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Der Zeitpunkt ist gekommen

SBU - Moderne Leiterplattentechnologie mit hohem Potential
Der Zeitpunkt ist gekommen

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Sequential-Build-Up beschreibt ein Verfahren, nach dem Multilayer sequentiell aufgebaut werden. Die Platine wird nicht mehr wie bisher üblich, nach dem Übereinanderlegen mehrerer Innenlagen und Prepregs zu einem Multilayer verpreßt, sondern entsteht sequentiell in aufeinanderfolgenden Prozeßschritten. Beim Leiterplattenhersteller Fuba in Gittelde sieht man den Zeitpunkt als gekommen an, um diese Technologie in die Produktion einzuführen.

Barbara Radinger-Dombert, Leiterin Technologie & Entwicklung, Fuba

Bei der SBU-Fertigung wird im ersten Herstellungsschritt ein Standardmultilayerkern hergestellt, der der SBU-Schaltung die notwendige Dimensionsstabilität gibt. Die Dicke des Kerns liegt in der Regel zwischen 0,3 und 0,8 mm. Auf diesen SBU-Kern werden nun sequentiell eine oder mehrere Lagen auf Top- und Bottomseite aufgebracht. In diese SBU-Lagen werden Microvias gebohrt, die anschließend metallisiert werden. Dann erfolgen die Strukturierung des Leiterbildes der SBU-Lagen sowie die Oberflächenbearbeitung und der elektrische Test.
Wozu wird SBU benötigt?
Diese Multilayertechnologie erlaubt eine höhere Packungsdichte mit kürzeren Signalwegen bei höheren Taktraten, sie ermöglicht weiterhin kleinere Leiterplatten oder mehr Funktionen bei gleicher Größe, bietet darüber hinaus eine höhere Verdrahtungsdichte durch Microvias in SMD-Pads, reduziert die Lagenanzahl durch Microvias und feinere Leiterstrukturen, erlaubt eine Gewichtsreduktion durch dünnere Lagenaufbauten und unterstützt den Einsatz von Bauteilen der neuesten Generation, wie Ball-Grid-Arrays (µBGA), Chip-Scale-Packages (CSP), Flip-Chips (FC) und Multi-Chip-Module (MCM).
Die Herstellung kleiner, leichter und leistungsfähiger Geräte mit hoher Packungsdichte zwingt den Leiterplattenhersteller zu Investitionen in die SBU-Technologie. Um die genannten Anforderungen zu erfüllen, müssen High-Density-Boards gefertigt werden, mit denen steigende Arbeitsfrequenzen, Pinzahlen und Anforderungen an die thermisch elektrischen Eigenschaften realisiert werden können.
Als Microvia gilt eine Bohrung mit einem Durchmesser von 200 µm oder weniger. Die heute verfügbaren Verfahren sind neben dem Plasmaätzen das mechanische Bohren, der Photoprozeß sowie die Laserablation.
Techniken zur Erzeugung von Microvias
Als vorteilhaft beim Plasmaätzen gilt, daß Anzahl und Größe der Bohrungen zeitunabhängig sind. Entscheidend ist hier die Materialdicke. Beide Leiterplattenseiten können gleichzeitig bearbeitet werden. Außerdem lassen sich mehrere Zuschnitte in einem Arbeitsgang bearbeiten und Sperrpads garantieren eine definierte Sacklochtiefe. Nachteilig ist dagegen, daß neues Equipment erforderlich ist, neue Fertigungsverfahren eingeführt werden müssen und eine teilweise starke Unterätzung an den Pads auftritt. Als Nachteil gilt auch, daß kein Glasgewebe ätzbar ist, sondern nur organische Materialien bearbeitet werden können. Für den Einsatz dieses Verfahrens ist eine Lizenz erforderlich. Es läßt sich nur eine geringe Ätzgeschwindigkeit realisieren und außerdem sind spezielle Designregeln unbedingt zu beachten.
Eine weitere Alternative ist das mechanische Bohren. Als Vorteil des Verfahrens gilt, daß das Equipment und die Fertigungsverfahren in aller Regel im Unternehmen vorhanden sind, das Bohren materialunabhängig erfolgt, Sacklöcher und Durchkontaktierungen in einem Arbeitsgang erzeugt werden können und die Bohrtiefe zeitunabhängig ist. Nachteilig ist dagegen, daß der Durchsatz gering ist, da nicht im Paket gebohrt werden kann. Der Verfahrensablauf wird zusätzlich durch eine ungenügende Bohrtiefenkontrolle erschwert. Außerdem ist es erforderlich, eine Registrierung der Bohrposition zu den Innenlagen durchzuführen. Die mechanisch-physikalische Grenze des Verfahrens liegt bei etwa 100 µm Sacklochdurchmesser.
Für die phototechnische Erzeugung von Microvias sind das Equipment sowie die Fertigungsverfahren im Unternehmen meist vorhanden. Alle Löcher können in einem Arbeitsgang erzeugt werden, eine Tiefenkontrolle ist dabei nicht notwendig. Der für die Prozeßkosten am stärksten zum Tragen kommende Nachteil ist, daß die Photoviaerzeugung unter Reinraumbedingungen erfolgen muß und die Microvias vollständig ausentwickelt werden müssen. Oft entstehen unebene Oberflächenstrukturen, außerdem ist ein Pluggingprozeß für die Buried-Vias durchzuführen sowie eine exakte Registrierung zum innenliegenden Kern. Anschließend ist eine spezielle volladditive Metallisierung notwendig, um die Kupferhaftfestigkeit sicherzustellen. Der Aufbau mehrerer SBU-Lagen ist aufgrund der oft unzureichenden Planarität eher schwierig. Die Forderung einiger Kunden nach glasfaserverstärkten Basismaterialien läßt sich bei Einsatz der Photoviatechnik nicht realisieren.
Ein weiteres Verfahren ist die Laserablation, mit der sämtliche Materialien verarbeitet werden können, die Registrierung zu den Innenlagen exakt ist, eine Tiefenkontrolle beim Einsatz von CO2-Lasern nicht notwendig ist, hohe Durchsatzraten möglich sind und der Pluggingprozeß bei harzbeschichteten Kupferfolien oder Prepreg in der Regel entfallen kann. Das Verfahren bietet eine hohe Prozeßsicherheit. Nachteilig ist, daß neues Equipment und neue Fertigungsverfahren benötigt werden und die Leiterplattenseiten nur nacheinander bearbeitet werden können. Beim Einsatz von laserbohrbarem Lack ist außerdem das Plugging notwendig sowie die volladditive Metallisierung.
Welche Technik wird bei Fuba favorisiert?
Aufgrund der dargestellten Zusammenhänge hat man sich bei Fuba entschieden, Microvias per Laserablation zu erzeugen. Diese Technik bietet sowohl bezüglich der Zuverlässigkeit des tatsächlichen Vorhandenseins eines Microvias an der vorgesehenen Stelle als auch bezüglich der Prozeßsicherheit die größten Potentiale. Laserbohrsysteme für die Erzeugung von Microvias haben zudem in den letzten Jahren eine rasante technologische Entwicklung erfahren. Die Kapazitäten von Laserbohrsystemen haben sich innerhalb der letzten zwei Jahre vervielfacht. Außerdem bieten Lasersysteme den großen Vorteil, daß sämtliche am Markt verfügbaren Basismaterialien verarbeitbar sind.
Die Entscheidung von Fuba für das Lasersystem hing im wesentlichen von den Kundenforderungen ab. Gemäß der derzeit gültigen Anforderungen kommen vorläufig harzbeschichtete Kupferfolien sowie die Prepreg-Kupferfolien-Variante zum Aufbau von SBU-Schaltungen zum Einsatz. Dies erfordert den Einsatz eines kombinierten Lasersystems (Hybridlaser), um sowohl das Kupfer als auch die Harz- oder die Glasharzmatrix ablatieren zu können.
Nach heutiger Einschätzung wird langfristig jedoch die wirtschaftlichere Variante zum Aufbau von SBU-Schaltungen der Einsatz von laserbohrbarem Gießlack sein. Dies ist der nächste Technologieschritt, den auch Fuba realisieren wird. Die Verwendung eines solchen Lacks als Dielektrikum für den sequentiellen Multilayeraufbau erfordert das vorhergehende Plugging (Verfüllen) der innenliegenden Durchsteigerbohrungen, sowie nach dem Auftrag des Dielektrikums eine volladditive Metallisierung desselben.
Normalerweise geschieht das Füllen der späteren Buried-Vias beim Einsatz von harzbeschichteten Kupferfolien oder Prepregs während des Preßvorgangs durch das in den Prepregs oder den harzbeschichteten Kupferfolien enthaltene Harz. Ist der innenliegende SBU-Kern jedoch zu dick, sind die Bohrungen zu groß oder wird Gieß- oder Siebdrucklack zur Erzeugung der dielektrischen Schicht verwendet, so müssen diese innenliegenden Bohrungen vorher gepluggt werden. Das Verfüllen der Durchsteigerbohrungen geschieht im Siebdruck mit einem an-schließenden Bürstprozeß zum Entfernen der überstehenden Pluggingpaste. Versuche zum Plugging wurden bei Fuba bereits durchgeführt und haben erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt.
Auf dem Gebiet der volladditiven Metallisierung von Kunststoffen verfügt das Unternehmen aufgrund der Erfahrungen im 3D/MID-Bereich über einen Know-how-Vorsprung gegenüber dem Wettbewerb und ist deshalb zuversichtlich, auch diese technologische Variante zur Herstellung von SBU-Schaltungen in absehbarer Zukunft sicher zu beherrschen.
SBU-Meilensteine bei Fuba
Im Oktober 1998 erfolgte die Technologiefestlegung und die Entscheidung für die Laserablation. Zum Einsatz kommen vorläufig harzbeschichtete Kupferfolien, FR4, FR5 sowie laserstrukturierbarer Lack. Die Fertigung von Testmustern läuft seit Oktober 1998. Gewählt wurde dazu der Aufbau 1-4-1. Die Festlegung des benötigten Equipments erfolgte dann im 1. Quartal 1999. Die Musterphase mit direktem Kundenkontakt läuft seit Dezember 1998. Es werden Platinen für die Qualifizierung gefertigt und diverse Aufbauvarianten untersucht. Die Kleinserienphase wird im Juli 1999 beginnen. Dann wird auch die Peripherieoptimierung erfolgen und die Serienfertigung anlaufen.
Neben der Einführung neuer Basismaterialien sowie von Laserbohrsystemen, einer geeigneten SBU-Metallisierung, des Plugging-Verfahrens und der Lackvariante stehen weitere technologische Aufgaben in Zusammenhang mit der SBU-Technik an.
SBU-Schaltungen stellen erhöhte Ansprüche an die Dimensionsstabilität von Laminaten. Aufgrund der Feinheit und der Dichte der erzeugten Strukturen ist ein geringfügiges Dehnen oder Schrumpfen der Zuschnitte bereits kritisch. Auch die Registrierung der SBU-Lagen zu den innenliegenden Kernen oder zueinander ist technologisch neu zu definieren. Hier muß mit freizulasernden Targets oder Röntgenbohrverfahren gearbeitet werden, um die Registrierung von innen nach außen zu gewährleisten. Die Bohrlochreinigung der Microvias ist technisch abzusichern. Man geht davon aus, daß das durch den Laser ablatierte Material nicht zu 100% aus der Bohrung ausgetrieben wird, sondern zu einem gewissen Anteil in der Bohrung verbleibt. Diese Verbrennungsrückstände müssen chemisch entfernt werden, um anschließend eine saubere Lochmetallisierung zu erzielen. Die Bohrlochreinigung erfolgt durch ein Desmear-Verfahren, das auch bei der konventionellen Multilayer-Technik verwendet wird. Die Sacklochmetallisierung ist aus der konventionellen Multilayer-Herstellung zwar bekannt und wird auch beherrscht, bei der SBU-Technologie geht es jedoch um die Metallisierung von im Bohrdurchmesser wesentlich kleineren Löchern (80 bis 200 µm), die dadurch erhöhte Anforderungen an die Durchkontaktierung stellen. Die Anpassung der Prozeß- und Prüfschritte bei Einführung der SBU-Technologie stellt ebenfalls erhöhte Anforderungen auch an die Kreativität der Mitarbeiter beispielsweise bei der Entwicklung von Testcoupons. Im elektrischen Test müssen zudem aufgrund der geringeren Padabstände technisch angepaßte Anlagentechniken eingesetzt werden.
Aktivitäten zur Umsetzung der SBU-Technologie
Aus den Gegebenheiten der jeweiligen Leiterplattenfertigung müssen spezifische Design-Rules ermittelt werden. Dazu wurden bereits mehrere wettbewerbsübergreifende Arbeitskreise gebildet, die versucht haben, einheitliche Design-Rules für die Erstellung von SBU-Schaltungen zu ermitteln. Auch Fuba war gemeinsam mit AT & S, STP, Schweizer und Philips an einem solchen Arbeitskreis beteiligt. Daraus resultieren Design-Rules, die bereits veröffentlicht wurden und allen Interessierten zugänglich gemacht werden können.
Im Unternehmen wurde ein Projektteam gebildet, um eine zügige Einführung der SBU-Technik zu gewährleisten, eine optimale Marktbeobachtung durchzuführen und den direkten Kundenkontakt zu halten. Neben der Zusammenarbeit mit kompetenten Kooperationspartnern, z. B. dem Laserlaboratorium der Universität Göttingen, steht außerdem die Mitarbeiterqualifizierung ganz oben an.
Der Substitutionseffekt der Multilayer-Technik durch Einführung der SBU-Technik ist aus heutiger Sicht nicht genau einzuschätzen. Bei den Prognosen handelt es sich um vorsichtige Einschätzungen der für Fuba erkennbaren Tendenzen auf dem Leiterplattenmarkt. Das Unternehmen ist sehr daran interessiert, so früh wie möglich, also bereits im Entwicklungsstadium der SBU-Leiterplatten, den Kontakt mit dem Kunden aufzunehmen, um aktiv bereits beim Design beratend beteiligt zu sein. Aufgrund des hohen lnvestitionsrisikos, das die Leiterplattenhersteller mit dieser Technik eingehen müssen, hat man sich entschieden, Schritt für Schritt vorzugehen, um eine Serienfertigung in der SBU-Technik aufzubauen. Bestandteil dieses Konzeptes ist es ebenfalls, den richtigen Zeitpunkt für einen sinnvollen Einstieg in die neue Technologie abzupassen. Diesen Zeitpunkt sieht man bei Fuba jetzt als gekommen an. Dies ist der Grund dafür, daß das Unternehmen die Bestellung eines Laserbohrsystems ausgelöst hat und SBU-Kapazitäten aufzubauen beginnt. Insgesamt werden im Unternehmen für die Einführung dieser Technologie in den Jahren 1999 und 2000 mehr als 8 Mio. DM bereitgestellt, die sowohl in das Equipment als auch in Personal und Dienstleistungen investiert werden.
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