Harmonisierung von Multilayeraufbauten

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Andrea Pfeiffer
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1 Harmonisierung von Multilayeraufbauten Von Wolfgang Kühne, Mittelstaedt Elektronik Leiterplattentechnik Berlin Immer wieder kommt der Wunsch nach Standardisierung von Mehrlagenleiterplatten auf. Allerdings ist dies unter den sich ständig erweiternden Anforderungen und Variationsmöglichkeiten nur noch sehr eingeschränkt zu realisieren. Die gemeinsame FED/VdL-Projektgruppe Design versuchte Multilayeraufbauten zu harmonisieren. Zielsetzung war dabei, die generellen elektrischen Anforderungen an eine Mehrlagenschaltung mit den Herstellbedingungen zu verknüpfen. Aus einer Vielzahl, von verschiedenen Herstellern gefertigter Multilayer, wurde eine Teilmenge gesucht, die hinsichtlich Technologie und Materialqualifikation von allen in der Projektgruppe eingebundenen Leiterplattenherstellern sicher hergestellt werden können. Die Projektgruppe Design empfiehlt jedoch auch die unten vorgestellten Lagenaufbauten bezüglich Materialverfügbarkeit und Herstellungsmöglichkeit gerade auch in Bezug auf die Lochkombination und Leiterbildstruktur mit dem zu beauftragenden Leiterplattenhersteller abzustimmen. Aufgrund unterschiedlicher Pressparameter und Materialhersteller werden auch die Lagenabstände von den hier dargestellten leicht abweichen. Um Verwindungs und Verwölbungserscheinungen zu minimieren sind die Lagenaufbauten symmetrisch ausgeführt. Die daraus resultierenden Lagenaufbauten wurden in den nachfolgenden Darstellungen vereinheitlicht. Um den Designern impedanzkritischer Leiterplatten eine grobe Einschätzung der Leiterbahnbreiten für die Realisierung von Impedanzen von 50 Ohm und 100 Ohm zu geben wurden häufig vorkommende Lagensequenzen für Signal- und Power/Ground Lagen angenommen. Die eingesetzte Software hat dabei die Berechnung der Impedanzen unterstützt und die Lagenabstände und Leiterplattendicke nach dem Verpressen des Multilayers berechnet. Durch die angewendete Software MLB werden die Lagenaufbauten in zwei unterschiedlichen Grafiken dargestellt. In dem oberen Teil werden die Materialien benannt und deren Dicken nach dem Verpressen angegeben. Die elektrischen Lagen werden benannt und Impedanzwerte angegeben. Signal bedeutet dass diese Lage als Signallage benannt wurde. Eine Microstrip-Leitung mit einer Fußbreite von 330µm ergibt eine Impedanz von ca. 50 Ohm. Ein differenziell ausgelegtes Leitungspaar von jeweils 150µm Breite in einem Abstand von 200µm verlegt ergibt eine Impedanz von ca. 100 Ohm. Die aufgeführten Leiterbahnbreiten Abstände gelten für Basismaterialien mit einem εr-wert von ca. 4,3. Für einen höhereren εr-wert von 4,7 gelten bei diesen Beispielen ca. 10% verringerte Leiterbahnbreiten Die elektrischen Eigenschaften (Impedanzen) der Leiterplatte sind abhängig vom konkret eingesetzten Basismaterial. Wenn wegen höherer Löttemperaturen auf thermisch beständigere Materialien gewechselt werden muss, sind die sich ändernden elektrischen Eigenschaften des Materials zu berücksichtigen. Bei den temperaturbeständigeren phenolisch gehärteten Basismaterialien unterscheidet sich Epsilon R gegenüber Dicy gehärteten Materialien um ca. 15% (Beispiel: Nan Ya NP-140 bei 1GHz 4,13 Matsushita R ,7 bei 1 GHz) Im unteren Teil werden Grafiken gezeigt mit simulierten Querschliffen durch die Multilayer. Lagenabstände, Kupferstärken, Pads und Lochdurchmesser werden maßstäblich dargestellt

2 und geben somit einen Eindruck über den Aufbau des Multilayers. Prepregs sind gelb, Kernmaterialien grün dargestellt. Die Durchmesser der Durchgangslöcher wurden jedoch nicht angegeben. Auf die Darstellung des Lötstopplacks wurde in diesem Fall verzichtet, er muss aber in der Impedanzberechnung der Außenlagen berücksichtigt werden. Beschreibung der Lagenaufbaudarstellung Anzahl elektrischer Lagen. Berechnete Gesamtdicke des Multilayers. Kupferfolie und Lagenbezeichnung mit Impedanzhinweis. Prepreg mit Materialhinweis. Kernmaterial. Bohrungshinweis. Kupferfolie(rot). Prepreg(gelb). Kernmaterial 2x Kupfer. 2 Lagen Prepreg. Bohrungen, hier nicht massstabsgetreu dargestellt. Blind-Vias Lagenaufbaudarstellung Bohrdurchmesser von nicht Blind-Vias sind nicht maßstabsgerecht und sollten ein Aspekt-Ratio von 1:8 nicht überschreiten. (Aspekt-Ratio = Bohrerdurchmesser/Bohrtiefe) Bis auf die Lochdurchmesser, die in mm genannt werden, sind alle Werte in µm angegeben.

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