Im Hinblick auf aktuelle und zukünftige Anforderungen an die Leiterplatte mit Feinstleitertechnik, Mikrobohrungen, integrierten Bauelementen, steigenden Lagenzahlen oder als Optical Backplanes, um nur einige zu nennen, wirkt die Diskussion um Leiterplatten mit hohen Kupferstärken (105 µm bis 400 µm) und den damit verbundenen Strukturen auf den ersten Blick wie ein Rückschritt in die „Steinzeit“ der Leiterplatten-Technologie.
Betrachtet man aber den immens steigenden Elektronik-Anteil in modernen Kraftfahrzeugen, so wird schnell klar, dass zur Versorgung der diversen Systeme immer höhere Stromstärken erforderlich sind. In Relais- und Sicherungs-Boxen wurden in der Vergangenheit überwiegend Stanzgitter-Konstruktionen eingesetzt. Die großen Nachteile dieser Technik liegen insbesondere in der mangelnden Flexibilität und den extrem hohen Kosten, welche sich im Änderungsfall ergeben. Die wesentlich variablere und kosteneffizientere Lösung dieser Aufgabe liegt in der Realisierung mittels der Leiterplatten-Technologie (Bild 1).
Der Anteil an elektronischen Systemen im Kfz, die zum einen zur Erhöhung der Fahrsicherheit zum anderen aber auch der Komfortsteigerung dienen (z.B. Infotainment-Systeme), ist in der Vergangenheit immens gestiegen und wird bei zukünftigen Kfz-Entwicklungen weiter ansteigen.
Neue Konzepte zum Ersatz von rein mechanischen Lösungen (Bremssystem, Lenkung etc.) durch Mechatronik-Systeme, wie Brake-by-wire oder Steer-by-wire, tragen ein übriges zu einem erheblich steigenden elektrischen Leistungsbedarf bei. Ein weiteres Stichwort hierzu ist auch das zukünftige 42-V-Bordnetz.
Aktuell kommen Dickkupfer-Leiterplatten bei folgenden Applikationen zum Einsatz:
- Relais und Sicherungskästen, alle Module/Steuergeräte, bei denen hohe elektrische Ströme verlangt werden, die heute häufig über Stanzgitterkonstruktionen oder Stromschienen umgesetzt werden. Ford setzt Dickkupfer-Platinen bereits seit 1989 im Relais- und Sicherungsmodul aller Pkw-Modelle ein.
- Realisierung von Leistungs- und Signalschaltkreisen auf einem Board.
- Planar-Transformatoren.
- Drosseln für hochfrequent-getaktete Netzteile.
Strategie zur Dickkupfer-Technologie
Zur Zeit entwickeln unter anderem alle Automobilhersteller mit Unterstützung der Systemhersteller, wie auch andere industrielle Technologiebereiche Dickkupfer-Leiterplatten. Großserienprojekte sind bereits umgesetzt.
Ruwel unterstützt diese Entwicklung mit der entsprechenden Priorität durch Engineering Support, Technologie-Know-how sowie die Bereitstellung der entsprechenden Fertigungsmöglichkeiten und -kapazitäten.
Wie bereits erwähnt, werden Dickkupfer-Leiterplatten in aktuellen Applikationen in erster Linie als Ersatz für die bereits seit Jahren im Einsatz befindlichen Cu-Stanzgitter zur Spannungsverteilung und Stromführung eingesetzt, d.h. typischerweise in Sicherungs- und Verteilerkästen (Bild 2).
Vorteile von Dickkupfer-Leiterplatten gegenüber Stanzgitterkonstruktionen:
Der Einsatz von Dickkupfer-Leiterplatten ergibt folgende Vorteile:
- deutliche Kostenreduzierung bei den Spritzgusswerkzeugen,
- deutliche Kostenreduzierung bei den Stanzgitterwerkzeugen,
- wesentlich weniger Einzelteile,
- vereinfachte Montage,
- kompaktere Bauform,
- Gewichts-Reduzierung,
- Einsparung von Steckverbindungen durch die Kombination von Power- und Steuerelektronik auf einer Leiterplatte,
- wesentlich geringere Änderungskosten, einfache und schnelle Änderungsmöglichkeit.
Alles in allem handelt es sich eben um die wesentlich „variablere“ Lösung schlechthin (Bild 3 und 4).
Dickkupfer- Produktspektrum
Ruwel bietet folgende Dickkupfer-Technologien an:
- Einseitige Leiterplatte, nicht durchmetallisiert,
- Zweiseitige Leiterplatte, nicht durchmetallisiert,
- Zweiseitige Leiterplatte, durchmetallisiert,
- Multilayer mit Innenlagen-Cu bis 400 µm,
- Semi-Flex-Leiterplatten in allen Varianten.
Als Systemlieferant können, basierend auf dem verfügbaren Produktspektrum, Komplettlösungen im „Baukasten-System“ angeboten werden. Das heißt, die Fertigung und Lieferung von:
„Power“ (Dickkupfer) – Leiterplatte (ndk, dk, ML)
plus Steuerplatine (2s, ML, HDI-Konstruktion) als Komplett-Satz ist möglich (Bild 5).
Wie bereits dargestellt, liegt ein großer Vorteil der Dickkupfer-Technologie darin, dass sich – bei entsprechender Wahl des Leiterplatten-Aufbaus – Powerteil und Steuerelektronik in einem Board kombinieren lassen.
Realisierbar ist dies durch diverse Multilayer-Aufbauten:
Powerteil -> Innenlagen Steuerelektronik -> Außenlagen.
Selbst Kombinationen von Dickkupfer-Innenlagen mit HDI- (High Density Interconnection)-Technologie sind denkbar.
Welche Basismaterialien kommen zum Einsatz ?
Eingesetzt werden in erster Linie CEM-Laminate für nicht-durchkontaktierte Leiterplatten. Hierbei wird bei den gängigen Anwendungen weiter unterschieden:
Der Einsatz von CEM1-Material erfolgt in der Regel bei einseitigen Schaltungen. Für doppelseitige Leiterplatten ist die Verwendung von CEM3-Laminaten zu empfehlen.
Die Gründe hiefür liegen in den wesentlich besseren Eigenschaften des doppelseitig-kaschierten CEM3-Materials hinsichtlich Verwindung und Verwölbung.
Bei den CEM-Materialien für ndk-Leiterplatten wird bei 400 µm Cu-Stärke ausschließlich Walz-Kupfer mittels Kleber als Haftvermittler auf das Kernmaterial aufgebracht. Bei Cu-Stärken bis einschließlich 210 µm erfolgt der Einsatz von elektrolytisch abgeschiedenem Cu. Beide Materialien lassen sich gut stanzen.
Für höherwertige Anwendungen, zweiseitig durchmetallisierte und Multilayer-Applikationen erfolgt ausschließlich der Einsatz von FR4– oder Hoch-Tg-Materialien.
Verwendet wird elektrolytisch abgeschiedenes Cu, welches mit einem Treatment versehen, und anschließend laminiert wird. Welches Material im Einzelfall verwendet werden sollte ist, anhand der technischen Anforderungen zu entscheiden.
Gerade steigende Anforderungen an Temperaturstabilität und Temperatur-Zyklen-Festigkeit erfordern eine detaillierte Analyse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der aktuell verfügbaren Materialien, bzw. geben die Richtung für Neuentwicklungen auf dem Materialsektor vor. Zum Einsatz kommen folgende Basis-Cu-Stärken:
- 105 µm Basis-Cu (3 oz / sq ft)
- 140 µm Basis-Cu (4 oz / sq ft)
- 175 µm Basis-Cu (5 oz / sq ft)
- 210 µm Basis-Cu (6 oz / sq ft)
- 400 µm Basis-Cu (11,5 oz / sq ft).
Fertigung von ndk-Dick- kupfer-Leiterplatten
Ist die Wahl des für die spezifische Anwendung erforderlichen Basismaterials erfolgt, dann ist beim Fertigungsprozess der Leiterplatte bei folgenden Prozessschritten entsprechendes Know-how erforderlich:
Der Ätzprozess:
Hierbei sind die Wahl von geeignetem Ätzresist und Ätzmedium entscheidend, um die Anforderungen an das Ätzprofil (Leiterbreite und Leiterabstand) zu erfüllen. Nicht zu vernachlässigen ist, dass beim Ätzen von Dickkupfer-Leiterplatten, im Extremfall bei 400 µm Cu-Stärke, die Kapazität herkömmlicher Ätzlinien, im Vergleich zur Fertigung von Standard-Cu-Dicken, auf ca. 10 bis 15% reduziert wird.
Füllen der Ätzkanäle:
Ein zentrales Thema bei Leiterplatten mit hohen Cu-Schichtstärken ist die Realisierung einer einwandfreien Kantenabdeckung der Leiterbahnen mittels Lötstoppmaske. Durch das Verfüllen der Ätzkanäle im ersten Schritt kann eine Kantenabdeckung von > 7 µm sicher eingehalten werden. Gerade beim Fülldruck ist entsprechendes Know-how erforderlich, um Lufteinschlüsse, welche die Zuverlässigkeit des Endproduktes negativ beeinflussen, zu vermeiden.
Besonderes Augenmerk ist auch auf die anschließende Oberflächen-Vorbehandlung, den eigentlichen Lötstoppmasken-Druckprozess und vor allem auf das Stanzen von Lochbild und Kontur zu legen. Entsprechendes Stanz-Equipment und eine spezielle Auslegung der Stanzwerkzeuge sind Voraussetzung für ein einwandfreies Ergebnis.
Die Prozessschritte für das Oberflächen-Finishing und der abschließende elektrische Test entsprechen dem Standard-Ablauf.
Multilayer-Schaltungen mit Dickkupfer-Innenlagen
Auch in diesem Fall sei angenommen, die Wahl des Basismaterials und des Lagenaufbaus ist bereits dem Anwendungszweck entsprechend erfolgt. Wichtig ist gerade bei der Wahl des Lagenaufbaus die Zusammenstellung der zu verwendenden Prepregs. Diese sind so zu wählen, dass ein einwandfreies Verfüllen der Ätzkanäle auf den Innenlagen erreicht wird.
Bei der Herstellung der Innenlagen im ersten Schritt sind im Prinzip die gleichen Punkte zu beachten, wie schon bei der Fertigung von nicht durchkontaktierten Schaltungen (Ätzresist, Ätz-Equipment etc.)
Für das Verpressen sind je nach Aufbau die geeigneten Pressparameter zu definieren.
Im Vergleich zur Fertigung von Standard-Leiterplatten kommt bei der Fertigung von Dickkupfer-Leiterplatten dem Bohrprozess eine besondere Bedeutung zu. Die Bestückung von Dickkupfer-Multilayern, die bei aktuellen Anwendungen ebenfalls einen Ersatz zu Stanzgitter-Konstruktionen darstellen, erfolgt oftmals mittels Einpresstechnik. Die hohen Anforderungen an die Bohrlochqualität und den Lochaufbau beim Einsatz der Einpresstechnik, gerade bei Verwendung massiver Einpressstifte, erfordern die Anpassung der Bohrparameter und zum Teil den Einsatz modifizierter Bohrer.
Die anschließenden Prozessschritte entsprechen weitestgehend wieder dem Standardablauf.
Zu erwähnen ist noch das Oberflächen-Finishing für den Fall, dass als Endoberfläche HAL gefordert ist. In diesem Fall sind angepasste Prozessparameter und eine entsprechende Vorbehandlung (speziell Vorwärmung) für ein einwandfreies Ergebnis erforderlich.
Bei doppelseitigen durchmetallisierten Schaltungen in Dickkupfertechnik sind beim Bohrprozess und beim Oberflächen-Finishing die schon von der Multilayer-Herstellung bekannten Besonderheiten zu berücksichtigen. Das Verfüllen der Ätzgräben und das Aufbringen der Lötstoppmaske erfolgt analog wie bei nicht durchkontaktierten Schaltungen. Hervorzuheben ist hierbei, dass im Stadium des Verfüllens der Ätzkanäle, anders als bei den ndk-Schaltungen, das Lochbild schon vorhanden ist. Hieraus ergeben sich spezielle Anforderungen an die Genauigkeit des Fülldruck-Prozesses. Keinesfalls darf Fülldruck-Lack in die durchmetallisierten Bohrungen gelangen.
Zusammenfassung der Voraussetzungen und Herausforderungen bei der Herstellung von Dickkupfer-Leiterplatten:
- Einsatz von geeignetem Fertigungsequipment und entsprechender Handlingssysteme auf Grund des hohen Gewichtes von Dickkupfer-Leiterplatten,
- Abstimmung der geeigneten Layoutparameter (Leiterbreiten / -abstände),
- Bereitstellung ausreichender Ätzkapazität (Innen- u. Außenlagen),
- bei Multilayer-Konstruktionen: Abstimmung des Material-Aufbaus und Wahl geeigneter Prozessparameter beim Verpressen,
- Wahl geeigneter Bohrer und Prozessparameter,
- Lötstoppmasken- und Fülldruck-Prozess bei Dickkupfer-Außenlagen,
- Wahl geeigneter Stanzparameter für Lochbild und Umriss (ndk-Leiterplatten),
- Vorbehandlung für Oberflächenprozess (bei HAL).
Lötstoppmaske:
Großserieneinsätze in der Automobilindustrie erfolgen bisher mit herkömmlichen Lackschichtdicken, d.h. bei Dickkupfer-Schaltungen ergibt sich die Problemstellung bei der Kantenabdeckung der Ätzflanken. Diese resultiert in einer eingeschränkten Kriechstromfestigkeit durch eingelagerte Verunreinigungen in den Ätzkanälen zwischen den Leitern.
Ruwel bietet folgende Lösung für diese Problemstellung: Füllen der Ätzkanäle und Kantenabdeckung > 7 µm, dadurch wesentlich bessere Ergebnisse beim Elektro-Migrationstest.
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