CONday Hochfrequenz-Technologie

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1 CONday Hochfrequenz-Technologie Berlin, 13. Mai 2014 Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen auf das Hochfrequenz - PCB-Design Referenten: Christian Tschoban/Christian Ranzinger 1

2 Einfluss Ätztechnologie auf die Leiterzüge Prinzip nasschemisches Ätzen Nasschemisches Ätzen ist anisotroper Prozess Ätzangriff erfolgt richtungsunabhängig und bewirkt Undercut (sog. Unterätzung) Unterätzung ist abhängig von der zu ätzenden Kupferdicke Unterätzung ist ein absoluter Wert Wirkt sich daher prozentual bei schmalen Leiterzügen stärker aus Wird durch sog. Swell der Leiterzüge in der Datenaufbereitung vorgehalten 2

3 Einfluss Ätzprozess auf die Toleranzen der Leiterzugbreiten Globaler Einfluss auf die Toleranz: Chemie (Konzentrationsverhältnisse der Komponenten) Anlagenparameter (Temperaturen, Durchlaufgeschwindigkeit, Sprühdrücke, Düsenkonfiguration) Richtwert: Gute Anlage mit gut kontrollierter Chemie generiert ca. ±10% Ätzratenschwankung auf der Oberfläche Schichtdickenschwankung zu ätzendes Kupfer (vorheriger Galvanikschritt) Panel- und Layout: Isolierte bzw. vereinzelt und ungeschützt liegende Leiterzüge werden stärker angegriffen als busartige Leiterzugstrukturen (längere Ätzung notwendig, speziell um die in der Mitte liegenden Leiterzüge sauber auszubilden) Anordnung Leiterzüge in Laufrichtung (waagegerecht, senkrecht, diagonal) 3

4 Standardätzen ( Rezepte ): Bei einmaligem Durchlauf muss der Bereich mit der langsamsten Ätzgeschwindigkeit (höchstes Kupfer, kleine Leiterzugabstände, Leiterzugbündel) unter Berücksichtigung der Anlagen/Chemietoleranz sicher freigeätzt werden Dadurch werden einzeln liegende Leiterzüge in Bereichen mit geringerer Kupferstärke und zusätzlichem Anlagen/chemiebedingtem stärkerem Ätzangriff deutlich stärker unterätzt (verschmälert) Toleranzen Leiterzugbreiten 4

5 Untersuchungsergebnisse Leiterzugtoleranzen Standardfertigung (Feste Vorgaben und Ätzrezepte) Leiterzug im Querschliff Maßnahme Leiterzüge im Querschliff Toleranzfeld Standard 55µm Dynamic Swell 33µm Anpassung Layout (Ausgleichspads) 18µm 5

6 Eingrenzen von Leiterzugtoleranzen: Dynamic Swell, Softwaretool, das die layoutbedingten unterschiedlichen Anströmungs- und Ätzverhältnisse durch lokal unterschiedliche Ätzzugaben automatisch kompensiert Schichtdickenmessung vor dem Ätzen, Feinanpassung Durchlaufgeschwindigkeit (Prozesszeit) Sequentielles Ätzen, d.h. im ersten Durchlauf wird gezielt weniger geätzt, danach wird durch schrittweises Mikroätzen (Bereich 1-5µm) mit visuellen Zwischenchecks in den kritischen Bereichen nachgebessert Verringerung der zu ätzenden Kupferdicke (Pattern Plating, Semiadditiv-Technik mit Differenzätzen) Relevante Leiterzüge möglichst breit layouten Relevante Leiterzüge auf Innenlagen legen (keine Schichtdickenschwankung Kupfer) 6

7 Toleranzen Kupferschichtdicken Folien der Kupferhersteller haben ein relativ kleines Toleranzfenster Basiskupfer hat ausschließlich Minustoleranz (Kosten!) Galvanische verstärkte Kupferlagen haben je nach Technologie (Panel Plating vs. Pattern Plating) Schichtdickenschwankungen bis zu 100% In Bereichen lokal überhöhter Stromdichten (z.b. Panelränder, isoliert verlaufende Leiterzüge) wird deutlich mehr Kupfer abgeschieden Standard Sonder Kupferdicken Basismaterial (Innenlagen) -10% -10% Kupferdicke metallisiert Panel Plating +20% +10% Kupferdicke metallisiert Pattern Plating +80% +30%*) *) Ggf. massiver Eingriff ins Layouts erforderlich Schwankungen der Kupferschichtdicken beim Panel Plating 7

8 Toleranzen Kupferschichtdicken Folien der Kupferhersteller haben ein relativ kleines Toleranzfenster Basiskupfer hat ausschließlich Minustoleranz (Kosten!) Galvanische verstärkte Kupferlagen haben je nach Technologie (Panel Plating vs. Pattern Plating) Schichtdickenschwankungen bis zu 100% In Bereichen lokal überhöhter Stromdichten (z.b. Panelränder, isoliert verlaufende Leiterzüge) wird deutlich mehr Kupfer abgeschieden Standard Sonder Kupferdicken Basismaterial (Innenlagen) -10% -10% Kupferdicke metallisiert Panel Plating +20% +10% Kupferdicke metallisiert Pattern Plating +80% +30%*) *) Ggf. massiver Eingriff ins Layouts erforderlich Schwankungen der Kupferschichtdicken beim Panel Plating 8

9 Toleranzen Dielektrikum Materialkonstanten und deren Toleranzfeld (Dk, r) Materialhersteller & Untersuchungen durch TU-Berlin/IZM Dickentoleranzen Untersuchungen CONTAG Materialtoleranz der Kerne bzw. vom Rigid-Material (bei 1-und zweiseitigen PCB s) Materialhersteller Prepregs/Klebesheets, im B-Stage befindliches Harzsystem (ggf. mit Glasgewebe), das als Haftvermittler im Pressprozess verwendet wird Dickentoleranz im unverpressten Anlieferzustand Kupferstärke und Layout der zu verfüllenden Kupferlagen Pressdruck und Verteilung PCB-Hersteller hat nur auf die letzten beiden Punkte Einfluss Schaltung besteht entweder aus zugekauften Kernen oder einem Verbund aus Kernen und verpressten Prepregs 9

10 Produktionsablauf Multilayer Innenlagen (Cores) herstellen (Tenting-Technik) Innenlagen zueinander ausrichten und mit Prepregs und Cu-Folie aufstapeln Druck Cu-Folie Prepregs Innenlagen Presswerkzeuge Druck Verpressen (20kP/cm 2, 185 C) Nachfolgende Prozessschritte wie bei normaler 2-seitige Leiterplatte 10

11 Untersuchungsergebnisse Dickentoleranzen Dielektrika Verteilung Dickenschwankungen Dielektrika 11

12 Untersuchungsergebnisse Dickentoleranzen Dielektrika Dielektrikadicken im Schliff Maßnahme Toleranzfeld Standard Pressrezepte 18% Erhöhter Druck 16% Erhöhter Druck + Ausgleichspolster 15% Anpassung Layout (Ausgleichsflächen) 8% 12

13 Endoberflächen Leiterzüge (Kupfer) können partiell mit Lötstopplack oder Folie beschichtet werden Freiliegendes Layout kann vollflächig beschichtet werden mit: HAL (Hot Air Leveling) mit SnCuNi oder SnPb OSP (Organic Surface Passivation) Chem. Zinn ENIG (Electroless Nickel phosphorhaltig Immersion Gold) ENEPIG (Electroless Nickel-Electroless Palladium-Immersion Gold) EP (Electroless Palladium) Chem. Silber ASIG (Autocatalytic Silver-Immersion Gold) ISIG (Immersion Silver-Immersion Gold) 13

14 Herausforderungen an das PCB-Design, Teil 2 Fine Pitch Quickcheck Oberflächenfinishs HAL -Pb HAL + Pb OSP Chem. Sn ENIG ENEPIG EP Chem. Ag ASIG/ ISIG Lötbarkeit Bonden Aludraht Bonden Golddraht HF Ökologie Einpresstechnik Lagerfähigkeit Kosten (Faktor) ,5 0,7 1,3 1,4 1,1 0,8 1,2 1) Sehr gut 2) gut 3) befriedigend 4) eingeschränkt 5) ungeeignet 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 15