Naarmate chips en elektronische apparaten zich verder ontwikkelen richting miniaturisatie en hogere integratie, kan de fabricage van circuits uitsluitend op het oppervlak van keramische substraten niet langer voldoen aan de steeds hogere eisen op het gebied van interconnectie en routing. Microvias zijn daarom nodig om de voor- en achterkant van het substraat elektrisch met elkaar te verbinden, waardoor de interconnectiepaden worden verkort en de circuitdichtheid wordt verhoogd. Als gevolg hiervan is de DPC-technologie (Direct Plated Copper) via-metallisatie op grote schaal toegepast in onder andere LED's, lasers, optische communicatie, RF-apparaten en vermogenselektronica.
Keramische substraten zijn echter van nature elektrisch isolerend. Het simpelweg aanbrengen van microvias door het substraat zorgt niet voor elektrische continuïteit tussen de twee zijden. De echte uitdaging is het vormen van een continue en betrouwbare metalen kiemlaag langs de binnenwanden van de microvias.
1. Hoe wordt elektrische continuïteit tot stand gebracht via keramische microvias?
DPC via metallisatie begint doorgaans met laserboren om microvias in het keramische substraat te vormen, meestal in de vorm van taps toelopende of rechte gaten. De microvias en het substraatoppervlak worden vervolgens grondig gereinigd en ontgast om boorresten, vocht en andere verontreinigingen te verwijderen. Daarna wordt een vacuüm sputterproces gebruikt om een Ti-hechtlaag, doorgaans 50-200 nm dik, af te zetten, gevolgd door een geleidende Cu-kiemlaag, doorgaans 0,5-2 μm dik, op het substraatoppervlak en langs de binnenwanden van de microvias.
De Ti-laag dient als hechtlaag om de hechtsterkte tussen de metaalfilm en het keramische substraat te verbeteren, terwijl de Cu-kiemlaag een continue geleidende basis vormt voor de daaropvolgende galvanisatie. De koperlaag wordt vervolgens verder opgebouwd door middel van galvanisatie, doorgaans tot een dikte van 5–20 μm, waardoor uiteindelijk een betrouwbare elektrische continuïteit tussen de circuits aan de voor- en achterzijde wordt gecreëerd via de gemetalliseerde via's. Simpel gezegd: vacuüm sputteren zorgt voor de geleidende basis, terwijl de daaropvolgende galvanisatie de koperdikte opbouwt, waardoor de via-weerstand wordt verlaagd en de betrouwbaarheid van de interconnectie wordt verbeterd.
Hoewel het proces eenvoudig lijkt, hangt een betrouwbare verbinding via één cruciale voorwaarde af: de Ti/Cu-kiemlaag moet het substraatoppervlak en de gehele binnenwand van elke microvia volledig en ononderbroken bedekken.
2. Vier belangrijke uitdagingen bij het vacuüm sputteren van Ti/Cu-kiemlagen voor DPC-vias
Het vormen van een continue kiemlaag in smalle microvias is allesbehalve eenvoudig. Restanten in de vias kunnen de hechting van de film belemmeren, terwijl de geometrie van de microvias het bedekken van de zijwanden steeds moeilijker maakt. Lokale discontinuïteiten in de kiemlaag kunnen het daaropvolgende galvaniseren verstoren, terwijl variaties tussen verschillende substraatlocaties en productiebatches de algehele processtabiliteit kunnen beïnvloeden. De belangrijkste uitdagingen van vacuüm sputteren voor DPC-via-metallisatie kunnen in vier gebieden worden samengevat.
1. Resten in de via's kunnen de hechting van de film belemmeren.
Na laserboren kunnen keramische substraten keramische deeltjes, hergesmolten materiaal, boorresten en geadsorbeerd vocht in de microvias bevatten. Bij microvias met een kleine diameter en een hoge aspectverhouding zijn deze resten vaak veel moeilijker te verwijderen dan oppervlakteverontreiniging. Als reiniging en ontgassing onvoldoende zijn, kan de Ti-hechtlaag geen sterke en betrouwbare verbinding met de keramische wand vormen. Dergelijke defecten zijn mogelijk niet direct zichtbaar na het coaten, maar kunnen zich geleidelijk ontwikkelen tot blaasvorming en delaminatie tijdens het daaropvolgende galvaniseren, solderen of gebruik bij hoge temperaturen.
2. Hogere aspectverhoudingen maken het lastiger om de zijwand te bedekken.
De moeilijkheidsgraad van het sputteren van een microvia kan niet alleen worden beoordeeld op basis van de diepte; de verhouding tussen de diepte en de diameter van de via – de aspectverhouding – is even belangrijk. Een via met een diameter van 60 μm en een diepte van 300 μm heeft bijvoorbeeld een aspectverhouding van 5:1. Naarmate de aspectverhouding toeneemt, zorgt de ingang van de via voor een grotere geometrische schaduwvorming van de gesputterde deeltjes, waardoor minder deeltjes het middelste gedeelte van de zijwand kunnen bereiken. Dit kan resulteren in relatief dikke films op het substraatoppervlak en nabij de opening van de via, terwijl het middelste gedeelte van de zijwand van de via aanzienlijk dunner of zelfs discontinu wordt.
3. Een onvolledige zaadlaag kan een betrouwbare via-verbinding belemmeren.
De fundamentele vereiste voor DPC-via-metallisatie is niet alleen de aanwezigheid van koper op de via-wand, maar vooral of de Ti/Cu-kiemlaag zich ononderbroken kan uitstrekken van de voorzijde van het substraat, langs de gehele via-zijwand, tot aan de achterzijde. Zelfs een kleine discontinuïteit in de kiemlaag kan het geleidende pad onderbreken dat nodig is voor de daaropvolgende galvanisatie. Daarom kan de kwaliteit van de kiemlaag niet alleen worden beoordeeld op basis van het uiterlijk van het oppervlak of de gemiddelde filmdikte. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan het dunste gedeelte van de via-zijwand en of er over het gehele gemetalliseerde pad een continue elektrische geleidbaarheid behouden blijft.
4. Het goedkeuren van één enkel monster biedt geen garantie voor stabiliteit tussen verschillende batches.
Het bereiken van de vereiste laagdikte op een enkel monster betekent niet automatisch dat het proces klaar is voor massaproductie. De productie van DPC vereist ook een nauwkeurige controle van de coatinguniformiteit tussen de voor- en achterkant, tussen het midden en de rand van het substraat, over verschillende bevestigingsposities en van batch tot batch. Voor keramische substraten met een groot aantal microvias moet de procesevaluatie zich niet alleen richten op de gemiddelde laagdikte. Belangrijker nog is dat het dunste gedeelte van de via-wand consistent de elektrische geleidbaarheid moet behouden die nodig is voor de daaropvolgende galvanisatie.
3. Wat gebeurt er als de zaadlaag niet goed wordt aangebracht?
De Ti/Cu-kiemlaag vormt de geleidende basis die nodig is voor het daaropvolgende galvaniseren. Als de kiemlaag op de via-wand te dun is, onvolledig bedekt is of onderbrekingen bevat, kan de galvaniseerstroom niet continu langs de wand worden geleid en kunnen koperionen niet goed worden gereduceerd en afgezet op de defecte plekken. Naarmate het galvaniseren vordert en de koperlaag zich opbouwt, kunnen aanvankelijk kleine gebieden met onvoldoende dekking uitgroeien tot holtes in de koperlaag, plaatselijke diktetekorten of discontinue beplating binnen de via.
Deze defecten hebben direct invloed op de kwaliteit van de verbindingen tussen de circuits aan de voor- en achterzijde van het keramische substraat. In minder ernstige gevallen kunnen ze leiden tot een verhoogde via-weerstand, plaatselijke warmteontwikkeling en schommelingen in de elektrische prestaties. In ernstiger gevallen kan de elektrische continuïteit tussen de circuits aan beide zijden volledig wegvallen. Tijdens het daaropvolgende solderen, veroudering bij hoge temperaturen of thermische cycli kunnen defecte gebieden verder blaren, delaminatie of scheurtjes in de circuits ontwikkelen, waardoor de productopbrengst en de betrouwbaarheid op lange termijn afnemen en het apparaat mogelijk defect raakt.
4. Zhenhua Vacuum's oplossing voor massaproductie van keramische substraten via metallisatie — DPC-vacuümcoatingproductielijn voor keramische substraten
Voordelen van de apparatuur:
Automatisering: Een volledig geautomatiseerd systeem voor het coaten en transporteren van werkstukken vermindert handmatige tussenkomst, verbetert de productie-efficiëntie en verkort de totale cyclustijd.
Doorvoer: Ondersteunt substraten van 120 mm × 120 mm met een productiecapaciteit van maximaal 288 stuks per uur.
Prestatie: Verbetert de elektrische geleidbaarheid en tegelijkertijd de warmteafvoer van het keramische substraat.
Via-metallisatie: Een geoptimaliseerde magnetische-veldconfiguratie maakt een efficiënte en uniforme coatingdekking binnen microvias mogelijk.
Proces: Ondersteunt dubbelzijdig coaten om de algehele uniformiteit van de laagdikte en de consistentie van de coating te verbeteren.
Toepassingen:
De apparatuur kan diverse elementaire metaalfilms afzetten, waaronder Ti, Cu, Al, Sn, Cr, Ag en Ni, en wordt op grote schaal toegepast in de halfgeleider- en elektronica-industrie voor toepassingen zoals keramische substraten, keramische condensatoren en keramische LED-behuizingen/dragers.
5. Conclusie
Zhenhua Vacuum richt zich op het vacuüm sputterproces aan de voorkant van de DPC-productie. Door de bedekking van de zijwanden van microvia's te verbeteren en dubbelzijdige coatingtechnologie te combineren met geautomatiseerde productie, biedt de oplossing stabiele Ti/Cu-kiemlagen voor de daaropvolgende galvanisatie en betrouwbare via-interconnectie. Dit helpt klanten bij het realiseren van consistente massaproductie en ondersteunt de bredere toepassing van DPC-keramische substraten in halfgeleider- en geavanceerde elektronische toepassingen.
-Dit artikel is gepubliceerd door fabrikant van vacuümcoatingapparatuurZhenhua-stofzuiger
Geplaatst op: 27 augustus 2026