Aspect-Ratio von Bohrungen

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1 1) Anwendung Die Qualität des Kontaktierungskupfers in einer Bohrung ist für die zuverlässige Funktion einer Baugruppe unerläßlich. Für Leiterplatten mit höchstem Anspruch (international ist das IPC Class III ) wird eine gleichmäßige Mindestkupferdicke von 25ym in der Hülse verlangt. Die mechanische Stabilität der Leiterplatte bei üblicher Z-Achsenausdehnung (Gefahr der Delamination) oder das Einpressen von Bauteilen (Stifte, Bolzen, Nieten) sind auf diese Mindestkupferdicke abgestimmt. 2) Kontaktierungstechnologie Der Vorgang des Kontaktierens umfaßt alle erforderlichen Arbeitsabläufe, die für die topologische Abscheidung von Kupfer auf der Leiterplatte stattfinden. Das Kontaktieren der Hülsenwände von Bohrungen und der planen Leiterplattenoberflächen wird durch einen galvanotechnisch-chemischen und elektrolytischen kathodischanodischen Prozeß erreicht. Damit das Kontaktieren funktioniert, müssen diverse Reagenzien (Chemische Substrate) an die Hülsenwände herangeführt werden. Damit dieses Heranführen ganzflächig problemlos möglich ist, werden die Reagenzien in den Bädern in wässriger Lösung gehalten. Die Leiterplatten werden in diese Bäder getaucht. Durch das Bewegen der Leiterplatten und/oder Spülen/Pumpen der Flüssigkeiten im Bad werden die Bohrhülsen durchflutet. Durch den direkten Kontakt mit den Bohrhülsen kommt es zu einer Reinigung der Oberfläche beziehungsweise zu einer Anlagerung der Reagenzien. In Abhängigkeit von der Verweilzeit im Bad, der Konzentration der Reagenzien, der Temperatur und auch des Luftdruckes sowie der Stromdichte wird diese Wirkung gesteuert. Für das Kontaktieren müssen mehrere Bäder durchlaufen werden. Vorreinigung, Entfetten, Aktivieren, DK-Chemisch-Kupfer und galvanische Nachverstärkung usw sind einige davon. Dazwischen ist in der Regel ein Spülen der Hülsen erforderlich. Damit die chemischen Reaktionen definiert ablaufen, dürfen Reagenzien aus einem Bad nicht in ein anderes Bad verschleppt werden. Damit läßt sich die Qualität einer Kontaktierung verbindlich einem Fertigungsschritt in der Herstellung von Leiterplatten zuordnen : Regel (Galvanoprozeß) Die Sicherheit des galvanischen Prozesses des Kontaktierens hängt wesentlich von dem definierten Einbringen und Entfernen wässriger Lösungen in die Bohrungen der Leiterplatte ab. Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

2 3) Einfluß von HDI und MFT Mit der Verkleinerung der geometrischen Strukturen (Leiterbahnbreiten und Leiterbahnabstände) auf Leiterplatten im Zuge der HDI- und der MFT-Technologie sind auch die Bohrdurchmesser verkleinert worden. Aus den früher üblichen Viadurchmessern von 600ym sind heute standardseitig 200ym geworden. Höherwertige Schaltungen haben bereits Viadurchmesser von 150ym oder von 100ym, im unteren Grenzbereich sind 50ym technisch möglich. Diese Miniaturisierung der Layoutstrukturen hat auf die Qualität des Kontaktierungskupfers einen massiven Einfluß. Durch den geringeren Bohrdurchmesser ändern sich die physikalischen Strömungsverhältnisse im Bad. Der Kapillareffekt und die Oberflächenspannung des Wassers oder der eingesetzten chemischen Lösungen führen zu einer Absenkung des Durchflutungsvolumens der Hülse pro Zeiteinheit. Selbst der Einsatz von Ultraschall und Rüttlern in den Bädern hebt diesen Effekt der verminderten Durchflutung nicht vollständig auf. Zusätzlich ergeben sich mechanische Fehlerquellen durch nicht vollständig entfernten Abraum beim Bohren. Staub und Bohrspäne reduzieren oder verhindern somit ebenfalls beträchtlich die Durchflutung. Das Fehlerbild sind dann dünnere Kupferschichten in der Hülse, ungleichmäßig dicke Hülsenwände oder im Extremfall Fehlbelegungen, also das partielle Fehlen von Kupfer in der Hülse und damit die mögliche Unterbrechung des Signalweges oder zumindest eine Vorschädigung. 4) Begriff : Aspect-Ratio Damit eine Leiterplatte zuverlässig hergestellt werden kann, muß eine vorausschauende Aussage getroffen werden können, unter welchen Bedingungen Mängel in der Kupferbelegung der Hülse zu erwarten sind, oder umgekehrt, unter welchen Bedingungen die Produktionssicherheit möglichst hoch ist. Weil mit dem Entwurf der Produktionsdaten für die Leiterplatte, also dem CAD-Layout, die Parameter für die Produktion bestimmt werden, muß eine entsprechende Regel im Vorfeld der CAD-Layouterstellung die erforderlichen Bedingungen für eine sichere Produktion formulieren. Nur dann ist die Leiterplatte nach Fertigstellung des CAD-Layoutes auch tatsächlich technisch (und möglichst auch wirtschaftlich) herstellbar. Die Analyse der Kupfer-Fehlbelegungen in der historischen Vergangenheit der Leiterplattentechnologie hat ergeben, daß es offensichtlich einen Zusammenhang zwischen dem Durchmesser einer Bohrung und der Tiefe dieser Bohrung gibt. Dieser Zusammenhang wurde vereinfacht und mathematisch als Verhältnis (= engl.: aspect-ratio ) des Bohrwerkzeugdurchmessers zur kontaktierbaren Bohrtiefe formuliert (Bild 1). Die Strömungsverhältnisse in den galvanischen Bädern führen zu einer qualitativ unterschiedlichen Kupferbelegung bei Durchgangsbohrungen (= DK-Bohrung, BuriedVia) im Vergleich zu Nichtdurchgangsbohrungen (= BlindVias). Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

3 Der Grund dafür ist, daß bei Durchgangsbohrungen eine Durchflutung der Hülse stattfindet, was bei BlindVias naturgemäß nicht sein kann. Weil die Hülse blind in der Leiterplatte endet, ist nur ein Einfließen und rückwärtiges Ausfließen der Chemie möglich. Dem wird Rechnung getragen durch die Angabe unterschiedlicher Werte für das jeweilige Aspect-Ratio. Definition (Aspect-Ratio für Bohrungen) Das Aspect-Ratio ist das mathematische Verhältnis des Bohrwerkzeugdurchmessers zur kontaktierbaren Bohrtiefe. Also ist : Aspect-Ratio = Bohrwerkzeugdurchmesser : kontaktierbare Bohrtiefe Hinweis : Umgangssprachlich läßt man das kontaktierbar häufig weg und spricht vereinfacht vom Verhältnis des Bohrwerkzeugdurchmessers zur Bohrtiefe. Bild 1 Definition des Aspect-Ratios für Bohrungen 5) Aspect-Ratio für Durchgangsbohrungen Für die Leiterplattenklassen HDI und MFT hat die Leiterplattenbranche in den letzten Jahren für Durchgangsbohrungen (= DK-Bohrungen, BuriedVias) ein allgemeingültiges Aspect-Ratio von 1 : 8 realisiert (Bild 2, 3). Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

4 Daraus ergibt sich für eine Berechnung der Ansatz : Berechnung (Durchgangsbohrungen (= DK-Bohrungen, BuriedVias)) Bohrwerkzeugdurchmesser : Bohrtiefe = 1 : 8 Mathematisch läßt sich das in die beiden Rechenregeln umformen : 1) Bohrwerkzeugdurchmesser = Bohrtiefe : 8 Lies : Der kleinste mögliche Bohrwerkzeugdurchmesser ergibt sich, wenn die erforderliche Bohrtiefe durch 8 dividiert wird Hier wird eine Minimalbedingung beschrieben. 2) Bohrtiefe = Bohrwerkzeugdurchmesser * 8 Lies : Die größte mögliche Bohrtiefe ergibt sich, wenn der Bohrwerkzeugdurchmesser mit 8 multipliziert wird Hier wird eine Maximalbedingung beschrieben. Bild 2 Aspect-Ratio für Durchgangsbohrungen Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

5 Bild 3 Aspect-Ratio für temporäre Durchgangsbohrungen oder BuriedVias 6) Aspect-Ratio für Nichtdurchgangsbohrungen In den letzten Jahren hat sich für Nichtdurchgangsbohrungen (= BlindVias) ein allgemeingültiges Aspect-Ratio von 1 : 1 ergeben. Daraus ergibt sich für die Berechnung der Ansatz : Berechnung (Nichtdurchgangsbohrungen (= BlindVias)) Bohrwerkzeugdurchmesser : Bohrtiefe = 1 : 1 Mathematisch läßt sich das in die beiden Rechenregeln umformen : 1) Bohrwerkzeugdurchmesser = Bohrtiefe : 1 Lies : Der kleinste mögliche Bohrwerkzeugdurchmesser ergibt sich, wenn die erforderliche Bohrtiefe durch 1 dividiert wird Hier wird eine Minimalbedingung beschrieben. Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

6 2) Bohrtiefe = Bohrwerkzeugdurchmesser * 1 Lies : Die größte mögliche Bohrtiefe ergibt sich, wenn der Bohrwerkzeugdurchmesser mit 1 multipliziert wird Hier wird eine Maximalbedingung beschrieben. Der Sonderfall eines Aspect-Ratios von 1 : 1 = 1 bedeutet natürlich nichts anderes, als daß die erreichbare Bohrtiefe identisch mit dem eingesetzten Bohrwerkzeugdurchmesser ist (und umgekehrt). Bild 4 Aspect-Ratio für BlindVias 7) Bohrwerkzeugdurchmesser versus CAD-Bohrdurchmesser Die Definition des Aspect-Ratios für Bohrungen orientiert sich offensichtlich an den praktischen Fertigungsbedingungen für die Herstellung von Leiterplatten. Die Fertigungsbedingungen wiederum definieren die Vorgaben für die virtuelle Konstruktion der Leiterplatte. Diese Vorgaben sind direkt manifestiert in den Bibliotheks-Inhalten und den Routingparametern des CAD-Systems. Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

7 Regel (CAD-Dokumentation) Das CAD-Layout beschreibt die Eigenschaften der fertigen Leiterplatte. Für jede CAD-Konstruktion gilt also als zentrale Bedingung, daß das Layout den Sollzustand der fertigen Leiterplatte beschreibt. Wenn beispielsweise eine Leiterbahn auf der fertigen Leiterplatte 100ym Breite haben soll, dann wird dieser Leiterbahn in den CAD-Gerberdaten auch ein Fotowerkzeug von 100ym zugeordnet. Wenn eine Bohrung auf der fertigen Leiterplatte einen Durchmesser von 200ym haben soll, dann wird dieser Bohrung in den CAD-Bohrprogrammen auch ein CAD-Bohrdurchmesser von 200ym zugeordnet. Der von CAD angegebene Bohrdurchmesser wird also immer als Eigenschaft der fertigen Leiterplatte und damit als Enddurchmesser verstanden. Regel (CAD-Bohrdurchmesser) Der CAD-Bohrdurchmesser entspricht dem geforderten Enddurchmesser auf der fertigen Leiterplatte. Durch das Kontaktieren der Bohrung werden umlaufend mindestens 25ym Kupfer an der Hülsenwand aufgetragen plus die jeweilige galvanische Endoberfläche, die bei Hot-Air- Leveling nochmal umlaufend partiell 20ym betragen kann. Der von CAD vorgegebene Bohrdurchmesser wird also durch das Kontaktieren und die Endoberfläche bei Hot-Air-Leveling um bis zu 2 * ( ) = 90ym reduziert. Für die Leiterplattenfertigung ergibt sich daraus, daß der Bohrwerkzeugdurchmesser für die Fertigung kontaktierter Bohrungen nicht identisch mit dem Enddurchmesser sein kann sondern größer sein muß. Dies ist in der Leiterplattenpraxis tatsächlich der Fall, indem auf den Enddurchmesser zusätzlich 100ym aufgeschlagen werden (Bild 1). Regel (Bohrwerkzeugdurchmesser) Der Bohrwerkzeugdurchmesser ist gleich der CAD-Vorgabe plus 100ym. Beispiel : Werden in einem Layout für einen Stecker Bohrungen mit einem Enddurchmesser von 1.00mm gefordert, dann wird das CAD-System in seiner Datenausgabe für die Fertigung der Leiterplatte den CAD-Bohrdurchmesser für diesen Stecker auch mit 1.00mm dokumentieren. Der Leiterplattenhersteller wählt das entsprechende Bohrwerkzeug mit 1.10mm um 100ym größer. Nach dem Kontaktieren und dem Aufbringen der Endoberfläche wird der Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

8 Enddurchmesser dann wie gefordert bei 1.00 bis 1.04mm liegen (es spielt dabei auch noch das hier nicht berücksichtigte Untermaß der Bohrwerkzeuge eine Rolle). 8) Vermessung der Bohrtiefe für das Aspect-Ratio Das Aspect-Ratio beschreibt die Rahmenbedingungen für die galvanische Kontaktierbarkeit einer Bohrung in Form der Abhängigkeit der Bohrtiefe vom Bohrwerkzeugdurchmesser. Während der Bohrwerkzeugdurchmesser offensichtlich unmißverständlich vorgegeben ist, muß die Art der Vermessung der Bohrtiefe definiert werden. Regel (Vermessung der Bohrtiefe) Die Bohrtiefe für das Aspect-Ratio wird inklusive des Basiskupfers gemessen. Diese Regel gibt also vor, daß die Bohrtiefe der Summe aller zu kontaktierenden Materialdicken entspricht. Bild 5 Definition der Bohrtiefen für die Vermessung des Aspect-Ratios Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

9 Allgemein gilt, daß die Bohrtiefe von der Startebene bis zur Zielebene der jeweiligen Kontaktierungsvariante gemessen wird (Bild 5). Bei Durchkontaktierungen und bei BuriedVias umfaßt die Materialdicke die Summe aller Dielektrika plus aller innenliegenden Kupferschichten plus dem beidseitig außenliegenden Basiskupfer. Bei BlindVias wird unterschieden, ob die Zielebene des BlindVias auf einer vorher bereits kontaktierten Ebene landet oder nicht. Ist die Zielebene des BlindVias nicht kontaktiert (Bild 5, links unten), dann ist die Bohrtiefe die Summe des Basiskupfers der Startebene plus aller Dielektrika plus dem Basiskupfer der Zielebene. Ist die Zielebene des BlindVias kontaktiert (Bild5, links oben), dann ist die Bohrtiefe die Summe des Basiskupfers der Startebene plus aller Dielektrika plus dem Basiskupfer der Zielebene plus dem DK-Kupfer der Zielebene. Ist die Zielebene eines BlindVias nicht eine der Startebene benachbarte Layoutebene, dann müssen zusätzlich die dazwischenliegenden Kupferdicken addiert werden. 9) Interpretationsfehler + Mißverständnisse Bei modernen Baugruppen ist das Aspect-Ratio von Bohrungen in der Planungsphase eines Layoutes von großer Bedeutung. Die Möglichkeiten der Miniaturisierung einer Layoutstruktur hängen vom Via-Enddurchmesser ab. Ein reduzierter Via-Enddurchmesser bedeutet gleichzeitig einen reduzierten Paddurchmesser für dieses Via. Damit stehen mehr verfügbare Routingvektoren innerhalb eines vorgegebenen Raumes für das Verlegen von Leiterbahnen zur Verfügung. Die mit dem Bohrwerkzeug verkoppelte Bohrtiefe bestimmt gleichzeitig die mögliche Anzahl erreichbarer Lagen in einem Multilayer. Für die Layout-Arbeit werden damit konkurrierende Anforderungen gestellt. Die Reduzierung der Via-Enddurchmesser ermöglicht eine höhere Packungsdichte im CAD-Layout. Die höhere Packungsdichte benötigt jedoch mehr erreichbare innere Lagen in einem Multilayer. Weil durch das Aspect-Ratio die Bohrtiefe bei reduzierten Via-Enddurchmessern aber abnimmt, ergibt sich der genau gegenteilige Effekt : es können bei geringerer Bohrtiefe weniger innere Lagen angesprochen werden. Diese Problematik wird durch funktionelle Anforderungen an die Leiterplatte verstärkt. Viele HDI- und MFT-Layouts sind High-Speed-Anwendungen und benötigen eine definierte Leitungsimpedanz. Während das dicht gepackte Layout Microvias und damit geringe Lagenabstände erfordert, läßt sich die Impedanz auf den Leiterbahnen erst durch (relativ) große Lagenabstände einstellen. Mißverständnisse in der Interpretation des Aspect-Ratios für Bohrungen haben vor diesem Hintergrund fatale Folgen. Der Klassiker unter den Irrtümern ist, daß die 100ym-Bohrzugabe vernachlässigt wird und daß das Aspect-Ratio direkt auf den CAD-Bohrdurchmesser angewandt wird und nicht auf den Bohrwerkzeugdurchmesser. Das läßt sich am Aspect-Ratio für BlindVias sehr deutlich erläutern. Angenommen, die Vorgabe des CAD-Bohrdurchmessers beträgt 100ym. Bei der Anwendung des Aspect- Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

10 Ratios von 1:1 auf diesen CAD-Bohrdurchmesser würde das bedeuten, daß die mögliche Bohrtiefe maximal 100ym beträgt. Tatsächlich muß das Aspect-Ratio auf den Bohrwerkzeugdurchmesser angewandt werden. Der beträgt 100ym + 100ym = 200ym und damit ist die erreichbare Bohrtiefe 200ym statt 100ym, also doppelt so tief. Es darf ferner davon ausgegangen werden, daß das Aspect-Ratio für Bohrungen kein physikalisches Gesetz ist, sondern eine pragmatische Hilfskonstruktion. Der tiefere Sinn dieser Konstruktion ist, daß sie für jedermann verständlich, einheitlich und übersichtlich ist. Mathematisch formuliert ist das Aspect-Ratio für beliebige Bohrwerkzeugdurchmesser linear bei korrekter Anwendung der Definition des Aspect-Ratios für Bohrungen. Dies läßt sich aus den Tabellen in Bild 3 und Bild 4 direkt ablesen. Beispiel für das Aspect-Ratio bei BlindVias mit den Werten < Bohrwerkzeug : Bohrtiefe > 0.20 : 0.20 = : 0.30 = : 0.40 = : 0.50 =1,. Allgemein ist hier f(x) = x für beliebige x-werte. Diese Funktion ist linear. Aspect-Ratio für BlindVias Bohrwerkzeugdurchmesser CAD-Bohrung CAD-Bohrung Bohrwerkzeug Bohrtiefe Aspect-Ratio Aspect-Ratio 100ym 200ym 300ym 400ym 500ym 200ym 300ym 400ym 500ym 600ym 200ym 300ym 400ym 500ym 600ym CAD-Bohrung : Bohrtiefe Bohrwerkzeug : Bohrtiefe Bild 6 Graphen für Aspect-Ratio -Werte für BlindVias Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

11 Genauso einfach läßt sich zeigen, daß das Aspect-Ratio für beliebige CAD-Bohrdurchmesser nichtlinear ist. Beispiel für das Aspect-Ratio bei BlindVias mit den Werten < CAD-Bohrung : Bohrtiefe > 0.10 : 0.20 = 1 : : 0.30 = 2 : : 0.40 = 3 : : 0.50 = 4 : 5,.. Allgemein ist f(x) = (x - 1) : x für ganzzahlig durch 100ym teilbare Werkzeugdurchmesser. Diese Funktion ist nichtlinear. Für große x-werte ist 1 der Grenzwert für f(x). Der zugeordnete Graph ist in der Tabelle in Bild 6 gezeigt. Für zwei beliebige CAD-Bohrungen gilt, daß das Aspect-Ratio in Relation zur Bohrtiefe immer unterschiedlich ist. Damit ist das Aspect-Ratio mit der Angabe des Verhältnisses von CAD-Bohrung : Bohrtiefe als pragmatische Hilfskonstruktion ungeeignet. 10) Geltungsbereiche Bei der näheren Betrachtung des Aspect-Ratios ist die Vorgehensweise, das Bohrwerkzeug durch den Zuschlag von 100ym auf die CAD-Bohrung zu ermitteln, anscheinend diskussionsfähig. Bei Bohrungen für die Aufnahme bedrahteter Bauteile oder Befestigungsmittel steht außer Frage, daß der angestrebte Enddurchmesser (= CAD-Bohrung) während der Produktion der Leiterplatte erreicht werden muß. Im Grenzfall, also bei zu geringem Bohrdurchmesser, würden die Bauteildrähte nicht in das zugehörige Loch passen. Insbesondere vielpolige Bauteile (Stecker, IC s, Relais,..) wären nicht oder nur mit einer Ausfallrate bestückbar. Nun gehören Vias zu der Klasse Bohrungen, die per Definition normalerweise nicht dafür vorgesehen sind, Drähte aufzunehmen. Es erscheint deshalb auf den ersten Blick sinnlos, auch für Vias den Zuschlag von 100ym auf die CAD-(Via)Bohrung zu geben und das Aspect-Ratio wie üblich mit Bezug auf das Bohrwerkzeug zu berechnen. Vor dem Hintergrund der Miniaturisierung der Leiterbilder wäre es eher naheliegend, bei Vias auf den Zuschlag von 100ym zu verzichten. In dem Fall könnte auch der Durchmesser des ViaPads um 100ym reduziert werden, was ein echter Platzgewinn für die Layoutarbeit bedeuten würde. Es würde dann die CAD-Bohrung = Bohrwerkzeug = Bohrtiefe sein, und dann wäre das Aspect-Ratio mit 1 : 1 : 1 wieder linear. In der Praxis muß jedoch die klassische Sicht bestehen bleiben. Schließlich ist für das Kontaktierungsverhalten nicht entscheidend, ob die Bohrung später einen Draht aufnehmen wird oder nicht, sondern es geht ursächlich um die physikalischen Strömungsbedingungen in der Hülse während der galvanischen Kontaktierung. Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

12 11) Hohe und niedrige Aspect-Ratios Für die Konstruktion eines Multilayersystems ist die Kenntnis über das Aspect-Ratio für Bohrungen eine wichtige Größe, die Auskunft über die technologische Kompetenz eines Leiterplattenherstellers gibt. Wenn Leiterplattenhersteller A mit gleichem Bohrwerkzeugdurchmesser tiefer bohren und vor allem fehlerfreier kontaktieren kann, als Leiterplattenhersteller B, dann ergeben sich für das CAD-Layout pauschal mehr Freiräume bei Beauftragung des Hersteller A. Umgangssprachlich sagt man dann, Hersteller A hat ein höheres Aspect-Ratio für Bohrungen. Diese Aussage ist formell falsch. Das Aspect-Ratio ist mathematisch als ein Bruch formuliert, der den Wert Bohrwerkzeug : Bohrtiefe beschreibt. Für das hier angegebene Beispiel kann man zur Erläuterung annehmen, daß Hersteller A bis zur 8-fachen Tiefe des Bohrwerkzeugdurchmessers bohren und kontaktieren könnte, Hersteller B nur bis zur 6-fachen Tiefe. Das Aspect-Ratio für Hersteller A ist dann 1:8, das für Hersteller B ist 1:6. Offensichtlich ist der mathematische Wert des Bruches 1:8-tel kleiner als 1:6-tel. Damit ist die gegenteilige Aussage richtig und die technologische Kompetenz eines Leiterplattenherstellers nimmt dann zu, wenn seine Aspect-Ratios niedriger werden. 12) Einschränkungen Der Begriff des Aspect-Ratios wurde historisch zu einer Zeit eingeführt, als die HDI- und MFT-Technologie im Entstehen war. Neben der Beschreibung der technischen Machbarkeit bringt allein die Existenz des Aspect-Ratios aber auch zum Ausdruck, daß es technologische Grenzen gibt und daß eben nicht alles machbar ist. Das untere Limit für durchkontaktierte CAD-(Via)Bohrungen war seinerzeit 200ym. Das entsprach (und entspricht auch heute noch) einem effektiven Bohrwerkzeugdurchmesser von 200ym + 100ym = 300ym. Bei einem branchenüblichen minimalen Aspect-Ratio von 1:6 kann damit eine Durchgangsbohrung von 6 * 300 = 1.8mm Hülsenlänge kontaktiert werden. Das reicht für Leiterplatten mit einer Standarddicke von 1.5mm bis 1.6mm aus und bietet sogar noch eine zusätzliche Prozeßsicherheit. Allerdings wurde bei Definition des Aspect-Ratios versäumt, ein Intervall zu bestimmen, innerhalb dessen das Aspect-Ratio gilt. Vor dem Hintergrund der nicht bewiesenen Annahme, daß das Aspect-Ratio linear ist, was ja auch bedeutet, daß die physikalischen Strömungsverhältnisse in einer Hülse linear sind, wurden weder kleinere Bohrungen abgegrenzt, noch größere Bohrungen. Bei größeren Bohrungen ist die pragmatische Definition des Aspect-Ratios möglicherweise vertretbar. Ein Aspect-Ratio von 1:6 für Durchgangsbohrungen bedeutet, daß bei einem Bohrwerkzeugdurchmesser von 1.0mm die Leiterplatte 6.0mm dick sein könnte. Dieser Fall ist nicht ausgeschlossen, tritt aber im Alltag der Leiterplattenfertigung äußerst selten auf. Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

13 Bei kleineren Bohrungen ist die pragmatische Definition unzureichend, weil sie irreführend und technisch nicht realisierbar ist. Es darf angezweifelt werden, ob mit einem Bohrwerkzeug von 50ym hergestellte Durchgangsbohrungen bis zu einer Leiterplattendicke von 300ym ( = 1:6) reproduzierbar problemlos kontaktiert werden können. Mit Einführung der Lasertechnologie ist außerdem die Technologie für die Herstellung einer Bohrung von Bedeutung. Der Querschnitt eines 100ym gebohrten Loches ist rechteckig, der Querschnitt eines durch Laserablation erzeugten Loches ist leicht trapezoidal (Bild 7), mit einer breiteren Grundfläche. Bild 7 Querschnittsgeometrien für BlindVias (Laser + Bohren) Weiterhin wurde stillschweigend angenommen, daß immer FR4-Material mit einem Standard-Tg-Wert von 135 bearbeitet wird. Die Diversifikation des Produktes Leiterplatte hat jedoch in den letzten Jahren zu einer Variantenvielfalt geführt, die eine pauschale Anwendung von trivialen Hilfsregeln deutlich erschwert. Beispielsweise erfordert die Umstellung auf bleifreie Elektronikprodukte die Verarbeitung von FR4-Material mit dem höheren Tg-Wert von 150. Dieser Wert wird bei der Herstellung von Basismaterial vor allem durch ein modifiziertes Harzsystem erreicht. Das wiederum Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite

14 führt zu etwas spröderen Materialeigenschaften und zu einer leicht veränderten mechanischen Struktur der Hülsenwandung nach dem Bohren. Bei Materialien, die härter sind als FR4, wie beispielsweise Polyimid, müssen die Bohrparameter an den CNC-Maschinen angepaßt werden, damit eine für das Kontaktieren geeignete Hülsenqualität erreicht wird. Bei Materialien, die weicher sind als FR4, verschmieren die Hülsen sehr schnell, weil die übliche Spanabfuhr im Vergleich mit FR4-Material über die Absaugungen an den CNC- Maschinen nicht mit gleicher Qualität möglich ist. Dies trifft zum Beispiel auf viele Rodgers- Materialien zu, die vorrangig für Hochfrequenz-Schaltungen genutzt werden. Ganz allgemein muß bei gebohrten Durchkontaktierungen mit Bohrwerkzeugdurchmessern kleiner als 300ym die Mechanik der Spanabfuhr aus der Bohrung beachtet werden. Mit kleiner werdendem Bohrwerkzeugdurchmesser nimmt auch der Raum zwischen den Schneiden des Bohrers ab, der für die Spanabfuhr vorgesehen ist. Andererseits bleiben die Glasfasern der FR4-Gewebe der Basismaterialien unverändert dick. Um dennoch zu einer hochwertig kontaktierbaren Hülsenwandung zu kommen, werden inzwischen leistungsstarke Absaugungen eingesetzt und/oder es werden die Bohrungen in Mehrfachniveaus gebohrt. Ursprünglich ist die Definition des Aspect-Ratios für starre Leiterplatten aus FR4 ausgelegt gewesen. Die Bedingungen für das Bohren können allerdings bei Hybridmultilayern stark abweichen. Für den Aufbau starrer Leiterplatten werden zunehmend unterschiedliche Basismaterialien (Beispiel : FR4 und Keramik) kombiniert, damit die gewünschten elektrophysikalischen Eigenschaften der späteren Baugruppe erreicht werden können. Von Natur aus sind alle starrflexiblen Multilayer Hybridaufbauten mit einer Kombination aus Polyimidfolie und FR4. Allein die Entscheidung, ob eine starrflexible Schaltung mit Kleber oder Prepreg aufgebaut werden soll, beeinflußt bereits die Qualität der Bohrung und damit das erforderliche spezielle Aspect-Ratio. 13) Fazit Das Aspect-Ratio für einen Bohrungstyp erleichtert die Orientierung bei der Definition der mechanischen Bohrparameter für die Konstruktion eines Multilayersystems. Das Aspect-Ratio ist nicht dogmatisch. Es beschreibt als Hilfsregel die voraussichtliche physikalisch-chemische Kontaktierbarkeit einer Bohrhülse. Die Werte für BlindVias und BuriedVias oder Durchkontaktierungen sind unterschiedlich. Der Materialbezug ist auf FR4 ausgelegt. Bei anderen Materialien als FR4 oder bei starrflexiblen Multilayern können abweichende Aspect-Ratios gelten. Die sprachliche Anwendung ist oft irreführend und muß gegebenenfalls hinterfragt werden. Arnold Wiemers / Aspect-Ratio / Seite