la paroi interne de chaque microvia.
2. Quatre défis majeurs liés à la pulvérisation cathodique sous vide des couches d'amorçage Ti/Cu pour les vias DPC
La formation d'une couche d'amorçage continue à l'intérieur de microvias étroites est loin d'être simple. Les résidus présents dans les vias peuvent compromettre l'adhérence du film, tandis que la géométrie des microvias rend le revêtement des parois latérales de plus en plus difficile. Des discontinuités locales dans la couche d'amorçage peuvent interrompre l'électrodéposition ultérieure, tandis que les variations entre les différents emplacements sur le substrat et les lots de production peuvent affecter la stabilité globale du procédé. Les principaux défis de la pulvérisation cathodique sous vide pour la métallisation des vias DPC peuvent être résumés en quatre domaines.
1. Les résidus à l'intérieur des vias peuvent compromettre l'adhérence du film.
Après perçage laser, les substrats céramiques peuvent contenir des particules de céramique, des résidus de refusion, des débris de perçage et de l'humidité adsorbée à l'intérieur des microvias. Pour les microvias de petit diamètre et à fort rapport d'aspect, ces résidus sont souvent beaucoup plus difficiles à éliminer que la contamination de surface. Si le nettoyage et le dégazage sont insuffisants, la couche d'adhérence en titane risque de ne pas former une liaison solide et fiable avec la paroi latérale en céramique. Ces défauts peuvent ne pas être immédiatement visibles après le revêtement, mais peuvent évoluer progressivement en cloques et en délamination lors des opérations ultérieures de galvanoplastie, de brasage ou d'utilisation à haute température.
2. Un rapport d'aspect plus élevé rend la couverture des flancs plus difficile.
La difficulté de pulvérisation d'un microvia ne peut être évaluée uniquement par sa profondeur ; le rapport entre la profondeur et le diamètre du via (le rapport d'aspect) est tout aussi important. Par exemple, un via de 60 µm de diamètre et de 300 µm de profondeur présente un rapport d'aspect de 5:1. Plus le rapport d'aspect est élevé, plus l'entrée du via crée d'ombres géométriques importantes pour les particules pulvérisées, réduisant ainsi le nombre de particules pouvant atteindre la partie centrale de la paroi. Il peut en résulter des films relativement épais sur la surface du substrat et près de l'ouverture du via, tandis que la partie centrale de la paroi devient nettement plus mince, voire discontinue.
3. Une couche d'amorçage incomplète peut empêcher une interconnexion fiable via
L'exigence fondamentale pour la métallisation des vias DPC ne se limite pas à la simple présence de cuivre sur la paroi du via, mais repose sur la continuité de la couche d'amorçage Ti/Cu, de la face avant du substrat jusqu'à la face arrière, en suivant toute la paroi latérale du via. Même une infime discontinuité dans cette couche peut interrompre le chemin conducteur nécessaire à la métallisation ultérieure. Par conséquent, la qualité de la couche d'amorçage ne peut être évaluée uniquement par son aspect de surface ou son épaisseur moyenne. Il convient d'accorder une attention particulière à la zone la plus fine de la paroi latérale du via et de vérifier la continuité de la conductivité électrique sur toute la longueur du chemin métallisé.
4. Le succès d'un seul échantillon ne garantit pas la stabilité d'un lot à l'autre.
L'obtention de l'épaisseur de film superficielle requise sur un seul échantillon ne signifie pas nécessairement que le procédé est prêt pour la production en série. La fabrication par DPC exige également un contrôle rigoureux de l'uniformité du revêtement entre les faces avant et arrière, entre le centre et les bords du substrat, pour différentes positions de fixation et d'un lot à l'autre. Pour les substrats céramiques comportant un grand nombre de microvias, l'évaluation du procédé ne doit pas se limiter à l'épaisseur moyenne du film. Plus important encore, la zone la plus fine de la paroi latérale de la via doit conserver de manière constante la conductivité électrique requise pour l'électrodéposition ultérieure.
3. Que se passe-t-il lorsque la couche de semences n'est pas correctement déposée ?
La couche d'amorçage Ti/Cu constitue la base conductrice nécessaire à l'électrodéposition ultérieure. Si cette couche est trop mince, incomplète ou présente des discontinuités sur la paroi du via, le courant d'électrodéposition ne peut circuler de manière continue et les ions cuivre ne peuvent être correctement réduits et déposés aux endroits défectueux. Au fur et à mesure de l'électrodéposition et de la formation de la couche de cuivre, les zones initialement peu denses peuvent évoluer en vides, en défauts d'épaisseur localisés ou en dépôts discontinus au sein du via.
Ces défauts affectent directement la qualité de l'interconnexion des circuits sur les faces avant et arrière du substrat céramique. Dans les cas les moins graves, ils peuvent entraîner une augmentation de la résistance des vias, une génération de chaleur localisée et des fluctuations des performances électriques. Dans les cas les plus graves, la continuité électrique des circuits des deux faces peut être compromise. Lors des opérations de brasage ultérieures, du vieillissement à haute température ou des cycles thermiques, les zones défectueuses peuvent développer des cloques, un délaminage ou des fissures, réduisant ainsi le rendement et la fiabilité à long terme du produit, et pouvant potentiellement conduire à une défaillance du dispositif.
4. Solution de production en série de Zhenhua Vacuum pour la métallisation de vias sur substrat céramique — Ligne de production de revêtement sous vide DPC pour substrats céramiques
Avantages de l'équipement :
Automatisation : Un système entièrement automatisé de revêtement et de transfert des pièces sur le support réduit l'intervention manuelle tout en améliorant l'efficacité de la production et en raccourcissant le temps de cycle global.
Débit : Prend en charge les substrats de 120 mm × 120 mm avec une capacité de production allant jusqu'à 288 pièces par heure.
Performances : Améliore la conductivité électrique tout en optimisant la dissipation thermique du substrat céramique.
Métallisation des vias : une configuration de champ magnétique optimisée permet une couverture de revêtement efficace et uniforme à l’intérieur des microvias.
Procédé : Permet un revêtement double face pour améliorer l'uniformité globale de l'épaisseur du film et la régularité du revêtement.
Applications :
Cet équipement peut déposer une variété de films métalliques élémentaires, notamment Ti, Cu, Al, Sn, Cr, Ag et Ni, et a été largement utilisé dans les industries des semi-conducteurs et des composants électroniques pour des applications telles que les substrats céramiques, les condensateurs céramiques et les boîtiers/supports céramiques pour LED.
5. Conclusion
Zhenhua Vacuum se concentre sur le procédé de pulvérisation cathodique sous vide en amont pour la fabrication de substrats DPC. En optimisant la couverture des parois latérales des microvias et en combinant une technologie de revêtement double face à une production automatisée, la solution offre des couches d'amorçage Ti/Cu stables pour l'électrodéposition ultérieure et une interconnexion fiable des vias. Ceci permet aux clients d'atteindre une production de masse homogène tout en favorisant l'adoption croissante des substrats céramiques DPC dans les semi-conducteurs et les applications électroniques avancées.
Cet article a été publié par fabricant d'équipements de revêtement sous videZhenhua Vacuum
Date de publication : 27 août 2026