Mikrofeinstleitertechnik

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1 Technologie - Grenzen - Einflüße Arnold Wiemers Der Blick auf die Veränderung der Leiterbahnstrukturen in den letzten Jahren hinterläßt zuerst einen recht unspektakulären Eindruck. Die Leiterplatte folgt erkennbar der Evolution der elektronischen Bauteile hinsichtlich deren Miniaturisierung und den damit verbunden qualitativen Anforderungen. Deutlich ist die Reduzierung der Strukturen gegen Ende der 80er Jahre erkennbar: ab dieser Zeit wurden zunehmend SMD-Bauteile eingesetzt. Die Anforderung an die Technologie zur Herstellung der benötigten Leiterplatten wurde in dem Begriff Feinleitertechnik zusammengefaßt. Zum ersten Mal war es erforderlich, Platinen auf Grund ihrer Struktur zu klassifizieren. 513 Bild 1: Die Veränderung der Leiterbahnstrukturen Leiterbild-Strukturen in ym Jahr

2 514 Auf die 200ym-Leiterplatte folgte die 150ym-Leiterplatte mit der Klassifizierung Feinstleiter. Fine-Pitch-Bauteile und das direkte Bonden von Chips auf Platinen fordern inzwischen eine noch höhere Präzision mit Leiterbahn- Breiten und Leiterbahn-Abständen, die weit unter 150ym liegen müssen. Der Weg dorthin führt über die Zwischenstufe der Mikrofeinleiter direkt in den Grenzbereich des technisch Machbaren. Als vermutlich letzte Kategorie in der klassischen Leiterplattenfertigung entsteht eine neue Leittechnologie mit dem Namen: Micro-Fine-Line-Technology oder: Mikrofeinstleiter, kurz: MFT. Die Übersicht zu den bestehenden Platinen- und Layoutklassen zeigt, daß überraschenderweise der Übergang von Klasse zu Klasse nicht kontinuierlich und harmonisch verläuft. Die Gründe für diesen Effekt finden sich, wenn man die Technologie zur Produktion von Leiterplatten näher betrachtet. Bild 2: Platinen- und Layoutklassen Via-Enddurchmesser (mm) Standard Feinleiter Feinstleiter Abstände und Bahnbreiten Mikrofeinleiter Mikrofeinstleiter (ym)

3 Ein dominanter Prozeßschritt bei der Fertigung von Leiterplatten ist die Belichtung des Leiterbildes auf ein fotosensitives Laminat. Dafür wird ein Film eingesetzt, eine Glasvorlage oder die direkte Laserbelichtung. Ist dieser Prozeß erfolgreich durchführbar, so glaubte man, dann ist das Problem von hoch aufzulösenden Bildstrukturen praktisch unter Kontrolle. Tatsächlich sind aber an feinere Leiterbahnen auch anspruchsvollere mechanische Vorgaben gekoppelt und reduzierte Toleranzen. Ein kurzer Abriß der wichtigsten Produktionsschritte für einen Multilayer erläutert die Komplexität der zu lösenden Aufgaben. Das Verpressen von Multilayern erfordert eine sehr genaue Justierung der Innenlagenlaminate im Preßwerkzeug. Durch Hitze und Druck beim Pressen verändern sich die mechanischen Dimensionen des Materials und wirken einer exakten Paßung der Lagen entgegen. Die Reduzierung der Preßtoleranz ist äußerst schwierig. Beim CNC-Bohren müssen Werkzeuge bis zu 0.1mm eingesetzt werden können. Das erfordert hochpräzise Werkzeugmaschinen mit extrem niedriger Eigenvibration. Die MFT nutzt die Räume auf den einzelnen Schaltungsebenen optimal. Das selektive Bohren von Blind Vias erfordert vom Maschinenmanagement neben der X,Y-Positionierung auch die Z-Positionierung, um die Bohrung in einem dreidimensionalen Raum zuverlässig zu plazieren. Die galvanische Kontaktierung erfordert die Heranführung chemisch aktiver Substanzen an die Oberfläche der Bohrhülse. Die chemischen Reaktionen müssen für eine definierte Zeit andauern, dann aber auch definitiv enden. Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten in Bohrungen kleiner 0.5mm verhindert die gewünschte Durchflutung der Hülsen in den einzelnen Bädern. Der Lötstopdruck kann siebdrucktechnisch nicht mehr aufgebracht werden. Nur die Belichtung von Fotolack mit einem Film oder Laser garantiert die sichere Abdeckung von Leiterbahnen und Pads gegen benachbarte Strukturen und ermöglicht eine Toleranz, die unter 0.1mm liegt. Die elektronische Prüfung wird zu einem Rechenexempel. MFT- Platinen haben eine sehr hohe Pindichte. Die Nadeln des Prüfadapters können auch auf ein Grundraster von 1.27mm nicht mehr ausgelenkt werden. Nur neue Prüftechnologien wie Translatortest oder Flying-Probe-Test helfen hier weiter. 515

4 516 Die direkte Gegenüberstellung von Produktionsmaschinen zu den Platinenklassen zeigt, daß beim Übergang von der Standard-Leiterplatte zur Feinstleiterplatine von den Leiterplattenherstellern erhebliche Investitionen getätigt werden mußten, wenn auch die vorhandene Anlagentechnologie weiter eingesetzt werden konnte. Der Wechsel zur MFT ist nochmal ungleich aufwendiger, da zum Teil in eine völlig neue Anlagentechnologie investiert werden muß, die bisher nicht un benötigt wurde (Beispiel: Röntgenbohrmaschine). Der fatale Effekt dabei ist, daß viele Maschinen nur noch für eine spezialisierte, genau definierte Aufgabe einsetzbar sind. Der Konstruktion von Leiterplatten und Baugruppen eröffnet diese Entwicklung jedoch eine Fülle neuer Möglichkeiten. Bild 3: Maschinen für Mikrofeinstleiter Fertigungstechnologie CNC ohne Z-Achsensteuerung CNC mit Z-Achsensteuerung Einsetzbar für: Standard Feinstleiter Mikrofeinstleiter Röntgenbohrmaschine Filmbelichtung Glasbelichtung Laserbelichtung Reinraumtechnik AOI-Tester Standard-Multilayerpresse Prozeßgesteuerte ML-Presse Standardgalvanik Prozeßgesteuerte Galvanik Ätzen (basisch) Ätzen (sauer) Lötstoplack (Siebdruck) Lötstoplack (Film/Folie) Nadeladapter 1/10" Auflösung Nadeladapter 1/20" Auflösung E.-Test (Translator/Probe)

5 Für den CAD-Designer haben sich die Vorgaben an das Layout im gleichen Maße drastisch geändert, wie für den Leiterplattenhersteller. Die Betrachtung der Pad- und Trackgeometrien versinnbildlicht, wie innerhalb von 7 Jahren Lötflächen von 1600ym Durchmesser für bedrahtete Bauteile über SMD-Pads und Fine-Pitch zu Bondflächen für COB mit nur noch 100ym Durchmesser geführt haben. Die MFT ermöglicht im Layout die optimierte Nutzung der Flächen. Prozessoren mit hoher Pindichte sind sinnvoll zu entflechten. Bussysteme können kompakt verlegt werden und BGA s werden angeschlossen, ohne daß ein viellagiger Multilayer erforderlich ist. Im Sog der neuen Möglichkeiten auf der einen, und der Anforderungen auf der anderen Seite, rückt der CAD-Layouter in den Grenzbereich der bisherigen Standardtechnologien vor. Die hochfeinen Strukturen sind nur möglich mit dünneren Kupferschichten. Das reduziert die Leiterbahnquerschnitte und verändert Belastbarkeit und elektrische Eigenschaften von Signalen und Spannungsversorgungen. 517 Bild 4: Pad- und Track- Geometrien SIL/DIL SMD Fine-Pitch MCM/COB Pad- / Trackgeometrie (ym)

6 Der Leiterbahnabstand wird nicht nur in der Ebene verringert. Dünnere Innenlagen-Laminate verändern auch den Abstand der Leiterbahnen übereinander und führen zu Wechselwirkungen innerhalb des Raumes Leiterplatte. Der CAD-Designer steht vor der Aufgabe, sich praktische Erfahrungswerte neu erarbeiten zu müssen. Um die notwendigen EMV-Kriterien zu erfüllen, müssen Masseflächen eingezogen und gegebenenfalls umfangreiche Abschirmungen für sensible Signale ergänzt werden. Die Konstruktionsprinzipien für elektronische Schaltungen werden dadurch anspruchsvoller. Die Strukturen der MFT erfordern im Umfeld des CAD-Layouts neue Toleranzklassen. Die Auflösung und die Schriftgröße des Druckes für die Bestückungskennzeichnung müssen feiner werden. Die Toleranzen für den Versatz von Lötstopdruck, Abziehlack, Carbondruck und Viadruck müssen sich von 0.1mm auf 0.05mm verbessern. Dito wird sich die Schrittweite von Bohrwerkzeugen in Tooltabellen von 0.1mm auf 0.05 ändern müssen, insbesondere in dem Intervall 0.4 bis 0.1mm, denn in diesem Bereich liegen die Durchmesser für Vias. 518 Bild 5: Leiterbild-Dichte bei Mikrofeinstleiter- Strukturen Standard Feinstleiter Mikrofeinstleiter Pad 0.6*2.0mm Pad ungebohrt Track 200ym Via 500ym Abstand 200ym Pad 0.6*2.0mm Pad ungebohrt Track 180ym Via 300ym Abstand 180ym CAD-Strukturen (Gehäuse SO14) Pad 0.5*2.0mm Pad gebohrt Track 90ym Via 150ym Abstand 90ym

7 Die D-Codes für Fotowerkzeuge berücksichtigen heute 10ym- Schritte im Bereich <200ym. Die MFT benötigt aber Auflösungen von 5ym. Die Design-Rules müssen neu festgelegt werden. Und damit wird das Zentrum des CAD-Systems berührt, die Datenbasis der gesamten Bauteilbibliothek. Ohne Frage rüttelt die MFT an alten Tabus. Das bisher geltende Verbot, innerhalb von SMD-Flächen zu kontaktieren, wird zunehmend sinnlos. Die selektive Kontaktierung von Multilayer-Innenlagen, bisher möglichst vermieden, wird wieder attraktiv. Sogar der Streit, ob automatisches oder interaktives Routen zu einem erfolgreicheren Layout führt, flammt wieder auf beim Kampf um jeden Quadratmillimeter Platz. Innerhalb seines Unternehmens wird der CAD-Designer mehr Gewicht bekommen und bei Entscheidungen über die Baugruppe einbezogen werden. In dieser Phase ist es wichtig, daß er Unterstützung vom Hersteller seiner EDA-Software bekommt. Und: der LP-Hersteller muß ihm neue Multilayer-Bautypen ermöglichen. 519 Bild 6: Vergleich Standard- Multilayer-Bautyp zu UTM Multilayer-Bauhöhe (mm) UTM Via 0.15 Vergleich Standard UTM : Standard Via 0.60

8 520 Mikrofeinstleitertechnik Die bisherigen Standard-Multilayer-Bautypen setzen den Anforderungen der MFT, vor allem aber auch der EMV, Grenzen. Die klassischen Multilayer können diesen Ansprüchen nicht mehr genügen. Es ist eine völlig neue Bauklasse erforderlich, die zur Unterscheidung ihrer Spezifikation einen neuen Namen bekommt: Ultra-Thin-Multilayerboards oder: Ultradünne Multilayer, kurz: UTM. Kennzeichnend für diese Klasse sind der Einsatz von Laminaten für die Innenlagen, die nicht dicker als 50ym sind. Und, die mechanische und galvanotechnische Realisierung von Vias mit Endmaßen im Bereich von 0.05mm bis 0.2mm. Der Vergleich eines Standard-Multilayers mit einem UTM zeigt sofort die gravierenden Unterschiede in den mechanischen Dimensionen. Und die Darstellung von UTM-Bautypen für 4, 6 und 8 Lagen erläutert die sich ergebenden Möglichkeiten innerhalb dieser Bauklasse. Bild 7: Multilayer- Bautypen für UTM s Innenlagen-Laminat Prepreg 106 Cu-Folie 5,9,17ym Multilayer-Bauhöhe (mm) BS I2 BS I3 I2 I4 I3 I5 LS LS 4-Lagen 6-Lagen 8-Lagen UTM's: Bautypen BS I2 I3 I4 I5 I6 I7 LS

9 Ein Nebenaspekt der geringen Bauhöhe der UTM s ist die daraus resultierende geringere Höhe der gesamten Baugruppe. Dies kann beim Bau mobiler Geräte oder der Übereinandermontage von MCM s oder bei extrem engen Gehäusevorgaben durchaus Bedeutung gewinnen. Der entscheidende Vorteil liegt aber in der Herstellungstechnologie. UTM s werden im Prinzip nach Standardverfahren produziert, die in der Leiterplattenfertigung seit Jahren Anwendung finden. Zwar ist mit Sicherheit die Investition in teure, moderne Anlagentechnik notwendig. Im Vergleich zum heutigen Ablauf der einzelnen Produktionsschritte verändert sich jedoch nichts. Maschinen für MFT-Leiterplatten sind ebenso für die Fertigung von Standard-Platinen geeignet. Desgleichen gibt es keine Einschränkung in der Verarbeitbarkeit der bereits bekannten und verfügbaren Materialien. Weder sind Sonderinvestitionen erforderlich, noch der Einsatz von mit Lizenzen belegten Verfahren und Materialien. Letztlich baut die MFT auf den vorhandenen Verfahren auf und führt die Entwicklung im Sinne einer Leittechnologie konsequent weiter, ohne dabei die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen unberücksichtigt zu lassen. Die MFT wird das Erscheinungsbild der Leiterplatte in den kommenden Jahren prägen. Die Leiterplatte wird ihren Charakter verändern. Sie wird sich vom reinen Bauteilträger zu einem funktionellen Bauteil innerhalb der elektronischen Baugruppe wandeln. Die ersten Indizien dafür liegen vor. Definierte Kapazitäten, kontrollierte Impedanzen, EMV-Störsicherheit und Wellenwiderstände werden als Anforderung an die Eigenschaften von Platinen diskutiert. Die von der MFT geforderte Präzision wird dies ermöglichen. Sie öffnet uns den Horizont für eine Vielfalt von Strategien, von neuen Ideen und Produkten. Aber: sie schafft auch juristisch rechtsfreie Räume. Das Bindeglied im Umfeld der Baugruppenproduktion sind nationale und internationale Normen. DIN, Perfag und IPC, ergänzt um Spezifikationen wie UL und MIL, gehören dazu. Es dauert Jahrzehnte, Normen zu beschreiben, zu prüfen und einheitlich zu pflegen und bedarf einer gewaltigen Energieleistung. 521

10 Dem zum Trotz hat die MFT weite Teile dieser Normen innerhalb kurzer Zeit zur Makulatur werden lassen. Ein Kernbereich aller Normen ist die Festlegung von Toleranzen. Es ist aber ausgeschlossen, MFT-Schaltungen mit Hilfe des vorhandenen Normengerüstes zu entwerfen. Berücksichtigt der CAD- Designer die bestehenden Normen, dann ist die Produktidee eventuell blockiert. Berücksichtigt er die Standardnormen nicht, dann bewegt er sich sowohl technisch als auch juristisch in einem undefinierten Raum. Weder weiß er, ob sein Platinenhersteller seine Anforderungen in allen Punkten erfüllen kann, noch, ob anschließend die Herstellerhaftung noch ihre Gültigkeit behält. Die Normen müssen also dringend geändert werden. Die zuständigen Normengremien haben das auch erkannt. Es bleibt aber fraglich, ob die Normenrevision mit der technischen Entwicklung Schritt halten kann. Die Pflicht zu handeln, verlagert sich deshalb auf den CAD-Designer und auf den Leiterplattenhersteller. Der Designer muß seine Anforderungen klar, unmißverständlich und vollständig beschreiben. Der Hersteller muß seine Fertigungsprozesse inclusive der Toleranzen ebenso klar und unmißverständlich dokumentieren und verbindlich offenlegen. Erst das partnerschaftliche Miteinander von Hersteller und Designer ist der wirkliche Garant für eine erfolgreiche Zusammenarbeit. Zudem ist es die Voraussetzung, um die nächste Etappe auf dem Weg zu planen: die automatische Verarbeitung elektronischer Daten. Dem Tempo, das die Entwicklung von Computer- und Softwaresystemen vorgibt, können und wollen viele Wirtschaftsunternehmen nicht folgen. Zu sehr ist man von der Erfahrung belastet, daß die reale Welt sich von der virtuellen unterscheidet. Auch die Leiterplattenbranche nimmt die elektronische Bearbeitung von CAD-Daten nur zögernd an. Sicher, es gibt EDV-Archivsysteme, interne Data-Transfer-Netze und selbstverständlich CAM-Software. Das Bestreben, zu optimieren und zu rationalisieren, konzentriert sich allerdings vornehmlich auf mechanische Abläufe, auf Roboter sowie Stapel- und Transportsysteme. 522

11 Die automatische, softwaregesteuerte Datenvorbereitung wird kaum diskutiert. Konzepte für den Verbund intelligenter Maschinen, die sich ihre Informationen selbstständig von einem Serversystem holen, werden leichtfertig als nicht verwirklichbare Utopie abgetan. Dabei ist sehr wohl bekannt, daß Logistik und Administration sich von Grund auf ändern müssen. Und, daß eine neue, zukunftsweisende Maschinentechnologie in die Produktionsabläufe integriert werden muß, die Elektronik und Mechanik gleichwertig sieht. Ein in der Leiterplattenfertigung immer wiederkehrender Prozeßschritt ist die Belichtung fotosensitiver Substrate. Dafür werden Fotoplotter und Entwicklungsmaschinen, Schwarzfilme, Reprofilme, Reprokameras, Belichter, Stanzen, Registriereinrichtungen, Archive, Meßplätze und Kontrolleinrichtungen benötigt. Eine Vielzahl von Arbeitsgängen muß erfolgen, Räume müssen zur Verfügung gestellt und klimatisiert werden. Die Arbeit ist teuer, zeitraubend und im Ergebnis nicht zufriedenstellend. Die Anforderungen der MFT an Toleranzen auf der Leiterplatte sind so nicht erfüllbar. Dabei kann die - in der Praxis bereits erprobte Lösung - einfach sein: CAM übergibt einen Datensatz an einen Laserdirektbelichter, der die gewünschte Struktur auf dem gewünschten Substrat belichtet. Die Technologie der Laserdirektbelichtung ist bekannt und wird, wenn auch halbherzig, inzwischen als Alternative angesehen. Der Druck, den die MFT verursacht, ist jedoch so stark, daß diese Technologie kommen wird. 523

12 Fazit Mikrofeinstleitertechnik Die Mikrofeinstleitertechnik (MFT) ist nicht nur ein weiterer Abschnitt auf einem bereits beschrittenen Weg. Sie verlangt nach Kreativität und Innovation. Sie wird bestehende Produktionsverfahren und Produkte beeinflussen, und dabei neuen Ideen Raum und Möglichkeit geben. Die MFT ist integrativ. Sie ist allein nicht zu verwirklichen sondern nur denkbar als gemeinsame, partnerschaftliche Leistung von Designern, Herstellern, Lieferanten und Software-Entwicklern. Sie muß (und sie wird) bestehende Denkstrukturen und Weltbilder revolutionär verändern. Sie birgt in sich aber auch eine sentimentale Komponente. Die MFT wird die Ära der klassischen Leiterplatte, so, wie wir sie heute kennen, mit Sicherheit beenden. Damit ist, für die konventionellen Fertigung von Platinen, die MFT der Meilenstein am Ende des Weges. 524