Professionelle Beschaffung von Leiterplatten. Professionelle Beschaffung von Leiterplatten

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1 15. FED-Konferenz, Elektronik-Design - Leiterplatten - Baugruppen 2007 Bremen 13. bis15. September 2007 Seminar 5 Professionelle Beschaffung von Leiterplatten Dipl. Ing. Lothar Oberender Tel.: +49/ Mobil: +49/ lothar.oberender@t-online.de L. Oberender

2 Inhalt Teil 1 Allgemeines zur Leiterplatte Historische Entwicklung, Einordnung der Leiterplatte in elektronische Systeme Zukunftstrends in der Leiterplattentechnologie Grundlagen, Technologie, Aufbau, und Fertigung von Leiterplatten Materialien Einseitige Leiterplatten, Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten Multilayer, HDI-Multilayer, Sonderkonstruktionen Flexible Leiterplatten, Starr-Flex-Leiterplatten Konstruktionsmerkmale und Design-Rules Normen und deren Bedeutung, Qualitätssicherung, Zertifikate L. Oberender

3 Inhalt Teil 2 Übergeordnete Themen für alle Leiterplattentypen Leiterplatten-Endoberflächen, Umweltgesichtspunkte Weiterverarbeitung von Leiterplatten, Formate und Nutzen Bedeutung anwendbarer Normen Kennzeichnung, Verpackung, Lieferung, Zertifikate Wertanalytische Aspekte Einflüsse der Technologie auf die Kostenstruktur Konstruktion, Normen und deren Bedeutung, Planung der Bestellmengen/Order-Pool, regionale und überregionale Ausrichtung Weiterverarbeitung, Formate und Nutzen Zusammenfassung und Ausblick L. Oberender

4 Einordnung der Leiterplatte in elektronische Systeme Historische Entwicklung der Leiterplatte L. Oberender

5 Hochgepackte HDI Leiterplatte Professionelle Beschaffung von Leiterplatten BGA Prozessor 4 1 BGA SOP QFP L. Oberender

6 Unter allen Substraten in der Baugruppentechnologie für elektronische Systeme ist die Leiterplatte das Vielseitigste der Substrate Träger des gesamten Bauelementespektrums Thermische Ableitung von Hot Spots Aktive elektrische Funktion Die HDI-Technologie gewährt höchste Packungsdichte Starr-Flex für Geräteminiaturisierung Flex für Sensoren mit reproduzierbarer Signalqualität Einsatz von Materialien für extreme Temperaturhübe Verbesserte HF-Eigenschaften durch neue Materialien Wirtschaftliche Hochstromanwendungen durch neue Technologien L. Oberender

7 Die Geschichte der Leiterplatte Professionelle Beschaffung von Leiterplatten Die Leiterplatte ist mittlerweile ca. 100 Jahre alt Einseitige Leiterplatten Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten 1950 Multilayer 1960 Flexible Leiterplatten (Polyester) 1960 Flexible Leiterplatten (Polyimid) 1960 Starr-Flexible Leiterplatten 1965 Leiterplatten für Hochtemperaturanwendungen 1970 Multilayer mit gebohrten Sacklöchern 1970 HDI Multilayer (Micro-Via 80µm, L/S 75µm) 1985 L. Oberender

8 Einordnung der Leiterplatten Professionelle Beschaffung von Leiterplatten HDI Flex Starrflex Multilayer Basistechnologie Sondertechnologien DK L. Oberender

9 Welche Leiterplattentypen gibt es? Standard Einseitig Starr Doppelseitig Starr Multilayer Starr Einseitig Flex Doppelseitig Flex Starr-Flex Einseitig IMS Multi-Flex HDI Sonder HF Heatsink Metallkern MID Stanzgitter Flexverbinder L. Oberender

10 Einseitig Starr FR4 Kupfer Finish Lötstopp 1930 erste einseitige Leiterplattensubstrate aus FR1:Phenolharz Hartpapier (Bakelit, Pertinax) Heute Low Cost aus: FR2 Phenolharz Hartpapier FR3 Epoxidharz Hartpapier FR4 Epoxidharz Glasgewebe Serienproduktion einseitiger Leiterplatten heute überwiegend aus Niedriglohnländern Es gibt aber auch anspruchsvolle einseitige Leiterplatten mit Strukturen 50µm Line/Space aus dem Bereich der Sensorik mit hochwertigen Materialien. L. Oberender

11 Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatte Starr FR4 Kupfer Finish Lötstopp 1950 erste zweiseitige Leiterplattensubstrate aus FR4: Epoxidharz Glasgewebe Heute Low Cost aus: FR2 Phenolharz Hartpapier FR3 Epoxidharz Hartpapier FR4 Epoxidharz Glasgewebe Serienproduktion in allen Regionen, aber Massenprodukte aus Niedriglohnländern Die doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatte erlebt wegen des heute hohen Feinheitsgrades ein großes Feld an Anwendungen, die bezüglich Miniaturisierung teilweise höchste Ansprüche erfüllt. Design Rules: Lochdurchm. 150µm/Line-Space 50µm/Lp-Dicke 100µm L. Oberender

12 Multilayer FR4 Kupfer Finish Lötstopp 1960 erste 4-Lagen Multilayer: FR4: Epoxidharz Glasgewebe Die Multilayertechnologie bedient sich heute für unterschiedlichste Anwendungen aller verfügbaren Materialien, angefangen bei FR4 über Polyimid-Glas, Polyimid, Teflon-Compositen, HF-Materialien sowie Materialienmit besonderen physikalischen Eigenschaften. Europa hat für die Produktion hochwertiger Multilayer einen hohen Stellenwert. Die Vielfalt der Aufbauten ist faszinierend L. Oberender

13 HDI-Multilayer L1 L2 L3 L4 ML 1 L5 L6 FR4 Prepreg Kupfer Finish Plugging Lötstopp 1985 HDI Multilayer (Micro-Via 80µm, Line/Space 75µm) Der Siegeszug des Microvias ist nicht mehr aufzuhalten. Ein Wettlauf zwischen Japan und Europa beginnt Ende der 80ger Jahre. Beide sind bald gleichauf. Heute dominiert die HDI-Technologie den hochwertigen Leiterplattenmarkt. China zieht mit einigen Produktionsstätten mit. China expandiert auch hier, Europa gewinnt aber zunehmend Terrain zurück. Die Vielfalt der Aufbauten ist faszinierend L. Oberender

14 Entwicklung am Beispiel HDI: Löcher und Line/Space Treiber waren neben anwendungsspezifischen elektrischen Gründen vor allem: Die Miniaturisierung der Bauelemente Die Miniaturisierungsbestrebungen auf Geräteebene Die Zusammenfassung aller elektrischen Funktionen auf einem Substrat Die zwei wesentlichen Maße der Design-Rules, die die Miniaturisierung getrieben haben und treiben: Durchmesser der Löcher /Durchgangs-, Sacklöcher, Microvias Line/Space Bezeichnung Loch- Durchm. AR Rest- Ring Loch- Durchm. AR Rest- Ring Loch- Durchm. AR Rest- Ring Durchgangsloch >=400 1 : >=200 1 : >=150 1 : Microvia >=200 1 : >=80 1 : 1 75 >=40 1 : 1 50 Line/Space >=200 >=75 >=25 L. Oberender

15 Flex einseitig doppelseitig Polymid Kleber Kupfer Finish 1960 Flexible Leiterplatten (Polyimid) Die flexible Leiterplatte hatte ursprünglich die Funktion reiner Flexverbinder. Heute finden sich flexible Substrate im Bereich der Sensorik, in Plantaten und bei Anwendungen für hohe Dauer- Biegebeanspruchungen. Aufgrund des hohem Materialpreises spielen hier die Lohnkosten eine untergeordnete Rolle. Massenprodukte bedienen sich aus Kostengründen in zunehmenden Maße der Verarbeitung von Rolle zu Rolle Arbeitschritte L. Oberender

16 Starrflex Polymid FR4 Kleber Verbund-F. Kupfer Finish 1965 Starr-Flexible Leiterplatten (Polyimid) Die Starr-Flex Leiterplatte ersetzte im Ursprung Steckverbinder zwischen Starren Leiterplatten. Starrflex hat heute vor allem zusätzliche Bedeutung für sicherheitsrelevante Anwendungen, der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt und im Bereich der Miniaturisierung. Diese Technologie ist eher technologiegetrieben als aus Kostengründen (Preis ). Die Vielfalt der Aufbauten ist faszinierend L. Oberender

17 1985 HDI Multilayer (Micro-Via 80µm, Line/Space 75µm) 1 E D B E A B F C Typ A B C D E F Bezeichnung Durchgangsloch AR 1:8 Innenliegendes Loch (2 Lagen) buried via Innenliegendes Loch (4 Lagen) buried via Innenliegendes Loch (5 Lagen) buried via Microvia 100µm ø AR 1:1 blind via Sachloch >100µm ø AR 1:1 blind via L. Oberender

18 1985 HDI Multilayer (Micro-Via 80µm, L/S 75µm) 2 Wie war und ist die Fragestellung bezüglich der Einführung von HDI 1990: Bloß nicht, weil zu teuer und zu wenig verfügbar 1995: Wenn es hilft, dann vielleicht ja / Wenn es gar nicht mehr anders geht, dann sowieso ja. 2000: Die Vernunft, dass HDI nicht nur hilft, sondern auch noch Miniaturisierung und HF-Eigenschaften fördert und nicht einmal extrem teuer sein muss, setzt sich langsam durch. 2005: HDI-Leiterplatten sind heute bei vielen professionellen Anwendungen eher die Normalität, als die Leiterplatten ohne HDI. A B C A B 1/2 2/8 8/7 1/4 2/3 1 x P 1 x G 1 x P 2 x G C 1/2 2/5 6/5 2 x P 2 x G D 1/2 2/4 2/9-7/9 10/9 3 x P 3 x G D E F E F 1/2 2/7 2/13 1/14 8/13 14/13 1/2 2/3 3/4 1/8 6/5 7/6 8/7 4 x P 4 x G 3 x P 4 x G L. Oberender

19 Entwicklung vom COB über das FC zum CSP Globtop Chip COB Chip Underfill Chip Interposer FC CSP CTE Si 4 ppm/k CTE FR4 14 ppm/k L. Oberender

20 Zukunftstrends in der Leiterplattentechnologie L. Oberender

21 Entwicklung für die nächsten Leiterplattengenerationen? Reduzierung des Rasters der Bauelemente Reduzierung Line/Space Integration von Bauelementen in die Leiterplatte Materialien mit besseren Eigenschaften zu verträglichen Kosten L. Oberender

22 Reduzierung Pitch Bauelemente Professionelle Beschaffung von Leiterplatten Bisherige Entwicklung bis 2007 Entwicklung ab Entwicklung ab BGA/CSP ? Diskrete BT Hier ist das vorläufige Ende erreicht L. Oberender

23 Reduzierung Line/Space Professionelle Beschaffung von Leiterplatten Szenario 1 Raster CSP Szenario 2 Raster Bar-Die ? ? 75 25? 25 Ab hier regelt sich das? nur noch mit Fan Out - Geometrien Wir dürfen gespannt sein, ob die Bauelementeindustrie irgendwann durch immer höhere Miniaturisierung der Raster die Bauelemente wegen des Überschreitens der unteren machbaren Grenzen nicht mehr zum Einsatz bringen kann. Bisher wurden die Herausforderungen bei den Substraten noch angenommen, weil in der Substrattechnologie immer noch etwas Luft übrig blieb. Die Grenzen werden bei Line/Space mit 25µm/25µm erreicht sein L. Oberender

24 Integration von Bauelementen in die Leiterplatte FR4 Prepreg Kupfer Chip Underfill FR4 Prepreg Kupfer R(Carb.) Underfill Integration von Chips: Bar-Dies dick, geklebt, Stut-Bumbs, Underfill, Flip-Chip Bar-Dies gedünnt, geklebt, Ankontaktierung mittels Microvias, Fan-Out Integration von Diskteten BT: Gedruckte Widerstände Geätzte Widerstände Omegaply Chip-BT Die Integration von Bauteilen in die Substrate verschiebt einen Teil der Wertschöpfungskette vom Bestücker zum Substrathersteller. Hier verlagert sich nicht nur die Bestückung, sondern ein Teil der Systemintegration. Hier ist die Frage erlaubt: Wer verlagert bei diesem Szenario was wohin? L. Oberender

25 Materialien mit besseren Eigenschaften zu verträglichen Kosten (3 Beispiele) Eigenschaften Ist 2007 Soll Temperaturbeständigkeit Im Dauerbetrieb Diese Materialien gibt es. Handikap: Ohne entsprechende Mengen kein verträglicher Preis Kleinstes gemeinsame Vielfache: Hoch-TG-FR4 ersetzt ersatzlos das FR4 mit dem TG von 135 C Tauglichkeit für hohe Temperaturhübe Diese Materialien gibt es. Handikap: Ohne entsprechende Mengen kein verträglicher Preis Können bei diesen existierenden Materialen auch noch andere Eigenschaften unter einen Hut gebracht werden? Verbesserte HF-Eigenschaften Entwickelte Materialien mit moderaten Preisen wurden wieder vom Markt genommen, weil sich andere Eigenschaften wie beispielsweise die Haftfestigkeit der Kupferfolie auf dem Harz wesentlich verschlechtert hatten Es fehlt an der Zusammenarbeit von Basismaterialherstellern, Anwendern und Instituten, die solche neuen Materialien qualifizieren. Der Abgleich zwischen Anwender und Materialhersteller lässt zu wünschen übrig. L. Oberender

26 Materialien L. Oberender

27 Basismaterialien für die Leiterplattenindustrie Entwicklung am Beispiel FR Material FR1 FR2 FR3 FR4 FR5 Bezeichnung Phenolharz Hartpapier (Bakelit, Pertinax) Phenolharz Hartpapier Epoxidharz Hartpapier Epoxidharz Glasgewebe Hoch-Tg-FR4 mit modifiziertem Epoxidharz Zeit Sondermaterialien Harze Verstärkung PTFE, CE, BT, PI, A-PPE, RO, PET, PEN, LCP Glasgewebe, Keramik, Aramid 1980 Sondermaterialien sind ab 1980 in einer Vielfalt entstanden. Viele dieser Materialien sind in der Verfügbarkeit sehr eingeschränkt und teilweise wieder verschwunden. FR Flame Retardand L. Oberender

28 Anforderungen an die Materialien Eigenschaft - elektrischer Isolator - bruchfest, hoher E-Modul - thermische Beständigkeit (Löten) - resistent gegen Prozess-Chemie Die Vielfalt der genannten Materialien sagt nichts über deren Verfügbarkeit aus, oft gibt es nur einen Hersteller. Dieser Mangel an Wettbewerb bestimmt oft einen ungerechtfertigt hohen Preis. Es gibt häufig Alternativen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen und Preiswerter sind. - preiswert Eingesetzte Materialien Phenol-Harze Epoxid-Harze Polyimid (PI): Aniliertes Polyphenylenether Teflon-Ersatz Teflon APPE Cyanatester L. Oberender

29 Basismaterialien für die Leiterplattenindustrie Material Anwendungsbereiche Anteil FR4 (Tg 120 C) FR4 (Tg 170 C) Polyimid Polyimid-Glas Teflon gefüllt Teflon ungefüllt FR4 halogenfrei FR2/FR3 Polyester div. Kleber DB -40 C 85 C DB -40 C 140 C Flexleiterplatten(Kleberbehaftet DB 85 C/Kleberlos DB C) Hochtemperaturanwendungen DB C HF - Anwendungen HF - Anwendungen Grüne Elektronik (Markt!) Konsumgüterindustrie (Weiße u. Braune Ware) Flexverbinder im unteren Preissegment( Löten nur bedingt möglich) Verbundwerkstoffe für unterschiedlichste Anwendungen 80% 5% 5% <1% <1% <1% <1% <1% <1% L. Oberender

30 Basismaterialien für die Leiterplattenindustrie Glasgewebetypen 2 Quelle L. Oberender

31 Basismaterialien für die Leiterplattenindustrie Core für Multilayer L. Oberender

32 Basismaterialien für die Leiterplattenindustrie CTE und der Tg T g Quelle L. Oberender

33 Multilayer Dickenkalkulation - 1 L. Oberender

34 Multilayer Dickenkalkulation - 4 L. Oberender

35 Multilayer Dickenkalkulation - 6 L. Oberender

36 Multilayer Dickenkalkulation - 7 L. Oberender

37 Einseitige, doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten Multilayer, HDI-Leiterplatten L. Oberender

38 Fertigungsschritte einseitige Leiterplatte Material Fotoresist laminieren neg. Leiterbild belichten Fotoresist entwickeln Leiterbild ätzen Fotoresist strippen Lack gießen/ Siebdruck Lack belichten Lack entwickeln Löcher bohren Oberflächenbehandlung Umriss fräsen L. Oberender

39 Vom Bohren bis zum durchkontaktierten Loch Nach Bohren Nach Desmear Nach Bekeimung Smear Mikro- Rauigkeit Bekeimung 4 Nach chem. Kupfer 5 Nach galv. Vorkupfer 6 Nach Resist Chem. Cu 3-8µm Galv Cu 3-8µm Resist 7 Nach galv. Endkupfer 8 Nach Resist entfernen Doppelseitig Durchkontaktierte Leiterplatte Galv. End-Cu >20µm L. Oberender

40 Prinzipieller Aufbau und Materialien Prepreg Core Leiterplatte + = L. Oberender

41 Lochtypen und Kombinationen E D B E A B F C Typ A B C D E F Bezeichnung Durchgangsloch AR 1:8 Innenliegendes Loch (2 Lagen) buried via Innenliegendes Loch (4 Lagen) buried via Innenliegendes Loch (5 Lagen) buried via Microvia <=100µm ø AR 1:1 blind via Sachloch >100µm ø AR 1:1 blind via L. Oberender

42 Die Vielfältigkeit der Aufbauten von HDI-Multilayer Leiterplatten (schematisch) L. Oberender

43 Das Prinzip des Verpressens von Leiterplattenmaterialien Mehrlagen-Leiterplatten (Multilayer): Presspaket Presswerkzeug Presspolster, Pressplatten Trennfolien Kupferfolie Prepreg Innenlage Prepreg Kupferfolie Presspolster, Pressplatten Trennfolien Presswerkzeug L. Oberender

44 Typische Multilayerpresse Einzel Laminier-Vakuum Presse Laminier-Vakuum Presse mit Laden und Entladen L. Oberender

45 L1 Prepreg 12µm Basis-Cu + 25µm DK-Cu 1080AT/64µm FR4-Prepreg Der Übergang vom teilvernetzten zum vernetzten Harz L1 L2 12µm Basis-Cu +33µm Dk-Cu Pressparameter L2 Core 100µm FR4-Core L3 12µm Basis-Cu L3 Prepreg 2125AT/100µm FR4-Prepreg L4 12µm Basis-Cu L4 Core 100µm FR4-Core Quelle: ISOLA L5 Prepreg 12µm Basis-Cu 2125AT/100µm FR4-Prepreg Teilvernetzt Vernetzt L5 L6 35µm Basis-Cu L6 Core 100µm FR4-Core L7 35µm Basis-Cu L7 Prepreg 2125AT/100µm FR4-Prepreg L8 12µm Basis-Cu L8 Core 100µm FR4-Core L9 12µm Basis-Cu+8µm V-Cu L9 Prepreg 2125AT/100µm FR4-Prepreg L10 12µm Basis-Cu L10 Core 100µm FR4-Core L. Oberender

46 Multilayeraufbauten 4-Lagen Multilayer, Material FR4 L1 Pr. L2 12 ED Cu 1080/64 18 ED Cu L1 L2 FR L3 Pr. L4 18 ED Cu 1080/64 12 ED Cu L3 L4 Kupfer Finish FR4 Prepreg Lötstopp L. Oberender

47 Multilayeraufbauten 4-Lagen Multilayer 1-2-1, Material FR4 L1 Pr. L2 12 ED Cu 1080/64 18 ED Cu L1 L2 FR L3 Pr. L4 18 ED Cu 1080/64 12 ED Cu L3 L4 Kupfer Finish FR4 Prepreg Lötstopp L. Oberender

48 Multilayeraufbauten 6-Lagen Multilayer 1-2/5-1, Material FR4 L1 Pr. L2 Pr. L3 FR4 L4 Pr. L5 Pr. L6 12 ED Cu 1080/64 18 ED Cu 1080/ / /64 18 ED Cu ED Cu 1080/ / /64 18 ED Cu 1980/64 12 ED Cu L1 L2 L3 L4 L5 L6 Kupfer Finish FR4 Prepreg Lötstopp Harz L. Oberender

49 Multilayeraufbauten 6-Lagen Multilayer 2/5, Material-HF-RO 4350 L1 RO L2 Pr. 18 ED Cu 4350/ ED Cu 2xRO 4350/200 L1 L2 L3 18 ED Cu L3 RO 5350/200 L4 18 ED Cu L4 Pr. L5 Pr. L6 2xRO 4350/ ED Cu 4350/ ED Cu L5 L6 Kupfer Finish RO RO Prepreg Lötstopp Harz L. Oberender

50 Multilayeraufbauten 6-Lagen Multilayer 2/5, Material-HF-RO 4350/FR4 L1 RO L2 Pr. L3 FR L4 Pr. L5 Pr. L6 18 ED Cu 4350/ ED Cu 1080/ / / /64 18 ED Cu ED Cu 1080/ / / /64 18 ED Cu 4350/ ED Cu L1 L2 L3 L4 L5 L6 Kupfer FR4 FR4 Prepreg Finish RO Lötstopp Harz L. Oberender

51 Multilayeraufbauten 6-Lagen Multilayer / , Material FR4 L1 Pr. L2 Pr. L3 Pr. L4 FR4 L5 Pr L6 FR4 L7. Pr. L8. Pr. L9. Pr. L10 12 ED Cu 106/48 12 ED CU 106/48 12 ED Cu 106/48 18 ED Cu ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu 106/48 12 ED Cu 106/48 12 ED Cu 106/48 12 ED Cu L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7. L8. L9. L10 Kupfer Finish FR4 Prepreg Lötstopp L. Oberender

52 L1 Pr. L2 FR4 L3 Pr. L4 FR4 L5 Pr L6 FR4 L7 Pr. L8 FR4 L9 Pr. L10 FR4 L11 Pr. L12 FR4 L13 Pr. L14 FR4 L15 Pr. L16 FR4 L17 Pr. L18 FR4 L19 Pr. L20 12 ED Cu 1080/64 18 ED CU ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu ED Cu ED Cu 2125/ ED Cu ED Cu 1080/64 12 ED Cu Multilayeraufbauten 20-Lagen Multilayer 1-2/19-2/9-19/12-1/20 Material FR4 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L20 Kupfer Finish FR4 Prepreg Lötstopp L. Oberender

53 Hochstrom und Entwärmung auf Leiterplatten Sonderkonstruktionen L. Oberender

54 Leiterplatten für Hohe Leistungen (Stromtragfähigkeit und Entwärmung) Warum immer höhere Ströme und Temperaturen auf der Leiterplatte? Die Leiterplatte trägt an Funktionalität heute fast alles an Bauelementen, auch Leistung Die Bestückungsdichte steigt stetig und damit die Gasamtleistung und die Stromdichte Die Taktfrequenz verdoppelt sich alle vier Jahre, Stromdichte ( ), Erwärmung ( ) Die Elektronik mit höheren Umgebungstemperaturen wird immer häufiger Was muss eine Technologie für hohe Ströme und Entwärmung auf Leiterplatten leisten? Die Technologie muss gleichermaßen hohe Ströme und die Entwärmung realisieren Die Integration in die etablierte Leiterplattentechnologie muss einfach sein Hohe Wirtschaftlichkeit und ökologische Verträglichkeit ist Vorraussetzung Berechnungs- und Simulationstools sind Anwendungsvorraussetzung L. Oberender

55 Grundlagen - 1 Erhöhung der Stromtragfähigkeit eines Leiters durch Optimierung der Schichten FR FR T = 70 C I = 20 A T = 100 C I = 25 A Alle Maße in µm T = 70 C I = 30 A T = 53 C I = 25 A L. Oberender

56 Technologie Gegenüberstellung bisheriger Technologien für Hochstrom und Entwärmung auf Leiterplatten Stromschienen Stanzgitter Eisberg Werden 5% für hohe Ströme tragendes Kupfer in einer Leiterplatte gebraucht, dann sollten auch nur 5% Kupfer für diese Leiterplatte zum Einsatz kommen. Pad Draht 500µm ø Pad Pad P1 P2 P3 D1 D2 Sig Sig Sig Power Power Power P1, P2 Kupferprofil 4000µm x 500µm P3 Kupferprofil 4000µm x 500µm P1, P2 Kupferprofil 4000µm x 500µm Power Power Profil 2000µm x 500µm Profil 4000µm x 500µm L. Oberender

57 Realisierung Hochstrom Gegenüberstellung Platzbedarf Draht und Profil zur Kupferfolie 70µm und 105µm Draht 500µm ø Profil 2000µm x 500µm ø Breite in mm Profil 4000µm x 500µm ø 0 0,5 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 Draht 0,5 Cu 105µm Cu 70µm Profil 2,0 x 0,5 Cu 105µm Cu 70µm Profil 4,0 x 0,5 Cu 105µm Cu 70µm L. Oberender

58 Technologie Draht 500µm ø Profil 2000µm x 500µm ø Profil 4000µm x 500µm ø Zwei Drähte 500µm auf 70µm Cu-Folie Profil 4000µm x 500µm im Multilayer längs mit 600µm Löchern Profil 4000µm x 500µm im Multilayer quer mit 2000µm Loch Ultraschall -Verbindung am Beispiel 500µm Draht und 4000µm x 500µm Profil L1 L2 L3 L L. Oberender

59 Hochstromleiterplatte L1 Draht L3 L2 L4 L5 Draht ±10% L6 Profil L L8 FR4 Prepreg Kupfer Kupfer-Draht L. Oberender

60 Flexible Leiterplatten Starr-Flex-Leiterplatten L. Oberender

61 Anwendungsgebiete Professionelle Beschaffung von Leiterplatten Vorteile Höhere Zuverlässigkeit L. Oberender

62 Weitere Gründe Logistik, Handling, Montage, Stecker, Kabel, Zubehör Alterung der Lötstelle, Definierte Signalqualität, Impedanz, Def. I, R, U L. Oberender

63 Material L. Oberender

64 Material Die thermisch schlechteren Eigenschaften der Klebersysteme bei Flex- und Starr-Flexaufbauten machen die guten thermischen Eigenschaften des Polyimid Häufig in der Anwendung zu Nichte L. Oberender

65 Impedanzkritische 2-Lagen Flexleiterplatte (Micro-Stripline) L. Oberender

66 Design-Rules L. Oberender

67 Design-Rules für HDI Leiterplatten J K F D H G E Aspekt-Ratio AR d t A d B C t L M AR = d/t Index Bezeichnung Maße Aspekt-Ratio >= 1:8 A-D Durchgangslöcher Fertigloch Restring >= 200 >= 150 Index Bezeichnung Maße K Leiter/Pad/Antipad zur Durchkontaktierung Abstand >= 300 F Micro Via Aspekt-Ratio >= 1:1 Fertigloch <=100 Restring >= 75 J Leiter/Pad zur Fräskante Abstand >= 300 G, H Leiter - Außenlagen - Innenlagen - Breite >= 75 Abstand >= 75 L M Lötstopplack Aussparung 50 umlfd. Stegbreite >= 75 L. Oberender

68 Versatz und Restring Professionelle Beschaffung von Leiterplatten ohne Versatz mit Versatz unkritisch mit Versatz kritisch Ohne Teardrop mit Teardrop ohne Versatz mit Versatz unkritisch mit Versatz unkritisch L. Oberender

69 Design Beispiel 1 L. Oberender

70 Design Beispiel 2 S Aus Gründen der Haftfestigkeit der Lötstoppmaske auf dem Basismaterial muss die Stegbreite S zwischen den Bauelementeanschlüssen >= 80µm betragen Alle Maße in µm L. Oberender

71 Design Beispiel 3 Die Isolation zum nächsten Metall in Innenlagen beträgt ausgehend vom Fertigloch >=300µm >=300 FH FH = Fertigloch L. Oberender

72 Impedanzkontrollierte Aufbauten L1 L2 L3 L4 L5 A H Polar L6 L7 L8 W A T Polar W1 L. Oberender

73 Isolation Allgemein 1 Fortsetzung nächste Seite L. Oberender

74 Leiterplatten-Endoberflächen Umweltgesichtspunkte L. Oberender

75 Inhalt Einleitung Die Leiterplattenoberflächen Auswahlkriterien Die Oberflächen im Einzelnen Die RoHS und deren Auswirkungen auf die Leiterplatte Basismaterialien aus ökologischer Sicht Zusammenfassung und Ausblick Die Endoberfläche auf der Leiterplatte hat in vielerlei Hinsicht einen Einfluss auf die Weiterverarbeitung der Leiterplatten. Deshalb ist bei der Entscheidung, welche Oberfläche zum Einsatz kommt, der gesamte Durchlauf der Leiterplatte zu berücksichtigen. L. Oberender

76 Einleitung Zeitliche Folge der Oberflächen Wassertauchlack Galvanisch Silber Galvanisch Zinn Galvanisch Zinn/Blei Galvanisch Nickel Galvanisch Nickel/Gold HAL Chemisch Nickel/Gold Chemisch Nickel/Reduktiv Gold (99) Galvanisch Nickel Feingold (99) Chem. Silber Chem. Zinn Organische Passivierung Wie viele Oberflächen sind übrig geblieben? Baugruppe Funktion der Oberfläche Löten Al - Drahtbonden Au - Drahtbonden Leitkleben Steckverbinder/Schleifer Einpressskontakte 99 Feingold L. Oberender

77 Leiterplattenoberflächen (Ausführlich siehe Leiterplattentechnologie Teil 2) HAL Galv. Ni/Au (legiert) Chem. Sn Galv. Ni/Au 99 Leiterplatten Oberflächen Chem. Ag Chem Ni/ Red. Au 99 Chem. Ni/Au 99 OSP 99 Feingold L. Oberender

78 Auswahlkriterien Auswahlkriterien Planarität Zuverlässigkeit Kosten Anzahl der Lötprozesse Verfügbarkeit Lagerzeit Lotmaterial RoHS-Konformität Funktion Oberfläche für das Löten HAL Chemisch Zinn Chemisch Silber Chem. Ni/Au (99) Organische Passivierung OSP Chem. Ni/Reduktiv Au (99) Galv.Ni/Galv.Au (99) Galv.Ni/Galv.Au (legiert) Tendenz L. Oberender

79 HAL FR4 Die Heißverzinnung ist der Klassiker Nr. 1 aus den 60ger Jahren. In Hochzeiten hatte diese Oberfläche einen Anteil von bis 70%. Verbleit wird ein eutektisches Sn/Pb (60/40 oder 63/37) verwendet. HAL RoHS-Konform bedient sich in der Regel der Legierung SnCu3,5Ni0,1. HAL ist z. Z. rückläufig. Schichtdicke Vorteile Nachteile Kante 500nm Pad min 8µm Pad max 30µm - bekannter Prozess - nicht bondbar - bekannte Oberfläche - therm. Stress der LP - gute Lötbarkeit - schlechte Koplanarität Lagezeit >12 Monate - lange Lagerzeit - gute Einpresseigensch. - für Feinpitch nur - preiswert bedingt geeignet L. Oberender

80 Chem. Ni/Au FR4 Chem. Ni/Au ist der Klassiker Nr. 2. Entstanden ist diese Oberfläche aus der Technologie des Aluminiun-Draht-Bondens. Die hierbei qualifizierten Schichtdicken haben sich auf Leiterplattensubstraten als gut benetzbare und zuverlässige Oberfläche für den Lötprozess erwiesen. Schichtdicke Vorteile Nachteile Nickel 4 6µm Au nm P Gehalt 6 10% Lagezeit > 12 Monate - bekannter Prozess - Preis - Koplanare Oberfläche - geringere Benetzbarkeit als - Al-Draht bondbar HAL und chem. Sn - gute Lötbarkeit - Ni-Sprödigkeit - lange Lagerzeit - Reduzierte Zuverlässigkeit der Lötstellen (bei erhöhtem thermomechanischen Stress) L. Oberender

81 Chem. Sn FR4 Die Versuche mit einer chemischen Sn-Schicht eine preiswerte Oberfläche auf Leiterplatten zu schaffen sind Jahrzehnte alt. Erst in den letzten Jahren ist es gelungen, eine genügend dicke Schicht mit einer konstanten Duktilität zu applizieren, die einen Mehrfachlötprozess zulässt. Die Phasenbildung zwischen Sn und Cu ist bezüglich der zeitlichen Abläufe unter Temperatur relativ genau zu planen. Schichtdicke Vorteile Nachteile 1µm Lagezeit 12 Monate - bekannter Prozess - nicht bondbar - koplanare Oberfläche - Cu-Sn-Diffusion - gute Lötbarkeit - gute Einpresseigensch. - Preis L. Oberender

82 Zinn-Kupfer Diffusion Das Wachstum der Sn-Cu Diffusion ist eine Funktion aus der Zeit (t) und der Temperatur (T) FR4 d = f(t,t) 1µm Zeit Temperatur Sn Cu 1 µm in 2.5 Jahre 20 C 1 µm / Jahr 40 C d Zeit Temperatur Sn Cu 6 Sn 5 Cu 3 Sn Cu 1 µm / Monat 80 C 1 µm / Tag 140 C 1 µm / Stunde 190 C 1 µm / Minute 260 C 1 µm / Sekunde 330 C (Handlöten!) L. Oberender

83 Chem. Ag FR4 Die chemisch Ag-Oberfläche ist fast zeitgleich mit der chemisch Sn- Oberfläche zur Marktreife entwickelt worden, wobei diese Oberfläche bei der Leiterplattenherstellung fast ausschließlich in Fernost und in den USA appliziert wird. Die Mehrfachlötbarkeit dieser Oberfläche ist problematisch und erfordert eine gute zeitliche Planung. Schichtdicke Vorteile Nachteile nm Lagezeit 6 Monate - gute Koplanarität - kaum verfügbar in Europa - Preis - bedingt bondbar - Lötbarkeit eingeschränkt - Lagerzeit eingeschränkt L. Oberender

84 Organische Passivierung OSP FR4 Für die Massenproduktion einfacher Leiterplatten wurde diese Oberfläche vor allem entwickelt. Eine Mehrfachlötfähigkeit ist kaum möglich, wenn notwendig mit sehr engem Prozessfenster. Für professionelle Baugruppentechnologien hat diese Oberfläche keine Bedeutung. Schichtdicke Vorteile Nachteile nm - Preis - Mehrfachlöten ist problematisch - koplanare Oberfläche - elektrischer Test vor OSP- Prozess Lagezeit 6 Monate L. Oberender

85 Chem. Ni/ Reduktiv Au (99) FR4 Chemisch Nickel-Reduktivgold ist ein katalytisch nicht anodisch angebundenes Dickgold von 500nm für das Thermosonic-Bonden, teil- Weise als Kontaktgold, wenn keine besondere Anforderungen an die Härte dieser Oberfläche gestellt werden. Wegen der Bildung einer eigenen intermetallischen Phase des Lotes mit der dicken Au-Schicht kommt diese Oberfläche für das Löten nicht in Frage. Schichtdicke Vorteile Nachteile Nickel 4 6µm Au 500nm Lagezeit Kein Löten - Au-Draht bondbar - Preis - bedingt kontaktfähig - spröde Sn-Au-Phase - koplanare Oberfläche - wenig verfügbar - kein Löten L. Oberender

86 Galvanisch Ni/ galvanisch Au (99) FR4 Galvanisch Ni/ galvanisch Weichgold ist anodisch angebundenes Dickgold von 500nm für das Thermosonic-Bonden, teilweise als Kontaktgold, wenn keine besondere Anforderungen an die Härte dieser Oberfläche gestellt werden. Wegen der Bildung einer eigenen intermetallischen Phase des Lotes mit der dicken Au-Schicht kommt diese Oberfläche für das Löten nicht in Frage. Schichtdicke Vorteile Nachteile Nickel 4 6µm Au 500nm Lagezeit Kein Löten - Au-Draht bondbar - Preis - bedingt kontaktfähig - spröde Sn-Au-Phase - wenig verfügbar - kein Löten L. Oberender

87 Galvanisch Ni/ Galvanisch Hartgold FR4 Die Galv. Ni/galv. Au Schichten auf Leiterplatten sind ausschließlich als Kontaktgold für den elektrischen nicht stoffschlüssigen Kontakt, für Schleifer und Direktsteckverbinder vorgesehen. Diese Au-Schicht weist durch Legierung mit Nickel eine höhere Härte als die übrigen Au-Schichten auf. Schichtdicke Vorteile Nachteile Nickel 4 6µm Au 1 3µm - kontaktfähig - Preis - kein Löten Lagezeit Kein Löten L. Oberender

88 Basismaterialien aus ökologischer Sicht Die Forderung nach halogenfreien Materialien gehorcht z. Zt. ausschließlich dem Markt. Eine Vorschrift regelt diesbezüglich noch nichts. Halogenfrei Das Motto lautet: Electronic Goes Green L. Oberender

89 Basismaterialien aus ökologischer Sicht Was hat es mit Halogenen in Lötstoppsystemen auf sich? Lötstoppsysteme enthalten keine Flammhemmer. Bei einer Lötstoppmaskendicke von beispielsweise 25 µm werden bei einer Mindestdicke des FR4-Substrates von 0,8 mm die in diesem Material vorhandenen Flammhemmer herangezogen. Einzig Chlor befindet sich in herkömmlichen Lötstopplacken. Dieses ist in halogenfreien Lötstopplacken eliminiert. Die dadurch entstehende blaue Farbe des halogenfreien Lötstopplackes ist einerseits gewollt (Unterscheidungs- Merkmal), kann aber durch den Zusatz von gelben Pigmenten wieder grün werden. L. Oberender

90 Zusammenfassung und Ausblick bezüglich Stand RoHS Die Technologien sind entwickelt und etabliert Die Zuverlässigkeit ist gewährleistet Die Anzahl der Lote ist überschaubar Die herkömmlichen Basismaterialien können weitgehend Verwendung finden Der Markt reduziert Ausnahmen von selbst Das Bauelementespektrum weist bezüglich der Verfügbarkeit noch Defizite auf Die Evaluierung und Anpassung der RoHS ist von Seiten der EU in Gang gesetzt Ausnahmen werden sukzessive entfallen L. Oberender

91 Einflüsse der Technologie auf die Kostenstruktur L. Oberender

92 Einflüsse der Technologie auf die Kostenstruktur Einleitung 1. Nur wer die grundsätzlichen Dinge bezüglich der Herstellung von Leiterplatten kennt, wird in der Lage sein kostenbewusst zu konstruieren. 2. Die Leiterplatte ist mittlerweile aktiver Teil eines elektronischen Systems mit folgender Funktionalität: Träger des gesamten Bauelementespektrums Thermische Ableitung von Hot Spots Aktive elektrische Funktion Die HDI-Technologie gewährt höchste Packungsdichte Starr-Flex für Geräteminiaturisierung Flex für Sensoren mit reproduzierbarer Signalqualität Einsatz von Materialien für extreme Temperaturhübe Verbesserte HF-Eigenschaften durch neue Materialien Wirtschaftliche Hochstromanwendungen durch neue Technologien 3. Eine wirtschaftliche Leiterplattenfertigung setzt eine gute Vorplanung der Baugruppe voraus. 4. Nach dem Planungsabschluss ist das Ergebnis unter wertanalytischen Gesichtspunkten zu betrachten. L. Oberender

93 Beispiel eines Baukastens für die Kosten einiger Leiterplattentechnologien Matrix 1 Eine Matrix hilft dem Entwickler und dem Konstrukteur, die unterschiedlichen Technologien tendenziell bezüglich des Aufwandes und damit in Richtung Preisbildung einzuschätzen. F = 0,7 F =. Die Faktoren bei gleichen sonstigen preisbeeinflussenden Wertigkeiten. F = 1 F = 1,5 F = 3 F = 1,5 F = 2 F = 3 L. Oberender

94 Was finden wir da alles in und auf der Laiterplatte? Material Anzahl unterschiedlicher Löcher HDI Starr-Flex Servicedruck Aspect-Ratio Anzahl der Löcher Abziehlack Impedanzprüfung Impedanz Schliffbilder Flex Leiterplattengröße Diese 32 Parameter und mehr Sondertest- Coupon Stückzahl/ Losgröße Anzahl Lagen Line/Space DK-Lack Carbon CIC Zertifikat Lötstopplack Kontur Oberfläche Sachlöcher Normen Bondgold Entwärmung beeinflussen den Leiterplattenpreis Zahl der Prüfpunkte Lagenzahl Micro-Vias DK-Kanten Hochstrom L. Oberender

95 Die unterschiedlichen Leiterplattentechnologien bestimmen nicht alleine den Endpreis einer Leiterplatte. Es gib noch die nachfolgend aufgeführten Einflussgrößen: Die Quantität von Merkmalen Anzahl der Löcher Anzahl untersch. Löcher Anzahl der Lagen Die Leiterplattengröße Anzahl Prüfpunkte Stückzahl/Losgröße Nutzengestaltung Leiterplattendicke Technologie Flex/Starrflex HDI Microvias Sacklöcher Oberfläche Bondgold Line/Space Aspect Ratio Impedanz/Impedanzprüfung DK-Kanten Konturen Hochstrom/Entwärmung Material Normen Zusatzarbeiten Lötstopplack DK-Lack Abziehlack Carbon Servicedruck Sondertestcoupon Schliffbild CIC-Zertifikat L. Oberender

96 Die preisbildenden Wertigkeiten in der Tendenz Quantität Technologie Zusatzarbeiten Anzahl der Löcher Anzahl untersch. Löcher Anzahl der Lagen Anzahl der Prüfpunkte Stückzahl/Losgröße Nutzengestaltung Leiterplattengröße Fräs-Ritz-Konturen Leiterplattendicke Beeinflussung der Kosten niedrig mittel hoch Flex/Starrflex HDI Microvias Sacklöcher A Oberfläche Bondgold Line/Space Aspect Ratio Impedanz/Impedanzpr. DK-Kanten Konturen Hochstrom/Entwärmung Material Normen Lötstopplack DK-Lack Abziehlack Carbon A Servicedruck Sondertestcoupon Schliffbild CIC-Zertifikat L. Oberender

97 Weiterverarbeitung von Leiterplatten, Formate und Nutzen L. Oberender

98 Weiterverarbeitung von Leiterplatten Die Weiterverarbeitung zur Baugruppe beeinflusst das Layout und die Nutzenanordnung Die maschinelle Ausstattung nimmt bedeutenden Anteil an der Gestaltung des Layouts Muss eine Dienstleistung mit einbezogen werden: Entscheidung: Ja/nein Der Dienstleister ist angepasst an die Anforderungen und nicht umgekehrt Bauteilbeschaffung gängiger Bauteile beim Dienstleister Entscheidung: Ja/nein Alles aus einer Hand: Leiterplatte/Bauteile/Baugruppe Entscheidung: Ja/nein Wertanalytische Gesichtspunkte werden bis zum fertigen System berücksichtigt Leiterplatte Bestückung Test Servics Erstellung einer Matrix (Kostenanalyse) L. Oberender

99 Optimierung am Beispiel von Fertigungsformaten beim Leiterplattenhersteller Format A Format B Format C Ausnutzung 70% Ausnutzung 80 % Ausnutzung 90 % Die Kenntnis der Fertigungsformate ist Vorraussetzung für optimale Panelausnutzung Der Zweitlieferant sollte gleiche (ähnliche) Panels benutzen Identische Leiterplatte = identischer Laminataufbau L. Oberender

100 Optimierung am Beispiel Formate Format C Ausnutzung? % 9x 12x Immer dann, wenn im Anfangsstadium einer Entwicklung auf die maßliche Gestaltung einer Leiterplatte zur besseren Ausnutzung eines Fertigungs- Panels Einfluss genommen werden kann, hilft das Kosten sparen. Die Praxis zeigt, dass derartige Fälle, in denen das gelingt, gar nicht so selten sind Format C Ausnutzung 90 % Reihenfolge: Panel Leiterplattengröße Kundennutzen Nutzentrenntechnologie L. Oberender

101 Optimierung am Beispiel Formate Nutzen mit Stegen Nutzen mit Ritzen Nur durch Berücksichtigung aller Aspekte und Kosten gelang man zu einer optimalen Lösung bei der Nutzengestaltung. Kosten Fräsen/Ritzen bei Leiterplattenhersteller Kosten Nutzentrennung beim Anwender Bearbeitung der Kontur nach Nutzentrennung: Ja/nein L. Oberender