La richiesta di aumentare le prestazioni dei circuiti elettronici nei mercati delle telecomunicazioni, del militare, dell’aerospaziale e del consumer porta come conseguenza alla richiesta di pcb sempre più complessi. Il numero crescente di I/O con velocità sempre più elevate richiede piastre con una forte densità di connessioni, vias più piccoli e aspect ratio (rapporto profondità/diametro) elevati, oltre a un numero molto elevato di strati. Inoltre, la richiesta di prestazioni di velocità più elevate ha determinato l’impiego per i substrati di nuovi materiali con basse perdite e con elevata Tg, temperatura di transizione dello stato vetroso, materiali che però presentano problemi nelle fasi di foratura e di etchback.
In tutti questi casi i sistemi tradizionali, meccanici e chimici, di lavorazione delle piastre e di rimozione dei residui dai vias non sono più efficaci. I prodotti chimici liquidi a base di permanganato non riescono a penetrare nei piccoli vias che si trovano nei pcb molto densi e non sono in grado di lavare efficacemente i piccolissimi fori che sono tipicamente posizionati nei layer interni dei vias realizzati con laser. Altri prodotti liquidi come gli acidi hanno difficoltà a incidere materiali dielettrici come il polymide.
Il processo al plasma supera tali limitazioni per la sua intrinseca natura di penetrare in ogni piccolissimo spazio e per la possibilità di controllare il processo con estrema precisione. Il processo di pulizia e attivazione delle superfici con il plasma è stato finora normalmente utilizzato nella produzione di semiconduttori, ma oggi con le ridotte dimensioni utilizzate nei pcb entra di prepotenza anche nella produzione di piastre complesse. Il plasma si presenta infatti particolarmente efficace nella lavorazione di pcb con molti strati, da 8 a 64 e oltre, con piste ad alta densità. Il plasma consente la pulizia per la metallizzazione di fori passanti senza l’impiego di prodotti chimici, assicurando la metallizzazione fino agli strati più interni ed eliminando residui resinosi creati dal processo di foratura, nonché rimuovendo prodotti carboniosi nei fori ciechi. Il plasma può pulire microvias e fori ciechi, realizzati con laser, che hanno aspect ratio di elevato valore, da 5:1 fino a 30:1, e con diametri ridotti di 5 -125 μm. Inoltre, iI processamento con il plasma consente di aumentare l’energia superficiale di materiali chimicamente inerti come il Teflon, consentendone una perfetta laminazione. In generale poi, l’impiego della tecnologia al plasma permette una migliore qualità dei processi con un elevato grado di riproducibilità, insieme a caratteristiche di economicità e di salvaguardia dell’ambiente.
Vediamo una panoramica delle specifiche applicazioni della tecnologia al plasma per la costruzione di pcb, evidenziando i parametri critici e riportando infine una serie di esempi significativi.
Come opera il plasma?
Il plasma è una miscela, elettricamente neutra, di particelle gassose, fisicamente e chimicamente attive, come ioni, radicali e sottoprodotti di reazione. Tale miscela può operarare numerosi processi di modifica delle superfici come l’attivazione della superfice, la rimozione di contaminanti, l’attraversamento di un sottilissimo strato superficiale e l’incisione di materiali. Il tipo di processamento con il plasma dipende dal tipo di materiale del pcb, dalle richieste di post processing ed è controllato dalle condizioni del plasma stesso. Un sistema di equipaggiamenti per processi al plasma consiste di quattro principali componenti: la camera a vuoto, gli elettrodi, la pompa del vuoto e il generatore di energia RF. Nel caso delle piastre stampate, i pcb vengono sospesi fra una coppia di elettrodi posizionati nella camera a vuoto. Un sistema di pompa a vuoto, come una pompa a palette rotative e roots blower, viene utilizzato per mantenere la pressione del processo al plasma nel range di pochi millitorr. La sorgente gassosa viene introdotta attraverso un sistema che ne controlla il flusso della massa. Una volta raggiunta la pressione richiesta, viene applicata energia RF agli elettrodi dando inizio al processo del plasma. L’energia RF produce la ionizzazione e la dissociazione del gas. Normalmente il generatore RF opera nel range dei KHz e dei MHz. Alcuni dei processi che sono descritti successivamente in questo articolo utilizzano ad esempio un generatore RF a 40 KHz. Il plasma così generato consente di realizzare processi sia fisici che chimici attraverso il bombardamento con ioni e reazioni chimiche di radicali/sottoprodotti di reazione rispettivamente. A seconda della combinazione di gas utilizzata si possono realizzare diverse reazioni sulla superficie del materiale.
Processi al plasma per i pcb
Il processo al plasma risolve numerosi problemi associati con la produzione dei pcb, come sporcizia, residui e attivazione della superfice. Le reazioni chimiche sulla superficie sono utilizzate per rimuovere scorie di foratura e residui di resist, nonchè per aumentare la bagnabilità e l'adesione per la laminazione. Vediamo gli impieghi specifici del plasma per le Pcb.
Etchback/desmear - Il processo del plasma viene usato per la rimozione dei residui lasciati nella foratura dei vias e dei fori ciechi. Il residuo è costituito da una resina sparsa sulle pareti dei vias, che impedirebbe la metallizzazione delle connessioni elettriche. Il processo di etchback/desmear dei multilayer consiste nella rimozione della resina sparsa sulle superfici cilindriche del layer interni per assicurare la connessione elettrica dopo la metallizzazione.
Attivazione del Teflon (PTFE) - L’impiego di substrati a base di Teflon è in forte crescita per l’impiego in circuiti a frequenze elevate fino alle microonde dove il Teflon è in grado di assicurare basse perdite. Il suo impiego è ad esempio per circuiti di telecomunicazione, telefoni cellulari, VCO, amplificatori IF. Le piastre possono essere fatte di Teflon puro o di materiali misti di Teflon e di microfibre di vetro, rinforzate con fibra di vetro e composti di ceramica. A causa delle sue proprietà idrofobiche è molto difficoltoso depositare rame electroless su superfici di Teflon o effettuare una metallizzazione diretta. Il plasma permette di aumentare l’energia superficiale del Teflon, consentendone un’eccellente laminazione e bagnabilità per metallizzare i fori passanti, senza usare prodotti chimici per il lavaggio. Tutti i materiali a base di PTFE richiedono perciò l’attivazione della superficie con il plasma per cambiare l’energia superficiale, ciò per per consentire l’aderenza di rame electroless.
Rimozione del fotoresist - In un altro step del processo di produzionr il plasma viene impiegato per rimuovere il residuo di fotoresist, che rimane dopo avere realizzato circuiti tipo fine pitch (hanno larghezze inferiori a 0,65 mm) su pcb o sui loro layer interni. Il residuo di fotoresist può causare un cortocircuito sulla piastra se non viene rimosso prima dell’incisione. Il processo al plasma è in grado di rimuovere il fotoresist senza alterare la maschera del circuito.
Laminazione di substrati flessibili - Il processo al plasma è adatto anche per la preparazione degli strati interni dei materiali flessibili. Infatti I materiali flessibili tipo polyimide hanno superfici molto liscie che sono difficili da laminare. Il trattamento fisico introdotto dal processo al plasma introduce una microrugosità che ne consente un’efficace laminazione.
Pulizia del fori - Per realizzare fori ciechi nelle piastre viene utilizzata la tecnologia di foratura con il laser. Il residuo carbonioso prodotto dalla foratura a laser impedisce l’aderenza electroless e deve essere rimosso prima di procedere nella lavorazione della piastra. Il plasma rimuove il carbonio e la resina epossidica residua dalla parete del foro.
Superfici per le scritte - Il plasma è anche utile per le applicazioni in cui la maschera epossidica di saldatura non consente una superficie con buona adesione per le scritte. In questo caso il plasma cambia l’energia superficiale e la bagnabilità della maschera di saldatura per creare l’adesione richiesta.
Parametri critici del processo
Ora analizzeremo il sistema di pulizia al plasma della ditta Europlasma modello CD1200 PCB con il rack di caricamento delle piastre e relativo trolley di trasporto. Vediamo quali sono i parametri critici per il processo a cui rispondono i moderni sistemi di trattamento al plasma dei pcb.
Uniformità - L’uniformità di trattamento della piastra con il processo al plasma costituisce un parametro piuttosto critico. Se le pareti del foro non sono trattate in modo uniforme può rimanere del residuo che impedisce la realizzazione delle connessioni elettriche. Un eccesso di incisione di piazzole isolate sulla piastra può causare delle pieghe e dei vuoti nella metallizzazione. Le apparecchiature di trattamento con il plasma hanno fatto grandi progressi per adeguarsi alla lavorazione dei pcb. Le nuove apparecchiature al plasma sono state progettate per assicurare l’uniformità, in modo da assicurare risultati ripetibili con diversi caricamenti dell’apparecchiatura e con diversi lotti. Anche se le configurazioni delle apparecchiature di processamento con il plasma possono cambiare fra vari costruttori, gli elementi chiave per assicurare l’uniformità sono il progetto degli elettrodi, il flusso del gas flow e il suo scarico.
Elettrodi - Gli elettrodi devono essere realizzati in modo che sia garantita una zona primaria del plasma in cui vanno sospese i pcb. La zona primaria del plasma contiene la più elevata concentrazione di particelle attive generate dal plasma. Nella camera a vuoto vengono installati più sistemi di placche parallele di elettrodi per consentire di processare più pcb contemporaneamente. Il bus di alimentazione degli elettrodi multipli va realizzato opportunamente in modo da assicurare la distribuzione dell’energia RF in maniera uniforme fra le coppie di elettrodi. Il bus di alimentazione è realizzato alternando i cavi di potenza e di massa o, nei più recenti apparati, con due conduttori di potenza sfasati di 180°. Il bus viene realizzato in diagonale da un estremo all’altro del sistema di elettrodi, in modo da creare un flusso costante di corrente attraverso gli elettrodi. In tal modo nella zona primaria del plasma ogni faccia dei pcb viene trattata allo stesso modo, assicurando una velocità di incisione dei fori passanti uniforme e rapida. In funzione delle dimensioni della camera e il numero di coppie di elettrodi, si possono processare contemporaneamente fino a 32 o più pcb standard da 457 x 610 mm.
Gas - Il gas viene introdotto nella camera attraverso un sistema di controllo del flusso di massa. In ogni processamento l’accurata regolazione delle velocità del flusso del gas e il controllo della miscela sono fattori critici per una buona riuscita del trattamento dei pcb. Poichè i componenti del gas attivo si esauriscono e vengono fatti uscire dalla camera, I pcb più vicini agli ingressi del gas sono trattati più rapidamente. Per tale ragione occorre assicurare un controllo nella distribuzione del gas per garantire un trattamento uniforme di tutti I pcb caricati nella camera. La distribuzione uniforme del gas viene ottenuta utilizzando collettori interni del gas o iniettando il gas alternativamente dalle estremità opposte della camera.
Scarico del gas - Quando le valvole di scarico sono aperte, la pompa svuota la camera per creare il vuoto operativo. La pompa del vuoto rimuove in continuazione il gas esaurito, permettendo a nuove porzioni del gas di entrare nella camera. La valvola di scarico deve essere opportunamente posizionata in modo da rimuovere il gas dalle parti più lontane dai bocchettoni di ingresso del gas stesso; se questa fosse collocata troppo vicino agli ingressi le particelle attive del gas sarebbero rimosse dalla camera prima di essere utilizzate per il trattamento dei pcb.
Esempi di processo
Vengono qui riportati i parametri tipici per i principali casi applicazione dei processi con il plasma. Tali parametri sono abbastanza flessibili e sono dipendenti dalla potenza RF, dalla velocità del flusso del gas, dalla pressione del gas, dalla durata del processo e dall’area della superfice della piastra.
Desmear/Etchback - La rimozione di residui dovuti a foratura delle piastre richiede l’uso di di tre gas: Ossigeno (O2), Idrogeno (N2) e Tetrafluorometano (CF4). Per completare questo ciclo vengono utilizzate in sequenza tre fasi di processo (dette anche segmenti).
• Fase 1: per ottenere una reazione sufficiente del materiale della piastra, questa deve essere scaldata a 80-100 ºC a seconda della resina utilizzata. Per scaldare le piastre sono utilizzate miscele di O2 e N2 con velocità di flusso di 2-3 SLM (Standard Liter per Minute). Una elevata potenza RF contribuisce ad accelerare il riscaldamento.
• Fase 2: una combinazione dei gas O2, CF4 e N2 con velocità di flusso di 2-3 SLM crea la reazione chimica che rimuove la resina dai fori passanti. La potenza RF viene ridotta quanto basta per fornire sufficiente energia per mantenere un’appropriata temperatura della piastra e un’adeguata uniformità di incisione. La durata tipica del segmento 2 è di 15 minuti, ma la durata può essere allungata per realizzare l’etchback.
• Fase 3: questa fase completa il processo del plasma rimuovendo sottoprodotti dello step 2, come cenere e floruro, mediante una cottura in un’atmosfera di O2 puro.
Attivazione del Teflon - I materiali a base di teflon richiedono processi diversi a seconda che che si tratti di Teflon puro o di Teflon mescolato con altri prodotti, come ceramiche e vetro, in modo random o con struttura a fibre. Materiali di Teflon puro: vengono processati in un unico segmento per attivare i fori passanti. I gas più usati sono combinazioni di Idrogeno (H2) e Azoto (N2). Non è necessario riscaldare la piastra poichè il Teflon verrà poi attvivato per aumentarne la bagnabilità. Non appena la camera raggiunge la pressione operativa, vengono inseriti I gas e la potenza RF. Il processo ha una durata di circa 20’ per la maggior parte di piastre di Teflon. La successiva deposizione di rame elettroless o di metallizzazione dovrà essere eseguita entro le 48 h, tempo dopo il quale la superficie del Teflon ritorna alla condizione di non bagnabilità. Materiali di Teflon mescolato: richiedono un processo a due step. Il primo segmento pulisce e microincide il materiale aggiunto al Teflon. Per tale segmento sono tipicamente usati gas CF4, O2 e N2. Il secondo segmento è lo stesso usato per il Teflon puro.
Descumming del resist e incisione del cover coating flessibile - Viene utilizzato lo stesso processo per pulire dalle scorie di fotoresist e per incidere superfici di covercoat flessibile. Lo stesso processo a base di gas O2 funziona per entrambi gli impieghi. Il preetching di layer interni richiede normalmente 15’ per produrre effetti che migliorano la laminazione. Da 15’ a 30’ sono sufficienti per rimuovere lo spessore variabile di resist e per lasciare un percorso pulito per l’incisione.
Rimozione dei residui carboniosi - Il processo per rimuovere residui carboniosi è simile a quello di desmear, eccetto che in tal caso viene richiesto anche gas Argon (Ar). A seconda della qualità dei vias realizzati con il laser, possono essere richiesti uno o due segmenti di process per rimuovere con successo il carbonio e la resina dai micro vias e dai fori ciechi.
Alcuni processi laser lasciano un consistente residuo di resina bruciata e di residui carboniosi attorno al bordo del via e sul terminale di destinazione.
Se i fori sono abbastanza sporchi sono richieste due fasi di processo.
• Segmento 1: una combinazione di plasma con gas CF4 e O2 rimuove la resina sui bordi e nel foro. Tale fase dura 15-30 minuti.
• Segmento 2: questo step rimuove I prodotti carboniosi lasciando I vias pronti per la metallizzazione. Viene impiegato gas formato da Argon con una piccola percentuale di O2 con un tempo di processo di 10-20 minuti.
Se i fori realizzati con il laser non sono troppo sporchi e con un minimo residuo di resina bruciata, è sufficiente un solo segmento del processo, combinando in tal caso Ar, CF4 e O2.
