Prozeße, Möglichkeiten und Strategien für komplexere Baugruppen. Das Pluggen von Leiterplatten

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1 Prozeße, Möglichkeiten und Strategien für komplexere Baugruppen Das Pluggen von Leiterplatten von Kurt Schrader und Arnold Wiemers Vorwort (Folie 1) Folie 1 Das CAD-Layout eines SMD-Fine-Pitch-Bausteines ist für sich schon eine Herausforderung. Die kommende Ausprägung von Prozessoren im µbga-gehäuse wird die Aufgabenstellung des Layoutens noch extremer gestalten. Sequentielle Bohrstrategien wie Blind Vias und Buried Vias schaffen Linderung aber auch Einschränkungen. Ein Blind Via unter einem BGA-Lötball ist bei den Baugruppenproduzenten äußerst unbeliebt, fürchten sie doch zu Recht explodierende Lötstellen beim Reflowprozeß und damit mangelnde Verbindungssicherheit. Das Problem ist also da. Jedoch fehlte bisher die Lösung. Die scheint nun gefunden. Nach Fein- und Feinstleiter, Multilayern, UTM s, Starrflex, Microviatechnik u.s.w. ist es mal wieder der unermüdlichen Kreativität der Leiterplattenhersteller zu verdanken, daß der Zukunft der elektronischen Miniaturisierung nichts mehr im Wege steht. Das Zauberwort heißt : Pluggen. Layoutstrategien (Folie 2-4) Die Anbindung der elektrischen Verknüpfungen eines oder mehrerer ybgas an die zugehörige Schaltungspheripherie ist ohne die Leiterbahnführung über mehrere Ebenen eines Multilayers nicht möglich. Folie 2 Der klassische Nachteil der oberflächenmontierten Bauteile ist dabei natürlicherweise ihr fehlender Kontakt zu den Innenlagen des Multilayers. Um die erforderlichen Anbindungen dennoch zu gestatten, ist eine künstliche Anbindung über Vias unverzichtbar. Bedingt durch die vorherrschenden Technologien für die Herstellung von Leiterplatten und durch die Gegebenheiten beim Bestücken und Löten wird diese Anbindung außerhalb der Bauteilanschlußpads ausgeführt. Dazu wird ein mehr oder minder kurzes Stück Leiterbahn vom Pad weggeführt und über ein Via an die inneren Lagen kontaktiert (Fan-Out). Wenn der Platz im Innenraum der vom Bauteil beanspruchten Grundfläche für dieses Fan-Out nicht ausreicht, dann muß dazu auch der Außenraum um das Bauteil genutzt werden. Nur wenige der denkbaren möglichen geometrischen Lösungen sind für das CAD-Layout optimal. Allen bisherigen Lösungen für das Layout ist aber gemeinsam, daß sie Platz bean- ILFA Das Pluggen von Leiterplatten / Seite

2 spruchen. Dies führt im einfachsten Fall zu größeren Leiterplatten, als eigentlich auf Grund der Bauteilgrundflächen erforderlich ist. Folie 3 Die strikte Forderung nach reduzierten geometrischen Strukturen auf Leiterplatten hat zur HDI-Technologie (oder auch MFT ) geführt. Strategisches Kernstück von HDI ist in der Leiterplattenherstellung die Prozeßtechnik für Microvias. Bedauerlicherweise führen physikalische Effekte wie die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten zu Einschränkungen beim Kontaktieren gerade dieser so dringend benötigten Microvias. Diese Einschränkung ist über das Verhältnis (= aspect-ratio) des Bohrwerkzeuges zur Bohrtiefe definiert. Die Kontaktierbarkeit bei Blind Vias ist reduziert, weil die chemischen Reagenzien vorwärts in die blind endende Hülse hinein- und rückwärts wieder hinausgebracht werden müssen. Die zulässigen Weglängen von der Außenlage eines Multilayers auf eine seiner Innenlagen sind aus diesem Grund recht kurz. Dagegen erlaubt die Durchflutung der Hülsen bei Durchkontaktierungen erheblich längere Wege. Nur, die Alternative, BGA-Pads direkt zu bohren und durchzukontaktieren, blieb dem CAD-Design bisher verschlossen, weil die offenen Bohrungen die Lotpaste beim Löten der Bauteile absaugen. Die alternativen minimalen Viadurchmesser von kleiner 100ym Endmaß (nach dem Kontaktieren) sind als durchgehende Kontaktierung technisch zur Zeit nicht ausführbar. Es bleibt die etablierte Variante der Blind Vias. Bei einer Viavorgabe seitens CAD von 100ym ist eine Bohrtiefe von zirka 200ym kontaktierbar. Beim Aufbau eines Multilayers mit Laminaten und Prepregs von 50ym Dicke könnten dann drei innere Lagen erreicht werden. Bedauerlicherweise sind einerseits 50ym dicke Laminate für größere Serien in automatisierter industrieller Produktion (noch) nicht einsetzbar. Und andererseits könnten durch zusätzliche Anforderungen an die Schaltung, wie beispielsweise eine definierte Impedanz auf allen Signallagen, größere Lagenabstände notwendig sein. Dann sind gegebenenfalls nur zwei, im Extremfall sogar nur eine innere Lage/n erreichbar. Für die Schaltung bedeutet dies konkret, daß eine Entflechtung ausgeschlossen ist, weil die ansprechbaren Ebenen nicht ausreichen, um die Vielzahl von Verbindungen eines hochpoligen BGAs aufzunehmen und mit den anderen Bausteinen zu verdrahten. Das Layout kann nicht erstellt werden, weil sich keine geeignete geometrische Lösung findet, die technisch und/oder wirtschaftlich produzierbar ist. Folie 4 Die Überlegung ist deshalb folgerichtig, daß dann die Anbindung eines Bauteiles an alle Ebenen des Multilayers, zumindest an so viele Ebenen, wie nötig, stattfinden muß. Das geht mit der konventionellen Durchkontaktierung bei einem Bohrwerkzeug von 300ym Durchmesser bis zu einer Multilayerdicke von 1.5mm. Die Leiterplattentechnik muß nur eine zusätzliche Aufgabe lösen : dort, wo durchgehende Bohrungen eingebracht werden, muß zum Zeitpunkt der Leiterbildbelichtung wieder eine plane Oberfläche sein. Genau das ist die Strategie des Pluggens. Die erstellten Bohrungen werden kontaktiert, verfüllt und an der Oberfläche neu verkupfert. Durch das Pluggen ergibt sich ein großer Vorteil für die Entflechtung eines Layoutes mit hochdichten Bauteilen. Die Bohrungen in BGA-Pads können jetzt ohne weiteres durchgehend sein, weil sie durch das Pluggen anschließend oben und unten gedeckelt werden. Die Balls des BGA s sehen folglich keine Bohrung mehr sondern nur noch eine praktisch plane und durchgehende Oberfläche. ILFA Das Pluggen von Leiterplatten / Seite

3 Das CAD-Design hat somit die optimale Option, bei Bedarf ALLE Ebenen eines Multilayers an die Pads eines BGA s kontaktieren zu können. Nicht nur das. Der Durchmesser von µbga-pads liegt bei 400µm und größer. Im Prinzip steht dieser Durchmesser als Werkzeugdurchmesser für das Bohren zu pluggender Vias zur Verfügung. Die Vias in den BGA-Pads und in den normalen Viapads können also GRÖSSER werden, als die bisher gegebenenfalls eingesetzten Blind Vias (oder : die Paddurchmesser werden bei gleichem Bohrdurchmesser KLEINER). Je nach Layoutanforderung kann möglicherweise auf Blind Vias sogar ganz verzichtet werden. Daraus resultieren unkompliziertere Lagenaufbauten für Multilayer und teilweise erhebliche Kosteneinsparungen für die Leiterplatte, selbst dann, wenn die Kosten für das Pluggen gegengerechnet werden. Nicht mehr erforderlich wären beispielsweise der Viadruck oder ein zweiter Lötstopdruck für das luftdichte Verschließen der Viahülsen. Auch das Pluggen normaler Vias macht durchaus einen Sinn, wenn bedacht wird, wieviel Platz in einem Layout von zusätzlichen planen In-Circuit-Testpunkten in Anspruch genommen werden kann. Gepluggte Durchkontaktierungen können die Aufgabe von Testpunkten übernehmen. Andererseits können Testpunkte gleichzeitig als Vias genutzt werden. Das vollständige Verschließen der Bohrungen ergibt weitere verdeckte Sicherheitseffekte beim Betrieb der Baugruppe. Korrosionsfördernde Rückstände, die in den Hülsen normaler Leiterplatten oder Baugruppen vorkommen können, sind ausgeschlossen. Im Exgeschützten Gerätebau sind alle Effekte ausgeschlossen, die auf dem Vorhandensein von offenen Hülsen basieren. Pluggen (Folien 5-7) Folie 5 Das Bohren der Leiterplatte erfolgt mit den bisher üblichen Varianten. Sowohl das mechanische als auch das laserbasierte Bohren sind problemlos machbar. Durchkontaktierungen, Blind Vias auf einer oder auf beiden Außenlagen sind damit ohne Einschränkung ausführbar. Dem Bohren der Leiterplatte schließt sich das Kontaktieren an. Wie bisher wird das Kontaktieren mit den üblichen galvanotechnischen Anlagen gefertigt. Die abgeschiedenen Kupferdicken entsprechen den bisherigen Anforderungen. Folie 6 Der an dieser Stelle in den üblichen Ablauf eingefügte Prozeßschritt des Pluggens führt dazu, daß die kontaktierten Bohrungen mit einem Substrat wieder verfüllt und damit verschlossen werden. Dieser Arbeitsgang erfaßt Blind Vias sowie durchgehende Bohrungen. Sind auf einer Leiterplatte beidseitig Blind Vias gebohrt, dann kann das Pluggen auch beidseitig erfolgen. Durch das Aufbringen des Pluggingsubstrates ergeben sich Überstände, die entfernt werden müssen. Das Planschleifen der gepluggten Leiterplatten stellt die ursprüngliche, erforderliche Planarität der Leiterplatte wieder her. ILFA Das Pluggen von Leiterplatten / Seite

4 Folie 7 In diesem Stadium sind die Innenlagen des Multilayers bereits elektrisch miteinander verbunden. Das folgende zusätzliche Kontaktieren bindet die Kupferhülsen nach außen an und sorgt für eine durchgehende Kupferschicht auf den Oberseiten der Leiterplatte, die für die spätere Strukturierung des außenliegenden Leiterbildes erforderlich ist. Nach dem Strukturieren des Leiterbildes der Außenlagen bleibt über dem gepluggten Pad die Kupferabdeckung wie ein Deckel stehen. Das Substrat für das Pluggen ist bei den bekannten Lackwerken erhältlich. Für das Aufbringen des Pluggingsubstrates gibt es verschiedenen Möglichkeiten, die dem Hersteller der Leiterplatten zur Verfügung stehen. Das Substrat kann mit dem klassischen Siebdruck gedruckt werden. Alternativ steht die Technik des Schablonendruckes eingesetzt werden. Aufwendiger ist das Entfernen der Überstände des Pluggingsubstrates. Die Forderung nach einer uneingeschränkten gesamtmechanischen Stabilität des gepluggten Multilayers verlangt ein Substrat, das in seiner Härte dem FR4 oder dem Polyimid in nichts nachsteht. Die Überstände zu entfernen bedeutet also, in Form des Bürstens oder Schleifens beträchtliche Kräfte auf die Leiterplattenoberfläche auszuüben. Einschränkungen Durch das zusätzliche Kontaktieren und das Schleifen entstehen Einschränkungen. Die dickere Endkupferschicht auf den Außenlagen wirkt den Aufgabenstellung eines Mikrofeinleiter-Layoutes (=HDI oder MFT) entgegen. Für das eng tolerierte Ätzen eines außenliegenden Leiterbildes mit 100µm Leiterbahnbreite und/oder Leiterbahnabstand ist die normale Endkupferdicke von mindestens 42µm (=17µm Basiskupfer + 25µm Kontaktierungskupfer) eigentlich schon zu dick. Durch das zusätzliche Kontaktieren wird diese Kupferdicke nochmal um zirka 15µm erhöht. Dem Ätzresist (Fotoresist oder Metallresist) und dem Ätzprozeß (sauer oder alkalisch) kommen damit zusätzliche Bedeutung zu. Ebenfalls ist der Einfluß des Schleifverfahrens zu beachten. Das Schleifen zielt zwar auf das Entfernen der Rückstände des Pluggingsubstrates ab, beschädigt aber dabei natürlich auch die außenliegenden Kupferschichten der Leiterplatte. Im Vergleich zu den Härtegraden des Pluggingsubstrates ist das Kupfer weich und läßt sich bevorzugt abtragen. Daraus resultiert eine nicht präzise vorhersagbare und ungleichmäßig dicke Endkupferschicht nach dem Schleifen, mit Abweichungen von 5ym bis maximal 20µm. Dadurch wird das Ätzergebnis beeinträchtigt, das nur bei einer gleichmäßig dicken Kupferschicht optimal ist. Die reduzierte Kupferdicke wirkt sich auch auf die Leiterbahnquerschnitte auf der fertigen Leiterplatte aus. Strombelastbarkeiten, Leitungswiderstände und impedanzbelegte Signale können in einem inhomogenen Umfeld liegen. ILFA Das Pluggen von Leiterplatten / Seite

5 Beispiel 1 (Folie 8-9) Die zu lösende Aufgabe bei dieser Leiterplatte ist vornehmlich technischer Natur. Erforderlich sind kurze Signalwege zu den assoziierten Bauteilen, insbesondere im BGA-Bereich, hier beispielsweise die passiven Komponenten, die rückseitig unter dem BGA bestückt sind. Folie 8 Der Bildausschnitt links oben zeigt gepluggte Vias, die in konventionellen SMD-Pads plaziert worden sind. Das Bild unten rechts zeigt die Vias des ybgas. Zirka jedes zweite BGA-Pad ist geplugged. Folie 9 Der Querschnitt durch die Leiterplatte offenbart ein komplexes Innenleben, das sich auf 18 Lagen verteilt. Die drei kleineren Bilder oben zeigen noch mal das BGA, ein einzelnes Pad dieses BGAs und im Querschnitt das Pad als Deckel einer durchgehenden, gepluggten Kontaktierung. Im unteren Bild ist zu sehen, daß sich der Multilayer aus zwei einzelnen 9-lagigen Teilmultilayern zusammensetzt. Im Bereich Layer 1-9 scheint ein Blind Via ( A ) zu sein. Tatsächlich ist dies eine Durchkontaktierung, die im Zuge der Fertigung des oberen sequentiellen Teilmultilayers hergestellt wurde. Bedingt durch das aspect-ratio wäre ein Blind Via bis zur Tiefe der achten Innenlagen nicht zu kontaktieren gewesen. Die Vias ( A ) sind passiv verfüllt worden durch das Einfließen von Harz aus den angrenzenden Prepregs während des Verpressens der beiden Teilmultilayer. Die Vias ( B ) sind aktiv verfüllt worden durch Einbringen eines Pluggingsubstrates in die Hülsen. Beispiel 2 (Folie 10-11) Die zu lösende Aufgabe bei dieser Leiterplatte ist vornehmlich geometrischer Natur. Die beidseitige Bestückung des Moduls mit BGAs und SMD-Komponenten hätte eine Entflechtung des Layoutes mittels beidseitiger Blind Vias IN den Pads zwar gestattet, nicht aber das Löten der BGAs. Das Lötzinn der BGA-Balls wäre bei offenen Blind Vias nicht für alle Balls gleichartig definiert gewesen. Folie 10 Die BS-Seite enthält innerhalb des BGA- Sockels noch einen SMD-Chip. Für ein konventionelles Fan- Out fehlt offensichtlich der Platz. Aus gleichem Grund wäre eine so kompakte Plazierung der Bauteilkomponenten auch auf der LS-Seite ausgeschlossen. Für ein Fan-Out der BGA- Anschlüsse ist kein Platz vorhanden. Folie 11 Im Detail sind einige Bereiche des Layoutes / der Leiterplatte zu sehen. Oben links wird ein einzelnes Pad mit einem gepluggten Microvia gezeigt. Es ist eine leichte Vertiefung von zirka 10ym zu sehen, die sich durch die mechanische Bearbeitung (das Planschleifen) des gepluggten Vias ergibt. Das Bild darunter zeigt gepluggte Pads aus dem BGA-Bereich. Die zwei kleinen Bilder unten zeigen gepluggte Pads in konventionellen Bauteilen (SMD-Fine-Pitch, Kondensator, Widerstand) sowie gepluggte Vias. Das große Bild zeigt noch mal einen größeren Ausschnitt aus einem BGA mit gepluggten Anschlußpads. ILFA Das Pluggen von Leiterplatten / Seite

6 Designregeln (Folie 12-13) Folie 12 Für das CAD-Layout gibt es zur Zeit praktisch keine ergänzenden Aufgabenstellungen. Die üblichen Rahmenbedingungen zu Kontaktierungsstrategien wie Blind Vias und Buried Vias werden durch das Pluggen nicht eingeschränkt. Auch Microvias bis minimal 100µm Durchmesser werden durch das Pluggen zuverlässig verschlossen und es spielt dabei keine Rolle, ob die Microvias mechanisch oder per Laser erstellt worden sind. Die obere Grenze für gepluggte Bohrungen sollte vorläufig bei zirka 1.0mm liegen. Es wurden aber auch schon 4.0mm-Bohrungen qualitativ einwandfrei gepluggt. Natürlich können gepluggte Bohrungen auch NDK sein. Seitens der Leiterplattentechnik können Blind Vias und Durchkontaktierungen gleichzeitig oder selektiv geplugged werden. Ausschlaggebend ist, daß ein Layout, das in seiner Routingstrategie für die Prozeßtechnologie des Pluggens ausgelegt worden ist, nicht mehr mit der klassischen Leiterplattentechnologie gefertigt werden kann. Dies gilt nicht für die Gegenrichtung. Ein Layout, das für die klassische Leiterplattentechnologie ausgelegt worden ist, kann zusätzlich geplugged werden. Das bringt natürlich nichts mehr für die Entflechtung und hätte nur unter Sicherheitsaspekten Sinn (Beispiel : korrosionsgeschütztes Hülsenkupfer). Folie 13 Wenn seitens des CAD-Layout-Systems Datensätze zur Verfügung gestellt werden können, die zu pluggende Bohrungen enthalten, dann sollte diese Möglichkeit wegen der Datenintegrität genutzt werden Die für den Pluggingprozeß erforderlichen Werkzeuge (Filme, Schablonen) erstellt sich der Leiterplattenhersteller ansonsten selbst an seinem CAM-System aus den üblichen beigestellten CAD- Daten (am unkompliziertesten im EXTENDED-GERBER- Format). Im Detail variieren die Prozeßparameter für das Pluggen herstellerbedingt, sodaß es für eine harmonisierte, allgemeingültige Designregel noch zu früh ist. Die hier ausgewiesenen Designregeln sind ein erster Anhaltspunkt, an dem sich ein Teil der Leiterplattenhersteller orientiert. Die angegebenen Größen und Toleranzen können im Detail noch individuell zwischen CAD und Leiterplatte abgestimmt werden. Elektrische Vorteile (Folie 14) Die bisher angesprochenen Vorteile sind mechanischer Natur. Das Pluggen hat jedoch auch auf die elektrische Funktion der Baugruppe einen möglichen Einfluß, der in Zukunft auf jeden Fall entscheidende Bedeutung für komplexere Schaltungen haben wird. Folie 14 Die steigenden Taktraten der Prozessoren, vor allem aber die kurzen Signalanstiegs- und Abfallzeiten der beigeordneten Schaltungskomponenten führen zu High- Speed-Designs mit signifikanten Anforderungen. Impedanzdefinierte Leiterbahnen sind erforderlich. Signallaufzeiten müssen beachtet werden. Die Forderung nach hoher Signalintegrität bei niedrigeren Betriebsspannungen gewinnt an Bedeutung. Die Induktivität einer Leiterverbindung wird zu beachten sein. Embedded Components, Chip In Board, EMV-Emission/Immission sind Themen der nahen Zukunft. ILFA Das Pluggen von Leiterplatten / Seite

7 Die aktuellen CAD-Strategien, bedingt durch die üblichen Herstellungsverfahren für Leiterplatten, sehen die Bauteilbestückung bevorzugt in der Ebene. Wegen der Bauteilgeometrien führt das grundsätzlich zu relativ langen Leiterbahnwegen im Zentimeterbereich, die zwischen BGA und passiver Komponente zurückgelegt werden müssen. Bei gepluggten Bohrungen ist jedoch die Plazierung im Raum in einem anderen Maß möglich. Was auf den ersten Blick aussieht wie eine konventionelle doppelseitige SMD- Bestückung hat einen entscheidenden Unterschied. Die Verbindung von oben nach unten wird nicht über einen Via-Verbund in Kombination mit Leiterbahnstückchen geführt, sondern die Kontaktierung SELBST ist die Leiterbahn, und ihr gepluggtes Ende, der Deckel, ist das Anschlußpad. Die maximale Länge dieser Verbindung entspricht der Dicke des Multilayers, also üblicherweise 1.5mm. Die benachbarten Verbindungen eines BGA s an die Außenwelt sind somit extrem kurz, parallel, gleich lang, kreuzen sich nicht und verlaufen nicht entlang anderer Signalpins. Die Fläche unterhalb des BGA s ist frei von Leiterbahnen und zeigt nur die Anschlußpads. Dies bedeutet eine höhere Prozeßsicherheit hinsichtlich möglicher Schlüsse beim Bestückung und Löten genau dort, wo eine Nacharbeit aufwendig bis unmöglich wäre. Fazit Manche Veränderungen sind spektakulär. Das Pluggen ist eine eher unauffällige Veränderung in der Leiterplattentechnik, die aber dennoch das Produkt Elektronische Schaltung in den nächsten Jahren maßgeblich mitgestalten wird. Das Prozeßverfahren muß noch perfektioniert werden, aber das wird gelingen. Die strategischen Optionen für das Design und die Funktion einer Baugruppe sind zu verführerisch, als daß darauf verzichtet werden könnte. ILFA Das Pluggen von Leiterplatten / Seite

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