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TECHNISCHES
GEBIET
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Ausführungsformen
der Erfindung betreffen die Herstellung von Leiterplatten im Allgemeinen
und spezifisch die Bewertung der Mikroviabildung im Substrat der
Leiterplatte (PCB).
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Während sich
die Fertigungstechnik zur Erzielung einer größeren Dichte in integrierten
Schaltungen rasch geändert
hat, wurde diese größere Dichte
bei der Herstellung von Leiterplatten (auch unter der Bezeichnung
gedruckte Verdrahtungsplatten bekannt) wesentlich langsamer erreicht.
Mehrlagen-Leiterplatten mit mehr als einer Zwischenlage aus einem
leitfähigen
Material, wie zum Beispiel Kupfer, sind gängig.
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Eine
technische Entwicklung in der Herstellung von Leiterplatten ist
eine Mikrovia (im Folgenden mitunter kurz als μVia bezeichnet). Eine Mikrovia
ist ein Loch oder eine Öffnung
zur Verbindung einer äußeren Leitschicht
einer Leiterplatte mit der nächsten inneren
Leitschicht. Infolge des kleinen Durchmessers der Mikrovias und
der Pads, mit denen sie verbunden werden, konnten die Konstrukteure
die Schaltungsdichte einer Leiterplatte erhöhen. Das kann seinerseits die
Größe und Kosten
von elektronischen Produkten reduzieren.
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Mikrovias
haben zwar eine höhere
Schaltungsdichte ermöglicht,
aber auch die Herstellung von Mehrlagen-Leiterplatten so kompliziert
gemacht, daß die
Zuverlässigkeit
einer Mikrovia heute sehr wichtig ist. Die traditionelle Zuverlässigkeitsprüfung der
Mikrovia erfolgte im Rahmen der Endprüfung im Herstellungsverfahren.
Das ist ggf. zu spät
für Korrekturmaßnahmen
an fehlerhaften Mikrovias. Wenn also bei der Endprüfung der
Leiterplatte eine fehlerhafte Mikrovia vorgefunden wird, muß die Leiterplatte verschrottet
werden.
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Wenn
außerdem
die Substrate einem stärkeren
Wärmeschock
ausgesetzt werden, kann eine schwache Grenzfläche der Via rissig und aufgespaltet
werden, was Leerlauf zur Folge haben kann. Die Grundursache der
schwachen Grenzfläche
ist gewöhnlich
der Kontamination des Bodens der Via durch Harzrückstände oder die Oxidation eines
Kupferpads (cu) nach dem Entschmieren zuzuschreiben.
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Bisher
wurde diese Kontamination der Vias nur in sehr begrenztem Maße überwacht,
und Kontaminationsprobleme wurden kaum in Echtzeit vor dem Abschluß des Herstellungsverfahrens
gelöst.
Es gab also keine laufende Überwachung
des Pads vor dem stromlosen ("Eless") Galvanisieren.
Derzeitige Überwachungssysteme,
nämlich "Via Pop" und "R-Shift", kommen im typischen
Fall erst bei der Endprüfung (End
of Line (EOL)) zum Einsatz, was die Berichtigung von Abweichungen
(z.B. Kontaminationsproblemen) in Echtzeit erschwert. "Via Pop" ist ein System,
wobei eine Mikrovia gebildet, entschmiert, galvanisiert und schließlich abgeschält wird.
Wenn die Mikrovia infolge von Kontamination (d.h. fehlerhaft gebildete
Mikrovia) lose an einem Capture Pad haftet, ist die Bruchgefahr
höher als
bei einer gut haftenden Via. "R-Shift" (Widerstandsverschiebung)
ist ein Überwachungssystem,
wobei das Substrat am Ende der Herstellung (EOL) unter Spannung
gesetzt wird, Der Widerstand der Mikrovia wird vor und nach dieser
Beanspruchung gemessen. Wenn sich der Widerstand der Mikrovia um
mehr als 10% verschiebt, besteht für die Mikrovia die Gefahr des
Aufspaltens und des Ausfalls beim Anbringen des Chips. Im typischen
Fall dauert es vier bis fünf
Wochen, bis das Leiterplattensubstrat nach der Verarbeitung der
Via das Ende des Herstellungsprozesses (EOL) für die bestückte Leiterplatte erreicht.
Auch entdecken die heutigen Inline-Überwachungssysteme nicht immer potentielle
mit Mikrovias verbundene Probleme. Die bei der Endprüfung zur
Anwendung kommenden Systeme wirken nur auf der Ebene "Fehler je Million (dpm)" und sind nicht imstande,
die starke Kontamination einer Mikrovia abzufangen oder zu erkennen.
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Die
Zuverlässigkeit
der Mikrovias kann ein so schwerwiegendes Problem bilden, daß eine Fertigungsstraße für Leiterplattensubstrate
zur Ermittlung des Fehlers ggf. stillgelegt werden muß. Wenn
außerdem
nur bedingt funktionsfähige
Einheiten zum Versand kommen und beim Verbraucher versagen, könnte das
das Qualitätsniveau
einer Firma stark beeinträchtigen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Mehrlagen-Leiterplatte mit
Mikrovias.
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1B ist
eine aufgeschnittene Darstellung eines Beispiels einer kompakten
integrierten Schaltung einschließlich eines Mehrlagen-Leiterplattensubstrats
mit Mikrovias.
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2A ist
eine vergrößerte Draufsicht
auf eine Mikrovia in einer Mehrlagen-Leiterplatte.
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2B ist
ein vergrößerter Querschnitt durch
eine Mikrovia in einer Mehrlagen-Leiterplatte.
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3 ist
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bildung von Mikrovias gemäß Ausführungsformen
der Erfindung.
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4A bis 4F sind
vergrößerte Querschnitte
durch eine strukturelle Bildung einer Mikrovia.
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5 ist
ein Diagramm mit Kurven, die Maße
der Kupferoxidation für
verschiedene Zeitspannen nach dem Entschmieren unter Anwendung der
sequentiellen elektrochemischen Reduktionsanalyse (SERA) anzeigt.
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6 ist
ein Diagramm mit einer Kurve, die eine typische Messung unter Anwendung
der sequentiellen elektrochemischen Reduktionsanalyse (SERA) zum
Auffinden von Kontamination anzeigt.
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7 ist
ein Diagramm mit zwei Kurven, die Messungen einer verunreinigten
und einer nicht verunreinigten Mikrovia unter Anwendung der sequentiellen
elektrochemischen Reduktionsanalyse (SERA) anzeigt.
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8 ist
ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Systems für sequentielle
elektrochemische Reduktionsanalyse (SERA) zum Auffinden von Kontamination
in einer Mikrovia.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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In
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung werden zahlreiche spezifische Angaben zum gründlichen
Verständnis
der Erfindung angeboten. Dem Fachmann wird jedoch klar sein, daß die Ausführungsformen
der Erfindung auch ohne diese spezifischen Detailangaben zur Anwendung
kommen können.
Andererseits wurden bekannte Methoden, Verfahren, Bauteile und Schaltungen
nicht ausführlich beschrieben,
um keine Aspekte der Ausführungsformen
der Erfindung unnötigerweise
zu unklar zu machen.
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Allgemein
gesagt kommt bei den Ausführungsformen
der Erfindung eine sequentielle elektrochemische Reduktionsanalyse
(SERA) zur Überwachung
der Zuverlässigkeit
von Mikrovias bei der Herstellung eines Substrats für Mehrlagen-Leiterplatten zur
Anwendung. SERA ist ein elektrochemischer Prozeß, der im typischen Fall zur
Ermittlung von diversen Beschichtungsparametern eingesetzt wird, welche
die Lötbarkeit
der Oberflächenkontakte
und Durchgangsbohrungen von Leiterplatten sowie die Eignung zum
Drahtbonden an die Drahtbondinsel einer integrierten Schaltung andeuten
können.
Im typischen Fall wird ein kleiner, genau definierter Bereich auf
einem Prüfling
isoliert und zur Oxidation einer Oberflächenart unter Strom gesetzt.
Aus der Aufzeichnung des Potentials über der Zeit ergibt sich eine
Reihe von dem Auftreten der Oxidation entsprechenden Plateaus. Die
Spannungswerte identifizieren die vorhandene Art, und der Zeitpunkt
der einzelnen Werte mißt
die vorhandene Menge. Aus der grafischen Darstellung der Spannungswerte über der Zeit
lassen sich ggf. die Kontamination der Beschichtung, Kontaminationsdickenprobleme,
die Porosität der
Beschichtung oder Zusammensetzungsprobleme erkennen. Traditionell
wurde die SERA Meßtechnik als
ein Werkzeug der Oberflächenanalyse
betrachtet, das Redoxreaktionen (Reduktion-Oxidation) zum quantitativen
Nachweis von Oberflächenzuständen wie
zum Beispiel Oxiden, Sulfiden, Harzrückständen etc. einsetzt. Die Anwendung
von SERA zum Nachweis von organischer Kontamination und Kupferoxiden
(cu) (sowohl Kupferoxid CuO als auch Dikupferoxid (Cu2O)
ist bekannt. Heute kann SERA als zerstörendes oder zerstörungsfreies
Verfahren der Inline-Meßtechnik
bei der Prüfung
der Zuverlässigkeit von
Mikrovias zur Anwendung kommen.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Verfahren, welches das Bohren einer Mikrovia-Öffnung durch
eine dielektrische Oberlage eines Mehrlagen-Leiterplattensubstrats;
das Entschmieren des Mehrlagen-Leiterplattensubstrats einschließlich der
Mikrovia-Öffnung
bis zu einem Capture Pad in einer Leitlage; und die Durchführung einer
sequentiellen elektrochemischen Reduktionsanalyse über dem Capture
Pad innerhalb der Mikrovia-Öffnung
umfaßt, um
ggf. in der Mikrovia-Öffnung
vorhandene Kontamination ausfindig zu machen. Wenn Verunreinigungen
vorgefunden werden, umfaßt
das Verfahren ggf. außerdem
die Unterbrechung der Herstellung des Leiterplattensubstrats, Maßnahmen
zur Korrektur des Herstellungsverfahrens und den erneuten Start der
Herstellung des Leiterplattensubstrats. Wenn Verunreinigungen vorgefunden
werden, kann das Verfahren außerdem
noch die Verschrottung des Mehrlagen-Leiterplattensubstrats umfassen.
Wenn in der Mikrovia-Öffnung keine
Verunreinigungen gefunden werden, kann das Verfahren außerdem das stromlose
Galvanisieren des Mehrlagen-Leiterplattensubstrats mit einer Kristallkeimlage
und das Aufbringen eines galvanischen Überzugs auf dieser umfassen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrlagen-Leiterplattensubstrats
mit einer zwischen einer dielektrischen Ober- und Unterlage angeordneten
inneren Leitlage, die ein Capture Pad für eine Mikrovia enthält; das
Bohren einer Mikrovia/Öffnung
durch die dielektrische Oberlage über dem Capture Pad; das Entschmieren
des Mehrlagen-Leiterplattensubstrats einschließlich der Mikrovia-Öffnung bis
zum Capture Pad; die Durchführung
einer sequentiellen elektrochemischen Reduktionsanalyse innerhalb
der Mikrovia-Öffnung;
und die Ermittlung, ob die Herstellung des Leiterplattensubstrats
zur Fertigstellung der Mikrovia unter Beachtung der sequentiellen
elektrochemischen Reduktionsanalyse fortgesetzt werden kann. Wenn
sich herausstellt, daß die
Herstellung des Leiterplattensubstrats nicht fortgesetzt werden darf,
kann das Verfahren außerdem
die Unterbrechung der Herstellung des Leiterplattensubstrats, Maßnahmen
zur Korrektur des Herstellungsverfahrens und den erneuten Start
der Herstellung des Leiterplattensubstrats umfassen. Wenn Verunreinigungen
vorgefunden werden, kann das Verfahren außerdem noch die Verschrottung
des Mehrlagen-Leiterplattensubstrats umfassen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein aus einem Mehrlagen-Leiterplattensubstrat und einem Gerät für sequentielle
elektrochemische Reduktionsanalyse (SERA) bestehendes System. Das
Mehrlagen-Leiterplattensubstrat weist eine Mikrovia-Öffnung in einer dielektrischen
Lage über einem
Capture Pad in einer Leitlage auf. Das SERA-Gerät dient zur Bewertung der Kontamination
in der Mikrovia-Öffnung über dem
Capture Pad und besteht aus einem Behälter, einem O-Ring, einer Reduktionslösung im
Behälter,
einer Bezugselektrode, einer Arbeitselektrode und einem Analysator.
Der Behälter
hat eine Öffnung,
die mit dem die Mikrovia-Öffnung
umgebenden Mehrlagen-Leiterplattensubstrat verbunden
wird. Der O-Ring verbindet den Rand der Öffnung mit dem Mehrlagen-Leiterplattensubstrat und
dichtet gegen Flüssigkeit
ab. Die Reduktionslösung
im Behälter
ist über
dem Mehrlagen-Leiterplattensubstrat in Kontakt mit dem Capture Pad
in der Mikrovia-Öffnung.
Ein Ende der Bezugselektrode taucht in die Reduktionslösung ein.
Ein Ende der Arbeitselektrode taucht ebenfalls in die Reduktionslösung ein.
Der Analysator ist elektrisch mit dem Capture Pad, der Bezugs- und
der Arbeitselektrode verbunden. Er erzeugt einen Prüfstrom in
einem Stromkreis, der sich vom Analysator durch die Arbeitselektrode,
die Reduktionslösung,
das Capture Pad und zurück
zum Analysator erstreckt. Der Analysator mißt und verzeichnet das Elektrodenpotential
zwischen Capture Pad und Bezugselektrode in der Zeitspanne, in welcher
der Prüfstrom
fließt.
Der Prüfstrom
veranlaßt
eine sequentielle elektrochemische Reduktion der Verunreinigungen
am Capture Pad. Diese liegen in der Form von oxidiertem Kupfer einschließlich von Kupfer(II)-oxid,
Dikupferoxid und/oder Kupfer(I)-sulfid
vor. Die Reduktionslösung
kann eine Kaliumchlorid-(KCl), eine Natriumchlorid-(NaCl) oder eine
andere Reduktionslösung
sein.
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1A ist
eine Draufsicht auf eine Mehrlagen-Leiterplatte 100A. Die
Leiterplatte 100A weist Mikrovias 102A–102I (allgemein
als Mikrovias 102 bezeichnet) und Schaltungskomponenten 104A–104C auf.
Bei den Schaltungskomponenten 104A–104C kann es sich
um integrierte Schaltungen, Widerstände, Kondensatoren, Drosseln,
Transformatoren oder andere passive/aktive elektrische Schaltungskomponenten
handeln. Die Mikrovias 102A–102I können wie
zum Beispiel 102A, 102B, 102D und 102G–102I minimale
Abmessungen für Metallverbindungen
haben. Diese Mikrovias können auch
als Verbindungs-Mikrovias
bezeichnet werden.
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Eine
oder mehr der Mikrovias können
größer sein
als die Verbindungs-Mikrovias und können daher für Prüfung und Überwachung
verwendet werden; zu diesen gehören 102C, 102E und 102F in 1A.
Diese Mikrovias können
auch als Prüf-Mikrovias
bezeichnet werden. Die Prüf-Mikrovias
können
an verschiedenen Stellen auf der Leiterplatte 100A angeordnet
sein, um die Zuverlässigkeit
der Mikrovias an verschiedenen Stellen zu ermitteln. Mikrovia 102E ist
zum Beispiel in der Mitte der Leiterplatte 100A zu finden,
während
Mikrovias 102F und 102C an den Ecken der Leiterplatte 100A angeordnet
sind. Infolge der größeren Abmessungen
der Prüf-Mikrovias
können
die minimalen Abmessungen der Verbindungs- Mikrovias im Rahmen des technisch Zulässigen noch
weiter reduziert werden. Die größeren Mikrovias
(d.h. die Prüf-Mikrovias)
können
also weiterhin für
SERA-Prüfungen
verwendet werden, während die
Größe der Verbindungs-Mikrovias
reduziert wird. Außerdem
kann eine typische Leiterplatte eine Vielzahl von Mikrovias aufweisen.
Eine kleine Zahl von Prüf-Mikrovias kann als
Stichprobe geprüft
werden und die Zuverlässigkeit
aller Mikrovias der ganzen Leiterplatte andeuten.
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1B zeigt
eine kompakte (packaged) integrierte Schaltung 110. Die
kompakte integrierte Schaltung 110 enthält eine Mehrlagen-Leiterplatte 100B mit
einer Verbindungs-Mikrovia 112A und einer Prüf-Mikrovia 112B (allgemein
als Mikrovias 102 bezeichnet). Die Prüf-Mikrovia 112B kann größer sein als
die Verbindungs-Mikrovia 112A. Die kompakte integrierte
Schaltung 110 kann ferner den Chip 114, Löthöcker 115 zwischen
der integrierten Schaltung 114 und der Leiterplatte 100B sowie
Lötkugeln 116 zur
Verbindung mit einer größeren Leiterplatte,
wie zum Beispiel der Leiterplatte 100A, aufweisen. Die kompakte
integrierte Schaltung 110 kann eine der oben mit Bezugnahme
auf 1A beschriebenen Komponenten 104A–104C bilden.
Die kompakte integrierte Schaltung 110 kann außerdem ein
Füllmaterial 117 (z.B.
Epoxidharz) zwischen der integrierten Schaltung 114 und
der Leiterplatte 100B sowie eine Vergußmasse 118 zum Schutz
der integrierten Schaltung 114 und der Leiterplatte 100B gegen
Beschädigung
aufweisen.
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Die
Leiterplatte 100B kann auch als Substrat oder Leiterplattensubstrat
bezeichnet werden. Auf jeden Fall hat die Leiterplatte 100B eine
Oberseite und eine dieser gegenüberliegende
Unterseite. Zusätzlich
zu den die Leitlagen verbindenden Mikrovias kann das Substrat 100B auch
auf einer oder mehreren Lagen Führungsspuren,
Stromversorgungs- und Masseebenen etc. aufweisen.
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Die
integrierte Schaltung 114 kann mittels der Vielzahl von
Löthöckern 115 auf
der Oberseite des Substrats 100B befestigt sein. Die Löthöcker 115 können in
einem zweidimensionalen Array über
die integrierte Schaltung 114 und das Substrat 100B verteilt
sein, wobei ein üblicherweise
als Controlled Collapse Chip Connection (C4 – Chipverbindung mit gesteuertem
Kollaps) bezeichnetes Verfahren zur Anwendung kommt. Die leitfähigen Löthöcker 115 können elektrischen
Strom zwischen der integrierten Schaltung 114 und dem Substrat 100B führen.
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Die
Vielzahl der Lötkugeln 116 ist
auf der Unterseite des Substrats 100B angeordnet. Zur Befestigung
der Einheit 110 an einer anderen Leiterplatte, wie zum
Beispiel der Leiterplatte 100A, können die Lötkugeln 116 aufgeschmelzt
werden. Zusätzlich
zu den die Leitlagen verbindenden Mikrovias kann das Substrat 100B auch
Führungsspuren,
Stromversorgungs- und
Masseebenen etc. aufweisen, die eine elektrische Verbindung zwischen
den Löthöckern 115 auf
der Oberseite des Substrats und den Lötkugeln 116 auf der
Unterseite des Substrats 100B herstellen. Wenn die Löthöcker 115 elektrisch
mit der integrierten Schaltung 114 verbunden sind, kann
die integrierte Schaltung 114 über die Führungsspuren, Stromversorgungs-
und Masseebenen oder Mikrovias der Lagen des Leiterplattensubstrats 100B elektrisch
mit den Lötkugeln 116 auf
der Unterseite des Substrats 100B verbunden werden.
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Die
Mikrovias 102 in den Leiterplatten 100A und 100B wurden
gemäß den Ausführungsformen der
Erfindung analysiert und daher zuverlässig gebildet.
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2A ist
eine vergrößerte Draufsicht
auf eine Mikrovia 102. Von oben aus betrachtet. kann die Mikrovia 102 in
der Zeichnung in zwei Dimensionen eine quadratische oder rechteckige
Form haben. Bei der Herstellung kann die Mikrovia in zwei Dimensionen
eher rund oder oval aussehen und von oben aus betrachtet abgerundete
Ecken aufweisen.
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Die
Mikrovia 102 hat eine Abmessung D in der Größenordnung
von 200 bis 300 Mikron. Weitere technische Verbesserungen können auch
eine kleinere Abmessung D ermöglichen.
Als Prüf-Mikrovia kann
eine Mikrovia mit größerem Durchmesser
verwendet werden, so daß derzeitige
SERA-Geräte auch
bei den kleineren Verbindungs-Mikrovias zur Anwendung kommen können. Eine
Prüf-Mikrovia kann
zum Beispiel 250 Mikron groß sein,
während eine
Verbindungs-Mikrovia ggf. nur 50 Mikron messen kann. Abgesehen von
diesen Maßunterschieden sind
die Prüf-
und die Verbindungs-Mikrovia im Aufbau gleichartig.
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2B ist
ein Querschnitt durch die Leiterplatte 100 mit Mikrovia 102.
Die Leiterplatte 100 enthält eine Vielzahl von Verbindungslagen 202A–202N. Bei
der Bildung einer Mikrovia kommen mindestens zwei Verbindungslagen
zur Anwendung. Zwischen den Verbindungslagen 202A–202N können dielektrische
Lagen 204A–204N vorgesehen
sein. Die Verbindungslagen 202A–202N können aus
einem leitfähigen
Material wie zum Beispiel einem Metall oder einem anderen Leiter
hergestellt werden. Im typischen Fall kommt bei der Bildung der
Verbindungslagen Kupfer zum Einsatz. Die dielektrischen Lagen 204A–204M können aus
einem ABF (Ajinomoto Buildup Film)-Dielektrikum (z.B. ABF-SH; ABF-GX3
und ABF-GX13) von Ajinomoto in Japan oder aus einem anderen Dielektrikum
hergestellt werden.
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Der
Aufbau der Mikrovia umfaßt
ein Capture Pad 212 und eine äußere Kontaktlage 210.
Während die
Abmessungen der Mikrovia vom Druckmesser D bestimmt werden, werden
die Abmessungen des Capture Pads 212 vom Durchmesser L
bestimmt, der größer sein
kann als der Durchmesser D. Das Capture Pad 212 wird aus
dem selben Material hergestellt wie die Leitlage 202B.
Vor dem Legen der die Kontaktlage 210 der Mikrovia 102 bildenden
Leitlage 202A wird die Oberfläche des Capture Pads 212 mittels
SERA gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung analysiert.
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3 ist
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bildung von Mikrovias 102 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Bei Block 302 beginnt die Bildung der Mikrovia
mit dem Bohren einer Öffnung
in einem Mehrlagen-Leiterplattensubstrat bis zu einer das Capture
Pad bildenden Leitlage. Die Öffnung
kann mittels Laser oder mittels Ionenätzung gebohrt werden.
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4A–4B veranschaulichen
den Prozeß des
Laserbohrens. Eine laminierte dielektrische Lage (ABF) 402 auf
einem Capture Pad 404 aus Kupfer wird mittels Laserstrahl 410 gebohrt.
Das Capture Pad 404 aus Kupfer wird von der darunter liegenden ABF-Lage 406 getragen.
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Nach
dem Laserbohren bleiben gemäß Block 304 Schmiere
und Harzrückstände auf
den Metallkontakten zurück,
die vor dem darauf folgenden Metallisieren entfernt werden müssen. Dabei
kommt eine Vorbehandlung mit der Bezeichnung Entschmieren (Desmear)
zur Anwendung. Dabei handelt es sich einfach um ein Verfahren zum
Entfernen von Epoxidharz (einschließlich Schmiere) und Glasfasern aus
der Mikrovia-Öffnung,
um eine größere Kupferfläche freizulegen
und die spätere
Metallverbindung zu verbessern. Leiterplattensubstrate können mit speziellen
Entschmiergeräten,
wie zum Beispiel Geräten
für Plasma-
oder chemisches Ätzen,
entschmiert werden. Das Ergebnis des Entschmierverfahrens ist in 4C–4E zu
sehen.
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In 4C bleibt
nach dem Laserbohren ein Harz-/ABF-Rückstand 412 zurück. Nach
dem Laserbohren einer Mikrovia muß deren Boden einschließlich des
Capture Pads vor dem Aufbringen der stromlosen Kupferlage unbedingt
gereinigt werden. Wenn Kontamination nicht vor dem stromlosen Galvanisieren
vom Boden der Mikrovia entfernt wird, kann eine schwache Grenzfläche den
Ausfall der Mikrovia zur Folge haben. Die Kupferoxidation muß in der
Mikrovia ebenfalls auf das Minimum beschränkt werden.
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In 4D wurde
bereits ein erheblicher Anteil des Harz-/ABF-Rückstandes 412 entfernt,
und es verbleiben nur noch oberflächliche Verunreinigungen 414,
die bereits beim Laserbohren vorhanden waren.
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Wie 4E zeigt,
wurde die Mikrovia-Öffnung 416 durch
Entschmieren bis zum Capture Pad 404 hinunter im Wesentlichen
gereinigt.
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Bei
Block 308 wird die Mikrovia einer Qualitätsanalyse
durch Inline-Überwachung
unterworfen. Nach dem Entschmieren bei Block 304 erfolgt
eine Oberflächen-/Kontaminationsanalyse
der Mikrovia gemäß Ausführungsformen
der Erfindung. Im Allgemeinen kommt bei der Oberflächen-/Kontaminationsanalyse
der Mikrovia bei Block 308 die sequentielle elektrochemische
Reduktionsanalyse (SERA) zum Einsatz. Je nach der Aussetzungszeit
der Mikrovias des Leiterplattensubstrats kann ihre Bodenfläche, wie
in 4D gezeigt, oxidiert werden. In diesem Fall kann
die Oberflächen-/Kontaminationsanalyse
der Mikrovia bei Block 308 oberflächliche Verunreinigungen nachweisen
und entscheiden, ob die Herstellung des Leiterplattensubstrats und
der darin befindlichen Mikrovias fortgesetzt werden soll oder nicht.
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Beim
Entscheidungsblock 309 wird dann ermittelt, ob bei der
Zuverlässigkeitsanalyse
bei Block 308 oberflächliche
Verunreinigungen vorgefunden wurden. Wenn beim Entscheidungsblock 309 keine Verunreinigungen
vorgefunden werden, wird der Prozeß bei Block 311 fortgesetzt,
wo die äußere Kontaktlage
stromlos galvanisiert wird. Beim stromlosen Galvanisieren wird eine
Kristallkeimlage für
einen darauffolgenden galvanischen Überzug aufgetragen.
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4F veranschaulicht
die Bildung der Kontaktlage 418 zur Verbindung der äußeren Lage
mit der inneren Lage des Capture Pads 404. Nach der Bildung
der Mikrovia 102 im Mehrlagen-Leiterplattensubstrat kann
dieses weiteren Verfahren unterzogen werden.
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Wenn
bei Block 309 Verunreinigungen vorgefunden werden, geht
der Prozeßablauf
zu Block 313 über,
wo die Herstellung des Leiterplattensubstrats unterbrochen wird.
Bei Block 315 erfolgen Korrekturmaßnahmen am Verfahren zur Vermeidung
der Kontamination. Bei Block 317 können die in Verarbeitung befindlichen
(Work-in-progress (WIP)) verunreinigten Leiterplattensubstrate verschrottet
werden. Nach der Korrektur des Verfahrens bei Block 315 kann
die Herstellung der Leiterplattensubstrate erneut beginnen. Gewisse Leiterplattensubstrate
können
sich in unterschiedlichen Verarbeitungsstufen (WIP) befinden und
an einer früheren
Stelle der Fertigungsstraße
beginnen als andere.
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Im
Diagramm 500 von 5 sind Kurven 502, 504, 506 und 508 zu
sehen. Kurven 502–505 zeigen
verschiedene Zeitspannen, während
derer eine Leiterplatte nach dem Entschmieren bei Block 304,
wie in 3 gezeigt, innerhalb des Herstellungsprozesses
warten kann. Kurve 502 veranschaulicht eine SERA-Analyse
der Bildung von Kupferoxiden nach zwei Stunden. Kurve 503 veranschaulicht eine
SERA-Analyse der Kupferoxidation nach vierundzwanzig Stunden. Kurve 504 veranschaulicht eine
SERA-Analyse der Kupferoxidation nach achtundvierzig Stunden. Kurve 505 veranschaulicht
eine SERA Analyse der Kupferoxidation nach sechzig Stunden. Kurven 502–505 zeigen,
daß die
Kupferoxidation und die oberflächlichen
Verunreinigungen am Capture Pad umso stärker sind, je länger die
Leiterplatte nach dem Entschmieren bei Block 304 warten muß (d.h.
je länger
die Zeit nach dem Entschmieren ist). Je länger also unfertige Mikrovias
mit offenen Capture Pads warten müssen, desto stärker wird
die Zuverlässigkeit
der fertigen Mikrovia 102 beeinträchtigt. Nach Möglichkeit
ist die schnelle Bildung der Mikrovia nach dem Entschmieren vorzuziehen.
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Ein
Diagramm 600 in 6 veranschaulicht eine typische
SERA-Analyse anhand einer Kurve 601. Bei zunehmender Zeit
entlang der X-Achse wird das elektrische Potential bzw. die Spannung
gemessen. Die Erhöhung
des absoluten Spannungswerts deutet einen erhöhten Widerstand über eine
gegebene Zeitspanne an. Das ist der Verringerung der Dicke eines
Metallleiters durch Metallverbrauch zuzuschreiben. Die Verringerung
im Querschnitt des Metalls verursacht den erhöhten Widerstand. Wenn der absolute
Spannungswert jedoch über
eine gegebene Zeitspanne ziemlich konstant bleibt, wie die Plateaus in
der Kurve 600 andeuten, deutet das eine mögliche Verringerung
der Verunreinigung an, da der Widerstand des Metalls nicht zunimmt.
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Bei
Punkt 602 der Kurve 601 beginnt eine Reaktion
mit einem Reaktionspartner. Auf dem Plateau bei 604 an
der Kurve 601 erfolgt ein Reduktionsprozeß in einer
Verunreinigung während
einer Übergangszeit.
Bei 606 an der Kurve 601 wird mit zunehmender
Spannung das Ende des Reaktionsprozesses erreicht und weiteres Metall
verbraucht. Bei letztem Plateau bei 608 entlang der Kurve 601 entwickelt sich
Wasserstoff, da kein weiteres Metall zum Verbrauch zur Verfügung steht.
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Ein
Diagramm 700 in 7 zeigt die Kurven 701A und 701B.
Die Kurven 701A und 701B verlaufen anfänglich gleich
wie die Spannungsmessung mittels SERA-Analyse. Anfänglich wird
bei beiden Kurven am Plateau bei 704 entlang das Kupfer(I)-oxid
reduziert. Darauf folgt weitere Ausdehnung bei zunehmendem spezifischem
Widerstand bis zu ca. 0,6 Volt, wo die Kurven auseinander gehen.
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Kurve 701A der
SERA Analyse deutet eine zuverlässige
Mikrovia ohne Verunreinigung durch Kupfer(II)-oxid und Kupfer(I)-sulfid
an, Kurve 701B eine fehlerhafte Mikrovia, die nicht zuverlässig sein würde, da
sie starke Verunreinigungen durch Kupfer(II)-oxid und Kupfer(I)-sulfid
aufweist.
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Von
der Teilung an nimmt der Widerstand bei Kurve 701A ohne
Plateau weiter zu, bis nach ca. 100 Sekunden das Plateau der Wasserstoffentwicklung erreicht
ist. Von da an entwickelt sich Wasserstoff entlang dem Plateau 710.
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Kurve 701B unterliegt
bei der Teilung einem Plateau, das bei 706 starke Verunreinigung
durch Kupfer(II)-oxid andeutet. Dann ist bei Kurve 701B ein weiterer
Anstieg im spezifischen Widerstand bis zu 0,8 Volt zu verzeichnen,
bis ein Plateau von ca. 0,9 Volt erreicht wird, wo bei 708 eine
starke Verunreinigung durch Kupfer(I)-sulfid reduziert wird. Daraufhin dehnt
sich Kurve 701B unter Erhöhung des spezifischen Widerstandes
bis zu ca. 300 Sekunden weiter aus, wo sich am Plateau 710 Wasserstoff
entwickelt und die Kurven 701A und 701B wieder
zusammen fallen. Aus dem Diagramm 700 läßt sich auf der Basis der Unterschiede
zwischen den Kurven 701A und 701B leicht erkennen,
ob eine gegebene Mikrovia zuverlässig
gebildet wurde.
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8 zeigt
ein Beispiel für
ein System zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Mikrovias 102. Das
System besteht aus einem SERA-Gerät 800, wie zum Beispiel
dem von ECI Technology hergestellten Qualitätskontrollgerät Modell
QC-100 SURFACESCAN, zur Analyse des Leiterplattensubstrats 100. Das
SERA-Gerät 800 ist
ein relativ kostengünstiges Gerät, das sich
beim Inline-Messen der Zuverlässigkeit
von Mikrovias ausgezeichnet bewährt.
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Das
Leiterplattensubstrat 100 wird nach dem Entschmieren und
vor dem stromlosen Galvanisieren bei Block 308 in 3 analysiert,
wobei sich die Mikrovia wie in 4E gezeigt,
im Herstellungsprozeß befindet.
Die Bezugszahlen auf dem Leiterplattensubstrat in 8 entsprechen
denen in 4E. Bei dem in 8 gezeigten
Leiterplattensubstrat 100 führt die Mikrovia-Öffnung 416 zum
Capture Pad 404 in der Leitlage 202B. Bei dieser
Mikrovia kann es sich um eine Prüf-Mikrovia
handeln, die zu einem Kontakt 802 des Leiterplattensubstrats 100 führt, an
welchen das SERA-Gerät 800 angeschlossen
werden kann.
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Das
SERA-Gerät 800 kann
einen Behälter 804 mit
offenem Boden und einem O-Ring 806 am Bodenrand aufweisen,
der dichtend am Leiterplattensubstrat 100 anliegen kann.
Der Behälter 804 kann ferner
eine mit ihm verbundene Kammer 820 mit poröser Glasfritte 822 zum
teilweisen Isolieren der Bezugselektrode 804 aufweisen.
Der Behälter 804 wird so
rund um die Mikrovia-Öffnung 416 auf
das Leiterplattensubstrat 100 gestellt, daß der O-Ring 806 ihn ringsherum
abdichten kann. Der Behälter 804 kann sicher
am Leiterplattensubstrat 100 befestigt werden, so daß der O-Ring 806 die
Mikrovia-Öffnung 416 bei der
SERA-Analyse gut abdichten kann. Nach Herstellung dieser Flüssigkeitsdichtung
kann eine Reduktionslösung 808 durch
die Öffnung 810 in
den Behälter 804 gegossen
werden.
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Bei
der Reduktionslösung 808 kann
es sich um einen Elektrolyt handeln, der sich mit dem Lötsystem
verträgt,
wie zum Beispiel eine Pufferlösung (zum
Beispiel 9,55 g/l Natriumborat und 6,18 g/l Borsäure mit einem pH-Wert von 8,4),
die für
ein Cu-Sn-Pb-System geeignet ist. Zahlreiche andere Elektrolyte
(z.B. Borate, Zitrate, Sulfate, Nitrate etc.) erzielen ebenfalls annehmbare
Ergebnisse. Elektrolyte mit neutralem oder alkalischem pH-Wert,
von welchen starke Metallkomplexbildner (z.B. Chlorid, Bromid etc.)
ausgeschlossen wurden, können
jedoch die genauesten Messungen ergeben. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird als Reduktionslösung 808 Kaliumchlorid
(KCl) eingesetzt, und in einer weiteren kommt als Reduktionslösung 808 Natriumchlorid
(NaCl) zur Anwendung.
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Jetzt
wird die Öffnung 810 verschlossen
und ein Inertgas 812 in den Behälter 804 eingeführt. Das Inertgas 812 kann
aus einer Gasquelle 814 durch den Schlauch 816 eingeführt werden.
Die Ventile 817–818 werden
geöffnet,
so daß das
Inertgas 812 aus der Gasquelle 814 die Luft im
Behälter 804 durch den
Schlauch 819 verdrängen
kann. Das Inertgas 812 verdrängt die Luft aus dem Behälter 804,
um verfälschte
elektrochemische Reduktionsdaten infolge der Anwesenheit von Sauerstoff
zu vermeiden. Die Gasquelle 814 kann eine (nicht gezeigte)
Pumpe aufweisen, die das Gas auf einen den Atmosphärendruck übersteigenden
Druck bringt, um die Luft richtig aus dem Behälter 804 auszutreiben.
Bei dem Inertgas kann es sich um Argon (Ar) oder Stickstoff (N2) handeln.
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Das
System 800 kann drei Elektroden zur SERA-Analyse einsetzen.
Das Capture Pad 404 in der Mikrovia-Öffnung 416 wirkt als
erste Elektrode. Das SERA-Gerät 800 selbst
verfügt über eine
inerte Gegenelektrode 829, die auch als Arbeitselektrode bezeichnet
wird, und eine Bezugselektrode 824. In einigen Fällen kann
das SERA-Gerät 800 auch
eine (nicht gezeigte) Zusatzelektrode aufweisen, die zusätzliche
Messungen ermöglicht
und ggf. die Genauigkeit verbessert. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Bezugselektrode 824 eine gesättigte Kalomelelektrode
(SCE) sein. Die Bezugselektrode 824 taucht in die Reduktionslösung 808 ein.
Die inerte Gegenelektrode 828 kann in einer Ausführungsform
der Erfindung eine Platinelektrode sein. Die inerte Gegenelektrode 828 taucht
in die Reduktionslösung 808 ein.
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Das
Kernstück
des Systems 800 ist ein Prüf- und Meßanalysator 850. Der
Prüf- und
Meßanalysator 850 steuert
die Prüfung
und führt
Messungen zum Liefern von Ergebnissen der SERA-Analyse durch. Der
Prüf- und
Meßanalysator 850 enthält eine
Stromquelle und eine an die Elektroden 824, 828 und
das Capture Pad der Mikrovia angeschlossenes Voltmeter. Der Prüf- und Meßanalysator 850 enthält ferner ein
Schreibgerät
zur Aufzeichnung der Strom- und Spannungswerte über eine gegebene Zeitspanne.
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Der
Prüf- und
Meßanalysator 850 liefert
einen Prüfstrom
für die
elektrochemische Reduktion von Metalloxiden und, sofern vorhanden,
anderen Verunreinigungen am Capture Pad 404. Der Prüfstrom hat
eine relativ geringe Stromdichte in der Größenordnung von 10–1000 Mikroampere
je Quadratzentimeter Prüffläche. Eine
höhere
Stromdichte kann die SERA-Analyse
auf Kosten der Genauigkeit beschleunigen. Eine geringere Stromdichte
andererseits kann die SERA-Analyse genauer machen, wobei jedoch
mehr Zeit gebraucht wird. Der Prüfstrom ist
ein Negativstrom, der zwischen dem Capture Pad 404 der
Mikrovia und der Arbeitselektrode 828 fließt, während das
Potential zwischen dem Capture Pad 404 der Mikrovia und
der Bezugselektrode 824 als Funktion der Zeit registriert
wird. Wenn die Arbeitselektrode 828 eine stabile Spannung
bei niedrigen Stromwerten aufweist, kann die Arbeitselektrode 828 auch
als Bezugselektrode eingesetzt werden, und die separate Bezugselektrode 824 erübrigt sich.
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Der
Prüfstrom
aus dem Analysator 850 fließt durch den Draht 826 und
die inerte Gegenelektrode 828 in die Reduktionslösung 808,
zum Capture Pad 404, zum Kontakt 802, und durch
den Draht 830 zurück
zum Analysator 850. Dieser mißt und verzeichnet Änderungen
im Prüfstrom
während
der Zeit der SERA-Analyse. Der Analysator 850 mißt und verzeichnet
auch das Elektrodenpotential zwischen dem Capture Pad 404 und
der Bezugselektrode 824 als Funktion der Zeit während der
elektrochemischen Reduktion der Metalloxide am Capture Pad 404.
Das geschieht in dem Stromkreis, der den Analysator 850 den
Draht 832, die Bezugselektrode 824, die Reduktionslösung 808 und
das Capture Pad 404 zum Kontakt 802 und den Draht 803 zurück zum Analysator 850 enthält. Die
Bezugselektrode 824 kann in der Kammer 820 oder
an anderer Stelle im Behälter 804 angeordnet
sein. In einigen Fällen
kann die Bezugselektrode 824 auch entfallen, da die Elektrode 828 unter
gewissen Umständen
ihre Aufgabe übernehmen
kann.
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Im
Betrieb liefert der Analysator 850 einen konstanten Prüfstrom auf
niedriger Ebene. Dieser Strom verursacht die sequentielle elektrochemische Reduktion
der Oxide auf dem nackten Kupfer des Capture Pads. Während er
den konstanten Prüfstrom liefert,
mißt und
verzeichnet der Analysator das Elektrodenpotential zwischen Capture
Pad und Bezugselektrode als Funktion der Zeit. Mittels des Zeitfaktors kann
die Stromdichte durch Multiplizieren mit der abgelaufenen Zeit in
eine Ladungsdichte umgesetzt werden. Das Maß des Elektrodenpotentials
im Verhältnis
zur Ladungsdichte (bzw. Zeit) ergibt eine Reihe von Wendepunkten
oder Plateaus, welche die in Reduktion begriffenen Oxide sowie die
Dicke der diversen Oxidlagen andeuten. Zur Ermittlung der am Capture
Pad befindlichen spezifischen Oxide können die Ergebnisse mit Bezugsdaten
verglichen werden.
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Wie
bereits unter Bezugnahme auf 7 beschrieben,
kann die Aufzeichnung des Elektrodenpotentials im Verhältnis zur
Zeit zur Bestimmung der Annehmbarkeit eines Capture Pads einer Mikrovia verglichen
werden, und wenn das Capture Pad nicht annehmbar ist, kann ermittelt
werden, welche Oxide oder Verunreinigungen in der Mikrovia-Öffnung 416 und
am Capture Pad 404 vorhanden sind. Auf diese Weise kann
die Zuverlässigkeit
der Mikrovia im Voraus nachgewiesen werden, so daß vor der
Fertigstellung der Mikrovia die nötigen Korrekturmaßnahmen vorgenommen
werden können.
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Die
in der vorliegenden Patentschrift offenbarte SERA-Meßtechnik
leistet einen Beitrag zum Erkennen von starker Kontamination im
Herstellungsverfahren (d.h. inline) bei in Herstellung befindlichen Produkten
vor dem Ende der Fertigungsstraße.
Im Gegensatz zum Erkennen von unzuverlässigen Mikrovias bei der Endprüfung, wenn
es für
Reparaturen zu spät
ist, entdecken die Ausführungsformen
der Erfindung etwaige Zuverlässigkeitsprobleme
schon inline während
der Herstellung.
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Traditionelle Überwachungsgeräte in Fertigungsanlagen
für Leiterplatten
setzen die Fertigstellung des Leiterplattensubstrats voraus und
können auch
nicht die Grundursache des Ausfalls der Mikrovia ermitteln. Mit
Hilfe der SERA-Meßtechnik
werden Abweichungen infolge von unerwünschtem Material in Echtzeit
während
der Herstellung an in Herstellung befindlichen Produkten erkannt.
Kontaminationen am Kupferboden der Mikrovia infolge von Harzrückständen und/oder
oxidiertem Cu werden mittels der hierin geoffenbarten SERA-Meßtechnik
in Echtzeit erkannt. Schlechtes Material wird inline ohne weitere
Herstellungskosten aufgehalten und nicht erst vier bis fünf Wochen
später
bei der Endprüfung
erkannt.
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Der
Einsatz von SERA zum Nachweis der Zuverlässigkeit der Mikrovia vor dem
stromlosen Galvanisieren kann Fertigungslose von Leiterplattensubstraten
mit potentiellen Zuverlässigkeitsproblemen der
Mikrovias abfangen. Die bei der Analyse für verunreinigt befundenen Fertigungslose,
die den potentiellen Ausfall von Mikrovias zur Folge haben könnten, werden
im typischen Fall verschrottet, ohne durch den ganzen Herstellungsprozeß für Leiterplattensubstrate
zu gehen. Durch rechtzeitiges Abfangen von potentiell fehlerhaften
Mikrovias werden die zusätzlichen
Kosten der Fertigstellung eines Leiterplattensubstrats, dessen Mikrovias
sich bei der Endprüfung
höchstwahrscheinlich
als fehlerhaft erweisen würden,
vermieden.
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Obwohl
hier gewisse Ausführungsbeispiele der
Erfindung beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
wurden, versteht sich, daß diese
reines Anschauungsmaterial sind und die Erfindung im weiteren Sinn
nicht einschränken,
und daß sich
die Erfindung nicht auf die spezifisch gezeigten und beschriebenen
Strukturen und Anordnungen beschränkt, da dem Fachmann auch diverse
andere Modifikationen einfallen können.
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Zusammenfassung
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung umfassen Verfahren und Systeme zur Bewertung der Mikroviabildung
in einem Herstellungsverfahren für Substrate.
In einer Ausführungsform
der Erfindung wird eine Mikrovia-Öffnung durch eine dielektrische Oberlage
eines Mehrlagen-Leiterplattensubstrats
gebohrt, das Substrat einschließlich
der Mikrovia-Öffnung
wird bis zu einem Capture Pad in einer Leitlage entschmiert; und über dem
Capture Pad wird innerhalb der Mikrovia-Öffnung eine sequentielle elektrochemische
Reduktionsanalyse durchgeführt,
um ggf. im Boden der Mikrovia-Öffnung
vorhandene Kontamination ausfindig zu machen. Wenn eine Kontamination
vorgefunden wird, wird die Herstellung unterbrochen und die Kontaminationsquelle
durch geeignete Maßnahmen
ermittelt. Wenn keine Kontamination gefunden wird, werden die Mikrovias
zusammen mit den übrigen
Schaltungen des Leiterplattensubstrats stromlos mit einer Keimlage
galvanisiert und dann mit einem galvanischen Überzug versehen.