Trong thiết bị bán dẫn, bo mạch PCB 12 lớp có vai trò quan trọng trong việc kết nối các chip lõi, truyền tín hiệu tần số cao và dòng điện cao. Quá trình sản xuất của nó đòi hỏi yêu cầu về độ chính xác, độ ổn định và độ tin cậy cực kỳ cao. So với bảng mạch in nhiều lớp thông thường, bảng mạch in 12 lớp có cấu trúc phức tạp hơn, nhiều bước xử lý hơn và cần phải thích ứng với các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của thiết bị bán dẫn về tính toàn vẹn tín hiệu và khả năng tản nhiệt. Do đó, có nhiều khó khăn cốt lõi trong quá trình sản xuất. Bắt đầu từ các bước quy trình chính, chúng tôi sẽ chia nhỏ các thách thức trong quá trình sản xuất bảng mạch in 12 lớp trong các tình huống ứng dụng thiết bị bán dẫn.
1, Quy trình nhiều lớp: thách thức về "liên kết chính xác" trong cấu trúc nhiều lớp
Phân lớp là quy trình cốt lõi của sản xuất PCB 12 lớp, đòi hỏi sự tích hợp 12 lớp chất nền, lá đồng và lớp cách điện thành một tổng thể thông qua nhiệt độ cao và điện áp cao. Khó khăn nằm ở độ chính xác căn chỉnh và độ đồng đều giữa các lớp, điều này rất quan trọng cho việc truyền tín hiệu trong thiết bị bán dẫn.
Từ góc độ căn chỉnh giữa các lớp, PCB 12 lớp cần được nhấn nhiều lần và mỗi lần nhấn phải đảm bảo rằng lỗi căn chỉnh đồ họa của mỗi lớp được kiểm soát trong một phạm vi rất nhỏ. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, chất nền dễ bị biến dạng nhiệt ở nhiệt độ cao và có thể có sai lệch nhỏ về độ phẳng của tấm sau mỗi lần cán. Khi xếp chồng lên 12 lớp, tổng sai số căn chỉnh có thể vượt quá giá trị tới hạn. Khi độ chính xác căn chỉnh không đáp ứng tiêu chuẩn, việc mất tín hiệu tần số cao-trong thiết bị bán dẫn sẽ tăng lên đáng kể và thậm chí có thể xảy ra nhiễu xuyên âm, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị.
Tính đồng nhất của độ dày cũng là một thách thức không kém. PCB 12 lớp cần kiểm soát độ dày tổng thể và phạm vi sai lệch của từng độ dày lớp. Tuy nhiên, trong quá trình nén, sự phân bổ áp suất không đồng đều và sự khác biệt về tốc độ co ngót giữa lớp nền và lớp cách nhiệt có thể dẫn đến các vấn đề như “dày ở giữa, mỏng ở các cạnh” hoặc lồi cục bộ ở tấm cuối cùng. Đối với các khu vực trong thiết bị bán dẫn yêu cầu lắp đặt đầu nối chính xác, độ lệch độ dày quá mức có thể dẫn đến tiếp xúc đầu nối kém và tăng nguy cơ hỏng hóc thiết bị.
2, Xử lý lỗ vi mô: thách thức kép về kích thước lỗ nhỏ và tỷ lệ khung hình
PCB 12 lớp của thiết bị bán dẫn đòi hỏi một số lượng lớn micropores để đạt được các kết nối mạch giữa các lớp. Các vi lỗ này không chỉ có kích thước nhỏ mà còn cần xuyên qua 12 lớp chất nền, với tỷ lệ chiều sâu trên đường kính vượt xa so với bảng mạch in nhiều lớp thông thường, làm tăng đáng kể độ khó trong chế tạo.
Đầu tiên là vấn đề về độ chính xác của việc khoan. Do khẩu độ cực nhỏ nên mũi khoan dễ bị "rung" khi quay ở tốc độ-cao, dẫn đến độ lệch khẩu độ và thậm chí làm trầy xước thành lỗ. Đồng thời, sự khác biệt về vật liệu của đế 12 lớp sẽ đẩy nhanh tốc độ mài mòn của mũi khoan. Nếu không được thay thế kịp thời, độ chính xác về kích thước lỗ của các vi lỗ tiếp theo sẽ tiếp tục giảm. Đối với các thiết bị bán dẫn, sự sai lệch về kích thước lỗ micro có thể dẫn đến độ dày không đồng đều của lớp đồng bên trong các lỗ mạ, tăng cường độ nóng cục bộ trong quá trình truyền dòng điện và ảnh hưởng đến hiệu suất tản nhiệt của thiết bị.
Thách thức sâu hơn nằm ở chất lượng của thành lỗ chân lông. Các vi lỗ của PCB 12 lớp cần phải trải qua quá trình "khoan mạ điện", trong đó quá trình khoan yêu cầu loại bỏ các mảnh nhựa còn sót lại khỏi thành lỗ. Tuy nhiên, kích thước lỗ chân lông hẹp của các vi lỗ khiến dung dịch tẩy rửa khó thẩm thấu hoàn toàn. Nếu quá trình khoan không kỹ lưỡng, lớp đồng không thể liên kết chặt chẽ với thành lỗ trong quá trình mạ điện và có thể xảy ra hiện tượng "bong tróc thành lỗ" trong quá trình sử dụng sau này, gây đứt mạch. Ngoài ra, tỷ lệ khung hình quá cao khiến dòng điện khó phân bố đều xuống đáy lỗ trong quá trình mạ điện và độ dày của lớp đồng ở đáy lỗ không đủ. Trong trường hợp dòng điện cao của thiết bị bán dẫn, lớp đồng ở đáy lỗ dễ bị quá nhiệt và cháy.
3, Kiểm soát độ dày đồng: mâu thuẫn giữa tính đồng nhất toàn cầu và độ dày cục bộ
Yêu cầu về độ dày đồng trong PCB 12 lớp của thiết bị bán dẫn có tính “hai mặt”: một mặt, độ dày đồng toàn cầu cần phải đồng đều để đảm bảo truyền tín hiệu ổn định; Mặt khác, một số khu vực yêu cầu độ dày đồng dày lên cục bộ để tăng cường khả năng tản nhiệt và mang dòng điện, điều này dễ dẫn đến xung đột trong sản xuất.
Khó khăn trong việc đạt được độ đồng đều độ dày đồng toàn cầu nằm ở quá trình mạ điện. Diện tích của PCB 12 lớp thường lớn và sự phân bố dòng điện trong bể mạ dễ bị ảnh hưởng bởi hình dạng của bảng và vị trí của vật treo, dẫn đến sự khác biệt về độ dày đồng giữa các cạnh và tâm của bảng. Ngoài ra, các lỗ micro và lỗ mù trong PCB 12 lớp sẽ “chuyển hướng” dòng điện khiến độ dày bề mặt đồng gần các lỗ mỏng hơn so với các khu vực khác. Nếu độ lệch độ dày đồng toàn cầu quá lớn, tốc độ truyền tín hiệu của các đường dẫn khác nhau trong thiết bị bán dẫn sẽ khác nhau, dẫn đến độ trễ đồng bộ hóa dữ liệu và ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của thiết bị.
Độ dày đồng dày lên cục bộ có nguy cơ "mạ điện quá mức". Để đạt được độ dày đồng cục bộ, việc mạ điện thứ cấp cần được thực hiện ở khu vực tương ứng. Tuy nhiên, trong quá trình mạ điện thứ cấp, dòng điện có xu hướng khuếch tán ra các khu vực xung quanh khiến độ dày đồng ở những khu vực không mục tiêu vượt quá tiêu chuẩn. Đồng thời, quá trình chuyển đổi giữa vùng dày cục bộ và vùng dày đồng thông thường xung quanh dễ bị “bước”. Trong quá trình phủ lớp mặt nạ hàn tiếp theo, bong bóng hoặc độ dày không đủ dễ dàng được tạo ra ở các bước, dẫn đến lớp đồng bị lộ ra ngoài và làm tăng nguy cơ oxy hóa và đoản mạch trong thiết bị bán dẫn.
4, Lớp phủ mặt nạ hàn: sự cân bằng giữa lớp phủ mỏng và khả năng cách nhiệt cao
Lớp mặt nạ hàn của PCB 12 lớp trong thiết bị bán dẫn cần phải đáp ứng cả yêu cầu về "lớp phủ mỏng" và "cách điện cao" để thích ứng với không gian lắp đặt nhỏ gọn và môi trường làm việc có điện áp cao bên trong thiết bị. Tuy nhiên, có sự mâu thuẫn tự nhiên giữa hai yêu cầu này trong sản xuất.
Độ chính xác của lớp phủ mỏng rất khó kiểm soát. Lớp mặt nạ hàn thường được xử lý bằng cách in lụa hoặc phun sơn, và đối với những va chạm và vết lõm tinh tế trên bề mặt của PCB 12 lớp, lớp phủ mỏng dễ bị "rò rỉ" hoặc "độ dày không đồng đều". Ví dụ: nếu điều khiển áp suất của dao cạo không đúng trong quá trình in lụa, độ dày của lớp mặt nạ hàn ở bước này có thể thấp hơn giá trị tiêu chuẩn. Tuy nhiên, lớp mặt nạ hàn mỏng có thể làm giảm hiệu suất cách điện và-việc truyền tín hiệu điện áp cao trong thiết bị bán dẫn dễ bị hỏng, gây hỏng hóc thiết bị.
Khả năng cách nhiệt cao đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về vật liệu và quá trình xử lý điện trở hàn. Trong quá trình hoạt động của thiết bị bán dẫn, bảng mạch in tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài và có thể tiếp xúc với khí ăn mòn. Điện trở hàn phải có khả năng chống chịu nhiệt độ cao và ăn mòn tuyệt vời. Tuy nhiên, dưới lớp phủ mỏng, sự phân bố chất đóng rắn trong điện trở hàn dễ bị không đồng đều, dẫn đến mật độ liên kết ngang-không đủ ở một số khu vực sau khi đóng rắn và vết nứt dễ xảy ra trong môi trường-nhiệt độ cao, dẫn đến hiệu suất cách nhiệt giảm nhanh chóng theo thời gian.
5, Kiểm soát độ phẳng: hạn chế chính cho việc lắp ráp và tản nhiệt sau này
PCB 12 lớp của thiết bị bán dẫn cần phải có độ phẳng cực cao, nếu không sẽ ảnh hưởng đến độ bám dính với chip và tản nhiệt, dẫn đến tản nhiệt kém hoặc hỏng lắp ráp. Tuy nhiên, cấu trúc nhiều-lớp và quy trình phức tạp của bảng mạch in 12 lớp khiến việc kiểm soát độ phẳng trở thành một "vấn đề cứng đầu" trong sản xuất.
Một mặt, sự giải phóng ứng suất sau khi nén nhiều{0}}lớp có thể khiến bo mạch bị cong vênh. Trong quá trình cán nhiều lớp trên PCB 12 lớp, ứng suất bên trong của từng vật liệu lớp sẽ tích lũy liên tục. Sau khi làm mát, ứng suất được giải phóng, điều này có thể dễ dàng làm cho tấm ván bị cong về phía dày hơn của lá đồng. Đặc biệt khi có sự khác biệt đáng kể về độ dày đồng cục bộ, độ cong vênh có thể vượt xa yêu cầu của thiết bị bán dẫn.
Mặt khác, việc xử lý-nhiệt độ cao trong các quy trình tiếp theo sẽ làm trầm trọng thêm vấn đề về độ phẳng. Các quá trình như bảo dưỡng mặt nạ hàn cần phải được thực hiện ở nhiệt độ cao nhất định. Ở nhiệt độ này, bo mạch PCB sẽ lại bị biến dạng nhiệt. Nếu ứng suất không được giải phóng hoàn toàn trước đó thì biến dạng sẽ tiếp tục chồng chéo lên nhau. Đối với các khu vực trong thiết bị bán dẫn cần tiếp xúc gần với tản nhiệt, sai lệch về độ phẳng có thể dẫn đến giảm diện tích tiếp xúc, giảm hiệu suất tản nhiệt, tăng nhiệt độ hoạt động của chip và rút ngắn tuổi thọ thiết bị.
6, Thử nghiệm và sửa chữa: Những thách thức về kiểm soát chất lượng trong các kết cấu phức tạp
Quy trình sản xuất PCB 12 lớp cho thiết bị bán dẫn yêu cầu kiểm tra toàn diện 100%, nhưng do cấu trúc phức tạp nên một số khuyết tật khó phát hiện và độ khó sửa chữa cực kỳ cao, trở thành khó khăn lớn trong việc kiểm soát chất lượng.
Trong quá trình kiểm tra, các khuyết tật ở lớp bên trong của PCB 12 lớp rất khó phát hiện bằng phương pháp kiểm tra bề ngoài thông thường và yêu cầu phát hiện tia X-và quét siêu âm. Tuy nhiên, khả năng phát hiện tia X{3}}có tỷ lệ nhận dạng hạn chế đối với các khuyết tật nhỏ và không thể xác định trạng thái liên kết giữa thành lỗ và lá đồng bên trong; Mặc dù quét siêu âm có thể phát hiện liên kết giữa các lớp nhưng độ phân giải quét có thể giảm do độ dày 12 lớp, có thể bỏ sót các khu vực bị bong tróc cục bộ. Những khiếm khuyết không được phát hiện này sẽ dần dần lan rộng trong quá trình-hoạt động lâu dài của thiết bị bán dẫn, cuối cùng dẫn đến hỏng mạch.
Thử thách trong quá trình sửa chữa lại càng lớn hơn. Nếu phát hiện thấy đoản mạch hoặc lớp mạ lỗ vi mô kém ở lớp bên trong, thì PCB 12 lớp cần phải được "sửa chữa từng lớp", tức là lớp cách điện và lá đồng được bóc ra từng lớp, các khuyết tật được sửa chữa, sau đó được ép lại. Tuy nhiên, trong quá trình phân lớp, nhiệt độ cao và thuốc thử hóa học có thể dễ dàng làm hỏng các lớp nguyên vẹn xung quanh, dẫn đến tỷ lệ sửa chữa thành công thấp hơn. Ngay cả khi việc sửa chữa thành công, sự tập trung ứng suất mới vẫn có thể xảy ra ở khu vực bị nén lại. Trong môi trường rung động của thiết bị bán dẫn, các vết nứt dễ xảy ra tại nơi sửa chữa, trở thành mối nguy hiểm tiềm ẩn mới.