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Kostenvorteile bei High-Density

Microvia-Technik im Mittelpunkt der IPC Printed Circuits Expo 98
Kostenvorteile bei High-Density

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State of the Art, nicht mehr und nicht weniger, so läßt sich das Themenspektrum und das Niveau der Referate des Konferenzteils der IPC Expo in Long Beach, Kalifornien, umreißen. Das gilt insbesondere für die Diskussion der Microvia-Techniken und ihrer Auswahlkriterien für das Leiterplattendesign.

Das Thema Microvia ist für die US-Industrie ebenso aktuell wie für die europäische. Man sieht es auch daran, daß sich zur IPC Expo viele Vorträge damit beschäftigten – meist als grundlegende Betrachtung. Die meisten Beiträge kreisten um die Vor- und Nachteile der gängigen Herstellungsverfahren (Foto, Laser, Plasma), Kontaktierung und Galvanisierung sowie deren Zuverlässigkeitskriterien. Auch organische Materialien und Laminate (mit Füllern zum Optimieren der Löcher und für die Galvanisierung) stehen im Fokus sowie die Zuverlässigkeit der Kupfergalvanisierung unter den Aspekt-Ratios (Verhältnis Durchmesser zu Schichtdicke) der Microvias. Gegenüber dem Stand der europäischen Diskussion läßt sich kein signifikanter Unterschied oder Vorsprung konstatieren.

Routbarkeit von Schaltungen
So beginnen Kevin Arledge und Tom Swirbel von Motorola (Land Mobile Products Sector, Plantation, Florida) ihren Beitrag „Microvias in Printed Circuit Design“ mit der allgemeinen Feststellung, daß die Routability von Schaltungen auf PCBs im wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt wird: von der Leiterbahnbreite und deren Abständen sowie vom Durchmesser der Vias und den Landeflächen (Pads) für Bauelemente. Sie belegen ihre Aussagen mit einer quantitativen Analyse.
Als Testobjekt wählten sie ein dicht gepacktes, sechslagiges Multilayer-Design für ein Funktelefon. Bei Änderung der Leiterbahnbreite von 250 µm auf 75 µm war nur eine Routability von 90 % erreichbar, die Pad-Durchmesser blieben mit 625 µm (25 mil) konstant. Anders sieht das Ergebnis bei Reduktion der Padgröße von 652 µm auf 250 µm aus (Leiterbahnen 100 µm Breite und Abstände 250 µm). Bereits bei Pads mit 250 µm Größe wurde ein 100-%-Routing erreicht. Das belegt, daß die Größe der Landeflächen den höchsten Einfluß hat – bis hin zum Landless Design. Das Routing-Modell von Clinton Chao (Hewlett Packard), das die Autoren zitierten, führt zu den gleichen Ergebnissen.
Kostenvergleich derFertigungstechniken
Noch aufschlußreicher sind die Ergebnisse beim Kostenvergleich der drei heute vorherrschenden Microvia-Technologien Fotolithografie, Plasma- und Laserbohren. Die Motorola-Mitarbeiter untersuchten dies vor dem Hintergrund einer konventionellen Leiterplattenauslegung mit Durchkontaktierung und diversen High-Density-Interconnects (HDI) mit blinden und vergrabenen Bohrungen. Dazu wählten sie einen pragmatischen Ansatz, der auch Einblicke in die Vorgaben beim Einholen der Angebote von Leiterpattenherstellern, deren Preisflexibilität und Lernfähigkeit eröffnete.
Ein Design war ein konventionelles sechslagiges Board mit den Abmessungen von 135 x 51 mm, 800 Bohrungen waren einzubringen. Die nächsten Designs waren HDI-Boards mit je 200 Vias und 1100 Microvias, eines dieser PCBs war mit 90 x 51 mm sehr kompakt. Ein Test galt einem achtlagig sequentiell aufgebautem Board mit 90 x 51 mm Größe, es wies 200 Durchkontaktierungen und 900 Blindlöcher auf.
Faßt man das Resultat aus zwölf verwertbaren Kostenvoranschlägen kurz zusammen, ergeben sich folgende Erkenntnisse: dichter gepackte Leiterplatten sind billiger. Die HDI-Leiterplatte lag niedriger im Preis als das sechslagige, konventionelle Board. Zum anderen ist augenfällig, daß Laser- und Fotovias, abgesehen von Streuungen der Anbieter, im Preis ziemlich gleichauf sind. Plasmabohrungen hingegen sind teurer. Dritter Punkt der Motorola-Studie waren die elektrischen Daten von HDI-Leiterplatten mit Laser- oder Fotovias, abhängig von den dielektrischen Materialien der sequentiell aufgebauten Lagen. Das ist besonders aufschlußreich, weil vier Test-Designs für HF-Anwendungen ausgelegt waren. Neben den Kosten für HDI analysierten die Referenten auch den Einfluß optimierter Platinen mit weniger Lagen und dünneren Dielektrika im Hinblick auf analoge sowie schnelle digitale Systeme. Die Frage, ob sich Foto- oder Laservias unterschiedlich auf das HF-Verhalten der Schaltungen auswirken, wurde untersucht. Epoxy-Fotomaterialien für dielektrische Layer weisen typische Dicken zwischen 38 µm (1,5 mil) und 63 µm (2,5 mil) auf. Die Dielektrizitätskonstanten liegen dabei zwischen 3,3 und 4,2, die Verlustfaktoren zwischen 0,01 und 0,02. Laserdielektrika (Epoxy, Aramid, Polyimid, PTFE und PPE) liegen sowohl in der Dielektrizitätskonstante (2,6 bis 2,8) und im Verlustfaktor (0,002 bis 0,004) niedriger.
HF-Parameter unter der Lupe
Stichhaltige Unterschiede haben die Referenten unter diesen Voraussetzungen nicht ausgemacht, da sich die einzelnen Charakteristiken des Layouts mit allen anderen Parametern überlagern und somit verdecken. Somit gelten mit Blick auf das Material die üblichen Regeln des HF-Designs. Bei Microstrip- oder Stripline-Elementen bzw. koplanaren Wellenleitern fanden sie allerdings signifikante Unterschiede im Blick auf die Dielektrika und die Schichtdicken. Dazu zitieren sie die Ergebnisse von Computersimulationen mit den Materialdaten und Abmessungen für Coplanar, Microstrip und Stripline.
Das Ergebnis: koplanare Übertragungsglieder sind mit allen Prozessen realisierbar (Rücklaufverluste 26 dB). Der mechanische Aufbau ist hinreichend kontrollierbar. Haupteinflußgrößen sind Leiterbahnbreite und Dicke des Dielektrikums. Anders verhält sich die Situation bei Stripline- und Microstrip-Elementen. Der Aufbau von 50-Ohm-Microstrip-Strukturen ist möglich – ohne sie zentrieren zu können. Außerdem treten erheblichen Fluktuationen der Impedanz auf. Für akzeptable 50-Ohm-Strukturen muß entweder das Dielektrikum auf 88 µm verstärkt oder die Leiterbahnbreite auf 25 µm verringert werden. Insofern haben Laservias zur Zeit, so das Urteil der Referenten, für die Anwender einige Vorteile.
Dielektrika für dasLaserbohren
Dielektrika auf Epoxybasis mit anorganischen Füllstoffen, deren Korngröße für CO2-Laserbohren optimiert ist, standen im Mittelpunkt des Referats „New Laser Dielectrica for Microvia Technology“ von Norbert Münzel et. al. bei Ciba in Basel und Kurt Meier bei HiTech Photopolymers in Birsfelden (Schweiz). Der anorganische Füller (15 bis 30 % Anteil) minimiert die thermische Schrumpfung beim Absetzen des Dielektrikums und verbessert die Adhäsion des galvanisch abgeschiedenen Kupfers in den Wänden der Bohrungen. Bei Partikelgröße 3 µm wurden zum Bohren mit einem Lumonics GS 300 CO2-Laser zwei Impulse benötigt, um ein Via mit 100-µm-Durchmesser in eine 50-µm-Schicht einzubringen. Ein 24-%-Anteil Füllmaterial ergab die beste Lochqualität in der Definition und Rauhigkeit der konischen Seitenwände sowie der dielektrischen Oberflächen (Epoxy-Dielektrikum Probelec 7135/7124).
Kontaktsicherheit von Kupfergalvanisierung bei Microvias mit großem Aspect-Ratio war das Thema von Steve Castaldi, Dennis Fritz von MacDermid sowie Ron Schaeffer von PhotoMachining in ihrem Referat „Limits of Copper Plating in High Aspect Ratio Microvias“. Größere Verhältnisse zwischen Bohrtiefe und Durchmesser treten vor allem bei dickeren Dielektrika auf. Sie untersuchten Microvias mit 50, 75 und 100 µm Durchmesser (Schichtdicken 40, 70 und 102 µm). Oberhalb von 0,92 ergab sich in fast allen Fällen, insbesondere bei größeren Schichtdicken mit 100 µm, keine zuverlässige Kupferkontaktierung mehr.
Über ein von ITRI im Auftrag der Sematech durchgeführtes Projekt berichtete Bernd Appelt (et. al.) von IBM Microelectronics in Endicott, New York im Referat „Multiple Layers of Microvias for Organic Chip Carriers“. Hier stand die Machbarkeit von Laminat-Trägern für Single-Chip-Module (SCM-L) mit 1000 Anschlüssen im Mittelpunkt. ITRI wollte damit die Existenzberechtigung einer US-Fertigungsbasis für SCM-L belegen. In der ersten Projektphase entwickelte man einen Chip-Carrier mit sechs Microvia-Layern (Dryfilm LB404, Probimer 52/56, Foto-Dielektrikum). Phase 2 soll zu einem SCM-L mit vier Lagen führen. Als weiterer Prozeßschritt werden dabei die Microviabohrungen mit einem Harz-Kupferpartikel-Material gefüllt. Materialauswanderungen und Registerprobleme stellen hier die größten Herausforderungen dar.
Werner Schulz
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