UNTERNEHMEN. Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik 1

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1 UNTERNEHMEN 1

2 CONday Hochfrequenz-Technologie Berlin, 13. Mai 2014 Höchste Datenraten und Frequenzen: Herausforderungen an das PCB-Design Referenten: Uwe Maaß/Christian Ranzinger 2

3 Herzlich Willkommen Kurzvorstellung Referent Christian Ranzinger: Jahrgang 1967 Berufliche Stationen: hmp Heidenhain Microprint (Assistent der GF, technologische Sonderprojekte) Atotech Deutschland GmbH (European Manager OEM, OEM-gesteuerte strategische Ausrichtung in den Produkt- und Prozessentwicklungen) Freiberuflicher Consultant in der PCB-Branche (Planung und Durchführung von Anlageninvestitionen, Technologieentwicklungen, R&D-Projekten und Firmenneubauten) CONTAG AG ( , ab zurück als technologischer Leiter, CTO) 3

4 Herausforderungen an das PCB-Design, Teil 2 Trends in der Komplexität digitaler Schaltungen Kleinster Bohrdurchmesser Strukturweiten (Line/Space) Anzahl der Lagen Durchmesser der Kontaktierungen, Kontaktierungsdichte Nutzung von Blind- und Buried Vias 0,40mm 0,20mm 0,10mm 0,05mm High End PCB Komplexität Hohe Komplexität (HDI), Multilayer Einfache Schaltungen, 1- und 2-seitig Mittlere Komplexität, 2-seitig und Multilayer Zwischenwelt Chip-PCB: IC-Packages, IC-Substrates, Interposer 25µm 75µm 125µm 300µm Strukturweiten 4

5 Kommunikation Schaltungsentwickler PCB Hersteller Schaltungs-Spezifikation UNTERNEHMEN Arbeitsfrequenz Datenraten Signalintegrität Impedanzen EMV Strukturen Board-Spezifikation Materialauswahl Stack Up Zulässige Toleranzen Endoberfläche Kosten Funktionierende Schnittstelle Entwicklung Fertigung unabdingbar 5

6 Ein Minimum an Kenntnissen aller beteiligten Technologien ist die Voraussetzung für die erfolgreiche Schaltungs/Systementwicklung! Wie wird die Schaltungsentwicklung fertigungstechnisch richtig interpretiert? Auf welcher Seite liegt das Schnittstellen-Know How? Müssen technische Lösungen über Iterationsschleifen an Musterfertigungen erarbeitet werden? Kennt der PCB-Hersteller seine Prozess- und Fertigungstoleranzen und kann sie ggf. beeinflussen? Stehen die geeigneten Materialien zur Verfügung? Kann der PCB-Hersteller technologisch beratend in der Entwicklungs/Designphase zur Seite stehen? Ist der Kostengesichtspunkt ausreichend beleuchtet (Serienfertigung!)? PCB- Hersteller Entwickler/ Layouter Material/Prozesslieferant 6

7 HF-relevante Einflussgrößen in der PCB-Fertigung h cond ε r, tanδ b 2 b 1 h sub ε r, tanδ (Prepreg) ε r, tanδ (Core) b 2 b 1 h cond h sub, Prepreg h sub, Core Mikrostreifenleitung (Microstrip) Offset Stripline Substratwahl (Dielektrikum) Dk, tanδ Dielektrikadicken (Stack Up + Toleranzen) Strukturen (Leiterzugbreiten, Formen + Toleranzen, Kupferdicken) Oberflächenfinish (Lötstopplack, Endmetallisierung) Rauheit der Leiterzüge Art der Durchkontaktierungen (Through Holes, Blind Vias, Stub Vias) Je nach Design und Aufbau bekommen die Einflussgrößen in der Gesamtbetrachtung eine unterschiedliche Wichtung, z.b hat bei Offset Striplines das Oberflächenfinish der Schaltung keinen Einfluss 7

8 Substratwahl Basismaterial: Dielektrischer Verbundstoff, bestehend aus einem Harzsystem/Kunststoff und Komponenten wie Füllstoffen und/oder Glasgeweben Ergänzungen sind notwendig, um die erforderliche thermische und mechanische Stabilität zu erreichen Gewünschte thermische Eigenschaften: Zersetzungstemperatur Td >320 C Thermische Beständigkeit Time to delamination T 260 >60min, T 288 >5min Thermische Ausdehnung CTEz <60ppm/K unter Tg Glasübergangstemperatur Tg 150 C Nachteilig für die elektrischen Eigenschaften: kein homogener Aufbau, daher Schwankungen der dielektrischen Eigenschaften Glas verfügt z.b. über eine höhere Permittivität als Epoxydharz, daher spürt eine sensible Leitung bei FR4- Material ihre Positionierung gegenüber den Glasfasern Mittlerweile gibt es eine Vielzahl an HF-geeigneten Materialien Dk tanδ Kosten Standard FR4 3,8 5 1) 0,01-0,02 1 Modifiziertes FR4 3,3 3,8 1) 0,005 0,01 2 Hydrocarbon 3 6 2) 0,002 0, PTFE (Teflon) ) 0,001 0, ) Frequenzabhängig, Werte bei max. 1GHz 2) Definiert wählbar und frequenzunabhängig, Werte z.b. bei 10GHz 8

9 Durchkontaktierungen Through Holes: Metallisierte Bohrung von Top nach Bot Bohrdurchmesser 0,15mm Aspect Ratio 1:10 Blind Vias: Metallisierte Bohrung von einer Außenlage auf eine definierte Landelage (z.b. Top auf L2 oder L3) Als konventionelles Blind Via mechanisch oder per Laser gebohrt Bohrdurchmesser 0,075mm Aspect Ratio 1:1 Als Through Hole in einem Sub-Kern gefertigt Als Stub Via gefertigt (als Through Hole gebohrt und von der Rückseite zurück gebohrt Back Drill Technologie) Buried Vias: Im Stack Up eingebettete Ankontaktierung Als Through Hole oder Blind Via gefertigt 9

10 Blind Vias Blind Vias Stub Vias (Backdrill) 10

11 Typischer HDI Stack Up Blind Vias Stub Vias (Backdrill) Stack Up HDI_1 11

12 Typischer HDI Stack Up Stack Up HDI_2 12

13 PCB s mit Rückstrom Vias 13

14 Performance der Technologievarianten Rückstrom Vias Koaxial-Via im Schliff 14

15 Rauheit der Leiterzüge Rauheit: Bezeichnet Unebenheit der Oberflächenhöhe Übliche Einheiten zur Beschreibung sind Rz (Gemittelte Rauheit von fünf aneinandergrenzenden Einzelmessstrecken), Ra (arithmetischer Mittenrauhwert) und Rq (quadratischer Mittenrauhwert, RMS) es gilt immer Rz Ra und Rq Ra Pauschale Forderung: Minimierung (Skin-Effekt)! 15

16 Rauheiten von Kupferstrukturen (Leiterzügen) Welche Prozesse bestimmen die Flanken- und Bodenrauheit? Bodenrauheiten: Durch Treatment der Material- bzw. Kupferfolienhersteller definiert, Rz 6-10µm Low Profile-Folien als Alternativen Flankenrauheit: Durch Prozesse beim PCB-Hersteller definiert Übliche Rauheit eines nasschemischen Mikroätze: Ra 0,2-0,6µm; Rz 2,5-6µm Leiterzug und Rauheiten Treatmentseite Kupferfolie Der PCB-Hersteller kann die Rauheiten in seinen Prozessen nur bedingt beeinflussen! Welche Rauheit ist bei welchem Design und welchem Oberflächenfinish überhaupt relevant (TU Berlin/IZM)? 16

17 Aufrauhen von Leiterzügen Im Fertigungszyklus von PCB werden verschiedene Laminier- und Pressprozesse durchgeführt: Aufbringen von Resisten für die fotolithografische Strukturierung der Leiterbilder Aufbringen von Lötstopplacken und Folien Zusammenfügen von vorstrukturierten Innenlagen zum Multilayer-Verbund Aus technologischer Sicht hohe Haftfestigkeiten gefordert Eine gute Haftung vom Kupfer zur Beschichtung wird durch eine Vergrößerung der aktiven Oberfläche (Aufrauhen) erzeugt Dazu werden nasschemische Mikroätz- oder mechanische Verfahren angewandt Primer coatings ( Glanzätzen ) sind in der Entwicklung Mechanisch gebürstet Nasschem. Mikroätzen 1) (Korngrenzen) 1) Quelle: Atotech Deutschland GmbH Primer coating 1) 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 18

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