20 Jahre HDI Technologie Wie geht es weiter?

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1 20 Jahre HDI Technologie Wie geht es weiter? Hubert Haidinger, Director Product Engineering Oktober 2014 AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Fabriksgasse 13 A-8700 Leoben Tel +43 (0) info@ats.net

2 GLOBALISIERUNG NEW WORK URBANISIERUNG Megatrends MOBILITÄT INDIVIDUALISIERUNG NEO-ÖKOLOGIE SILVER SOCIETY NEUES LERNEN KONNEKTIVITÄT GESUNDHEIT AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Fabriksgasse 13 A-8700 Leoben Tel +43 (0) info@ats.net

3 Mobilität Konnektivität Treiber der HDI Technologie Miniaturisierung Internet of Things Globalisierung Autonomes Fahren AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Fabriksgasse 13 A-8700 Leoben Tel +43 (0) info@ats.net

4 Anwendungsgebiete der HDI Leiterplatten Automotive: Navigation Systeme Emergency Call Sensorik / Motormanagment Tachograph / GPS Systeme Gaspedal / Brems Sensorik / EPS Autonomes Fahren Radar Systeme Transmission Control Units Medizintechnik: Hörgeräte Medizinische Geräte Diagnose Systeme Computertomographie Herzschrittmacher Pulsmesser Wearables Industrial / Consumer: Industrie Computer MP3 Player Digitalkamera / Action CAM Notebook / Computer SPS Steuerungsmodule Mess- Regeltechnik Anwendungen LED Anwendungen Internet of Things Telekom / Handhelds: Mobile Phone / Smartphone Tablets Network Base Station Wireless Module GPS Module Cloud Computing / Service Wifi / Wigig Anwendungen 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 3

5 Agenda HDI Historischer Rückblick HDI Produktions-Standard Heute HDI Ausblick - Wohin geht der Trend 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 4

6 Introduction to HDI Technology Laser Drilling in PCB s Globalisierung Gesundheit 1980 s IBM & Burroughs: - IBM & Burroughs: Lasers to drill small vias for mainframe board Hewlett Packard: Finstrate - Copper core PCB using laser vias for current carrying capacity 1985 Laser vias used in mass production Used in first 32-bit computer 1990 s Laser vias begin to see use in high density interconnects 2000 s Portable PCB market (Netbooks / Ultrabooks / Tablets) Mobile phone / Smart phone Personal Media Players Konnektivität Mobilität Individualisierung 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 5

7 HDI Historischer Rückblick 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 6

12 Technologie - Kontinuierliche Miniaturisierung der Leiterplatte Vision: All in one Package Konsequente Fortsetzung der Entwicklungen der letzten Jahre Jahr PCB Technical Development min. L/S [µm] 1982 Multilayer Microvia Anylayer Advanced Packaging Anylayer Substrate 10 Future All in one Package < Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 11

13 Herstellung von Microvias (Lasertechnologie) UV/CO² Laser Technologie Large Window (CO²)Laser Technologie UV / CO² Laser Aufbau Material Innenlagen Anbindung Aufbau Material Innenlagen Anbindung Kupferlage ätzen CO² Laser Kupferaufbau chemisch / galvanisch Kupferaufbau chemisch / galvanisch Leiterbild ätzen Leiterbild ätzen 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 12

14 Herstellung von Microvias (Lasertechnologie) Copper Direct Laser Drilling Querschliffe von Microvias braun / schwarz Oxid Aufbau Material Innenlagen Anbindung CO² Laser UV + CO² LW Ätzen + CO² Kupferaufbau chemisch / galvanisch Leiterbild ätzen Copper Direct Oxid + CO² 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 13

15 HDI Technologie im High End Bereich Stacked Micro-Vias Micro Vias werden mit Kupfer gefüllt und gestapelt Design Dichte steigt Layer Reduzierungen möglich Hohe Zuverlässigkeit Bis zu 6 HDI Aufbaulagen sind derzeit zuverlässig realisierbar 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 14

16 HDI Aufbau Strukturen 1-N-1 2-N-2 3-N-3 6-N-6 Anylayer 10 Lagen HDI Rigid Flex 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 15

17 Laser Durchmesser / Aufbau Material Material Type / Dielectric Thickness Surface cu thickness Laser Diameter Laser/Plating Technology Status 1037 Glass / 32 µm 48 µm 12µm 70 µm Laser Direct, Filled Via Final Released 0106 Glass / 41 µm 66 µm 12µm 70 µm Laser Direct, Filled Via Conditional Released 0106 Glass / 41µm 66 µm 12µm & 18µm 90 µm Laser Direct, Filled Via Final Released 0106 Glass / 41µm 66 µm 12µm & 18µm 100 µm Laser Direct, Filled Via Final Released 1080 Glass / 52 µm 70 µm 12µm 85 µm Laser Direct, Filled Via Final Released 1080 Glass / 52 µm 75 µm 12µm 90 µm Laser Direct, Filled Via Final Released 1080 Glass / 56 µm 78 µm 12µm & 18µm 110 µm Laser Direct, Filled Via Final Released RCF / 45µm -77µm 12µm & 18µm 90 µm, (110 µm) Laser Direct, Filled Via Final Released CCL 50 µm 12µm 90 µm Laser Direct, Filled Via Final Released CCL 75 µm 12µm 110 µm Laser Direct, Filled Via Final Released CCL 90µm 12µm 125 µm Laser Direct, Filled Via Final Released 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 16

18 HDI Design Rules AT&S Heute Surface Copper Thickness (Finished) Bare copper 12 µm 18 µm Bare copper <35 µm Plated Layers Plated Layers Plated Layers Plated Layers 17um +/- 7um 20um +/- 7um 23 um +/- 7um 25 um +/- 7um min. Line / Space 50 µm / 50 µm (2mil/2mil) 70 µm / 70 µm (2.8mil/2.8mil) 50 µm / 50 µm (2mil/2mil) 60 µm / 60 µm (2.4mil/2.4mil) 70 µm / 70 µm (2.8mil/2.8mil) 75 µm / 75 µm (3mil/3mil) min. Line/Pad Min Pad/Pad SMD/SMD SMD corner /Line Min Pad/SMD corner 50 µm (2mil) 50 µm (2mil) 60 µm (2.4mil) 60 µm (2.4mil) SMD/Line 50 µm (2mil) 50 µm (2mil) 50 µm (2mil) 55 µm (2.2mil) 55 µm (2.2mil) 58 µm (2.3mil) 60 µm (2.4mil) 58 µm (2.3mil) 65 µm (2.6mil) 60 µm (2.4mil) 58 µm (2.3mil) 65 µm (2.6mil) 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 17

19 Vorteile der HDI Leiterplatte im Vergleich Study: Impact of HDI on PCB Design Stackup Layers Via/Pad Diameter Via-Via Distance No. of Vias Routing Distance Avg. Pins / Sq.cm [sq. in.] PCB Dimensions PCB Area Yield Cost Index Original TH Standard 16 Layer /0.5mm [.013/.020"] 0.325mm [0.013"] ,733.4cm [4,241.5"] 17.8 [114.7] 25.4x19.8cm [10.0x7.8"] 503cm 2 [78in 2 ] 80.40% Mech. Drill With Sequential Lamination /0.40mm [.008/.016"] 0.25mm [0.010"] ,286.2cm [4,049.7"] [149.1] 16.5x19.6cm [6.5x7.7"] 313cm 2 [50in 2 ] 86.60% 140 Type III Staggered HDI /.25mm [.006/.010"] 0.10mm [0.004"] ,900.9cm [3,898.0"] 25.7 [165.7] 15.24x19.05 [6.0x7.5"] 281cm 2 [45in 2 ] 88.80% Type III Stacked HDI /.25mm [.006/.010"] ,178.0cm [3,613.4"] 31.2 [201.5] 14.0x17.0cm [5.5x6.7"] 231cm 2 [37in 2 ] 90.40% Type VI Any Layer HDI /.25mm [.006/.010"] ,783.6cm [3,458.1"] 36.4 [233.0] 12.7x15.2cm [5.0x6.0"] 188cm 2 [30in 2 ] 92.30% Components: - (1) 1517 pin FPBGA, 50ohm single-ended drivers,100ohm differential data pairs, 1.0mm pitch (reduced to 0.8mm pitch for HDI designs) - (1) 940 pin BGA, 1.0mm pitch (reduced to 0.65mm pitch for HDI designs) - (1) 498 pin BGA, 1.0mm pitch (reduced to 0.5mm pitch for HDI designs) - (18) 144 pins flash memory arrays, 0.8mm pitch (reduced to 0.5mm pitch for HDI designs) * Source: Andy Kowelewski The Impact of HDI and microvias on PCB design Tech Design Forums, Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 18

21 Form-Factors vs. Complexity The size of the boards is decreasing with increasing complexity Tablet PC Mobile Phone Interposer Substrat 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 20

22 Technical Challenges The required Miniaturization is driving the technical challenges for Interposer & Substrate Tablet PC Mobile Phone Interposer Substrat Track Width 0,050mm 0,050mm 0,040mm 0,010mm Laser Via Diameter 0,100mm 0,090mm 0,075mm 0,05mm Solder Resist Opening 0,18mm 0,18mm 0,15mm 0,07mm 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 21

23 HDI Design Roadmap AT&S Imaging, Via Formation, Feature * Aspect Ratio (Laser Diameter / Dielectric Thickness) to be considered, Via Size before Plating. 50 µm Laser Via Size #1027 in 2014 Q1/14 Q2/14 Q3/14 Q4/ Min. Line / Space + Cu Thk. [µm] 40/40 (17+/-7) 30/30 (15+/-5) 25/25 > 30µm Surface Cu Min. L/S 60/70 50/50 Laser Pad / Laser Via Size* [µm] 170 / 70 (50AR) 150 / 50 (50AR) Buried Pad / Via Size [µm] 400 / 200 (100AR) 350 / 150 (100AR) Layer to Layer Registration [µm] Solder Mask Registration [µm] +/- 25 +/- 20 Solder Mask Clearance [µm] +/- 35 +/- 30 Solder Mask Web [µm] Min. Solder Mask Opening [µm] 180 x 150 (01005) 150 x 140 (03015) Min. Space OSP/ENIG [µm] Min. BGA pitch, 2 Lines on L2 [µm] 400 (170pad, 40/50 LS) 300 (150pad, 30/30 LS) Min. BGA pitch, 1 Line on L2 [µm] 350 (210pad, 40/50 LS) 300 (210pad, 30/30 LS) Min. BGA pitch, No Line [µm] 300 (240pad, 60 Space) 250 (150pad, 50 Space) 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 22

24 Entwicklungen im HDI Bereich Verfahren zum Aufbau von Kupfer bei höheren Aspect Ratio Mechanisch geohrt oder Laser gebohrtes µm Core Abstand Veringerung bei Thermo Vias und hohen Strömen Verfahren um gefüllte Bohrungen ohne Kupferfehlstellen zu erzeugen 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 23

25 Eckdaten der HDI Leiterplatten Automotive: Aufbau: 1-N-1 / 2-N-2 / 3-N-3 AnyLayer < 12 Lagen Dicken: 1,0 2,4 mm Materialien: TG HF Materialien / Teflon Aspect Ratio: 5:1 / 8:1 Oberfläche: chem. Zinn / NiAu Qualitätstarget => Zero ppm Medizintechnik: Aufbau: 1-N-1 / 2-N-2 / 3-N-3 Dicken: 0,8 2,4 mm Materialien: TG Aspect Ratio: 5:1 / 8:1 / 10:1 Oberfläche: chem. Zinn / NiAu Industrial / Consumer: Aufbau: 1-N-1 / 2-N-2 / 3-N-3 Anylayer 4 10 Lagen Dicken: 0,6 3,2 mm Materialien: TG Aspect Ratio: 5:1 / 8:1 / 10:1 Oberfläche: chem. Zinn / NiAu / OSP teilw. Sondermaterial Telekom / Handhelds: Aufbau: 1-N-1 /2-N-2 /3-N-3 /4-N-4 Dicken: 0,4 1,4 mm Materialien: TG / HF Aspect Ratio: 5:1 / 8:1 Oberfläche: NiAu+OSP /chem. Silber Stacked / Filled Microvias Any Layer < 14 Lagen 20 Jahre HDI Technologie / Hubert Haidinger / 11. AT&S Technologieforum 24

26 AT&S first choice for advanced applications AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Fabriksgasse13 A-8700 Leoben Tel +43 (0) info@ats.net