Was versteht man unter HighTech- Baugruppen? Wo werden sie eingesetzt? Telekommunikation. Computer. Aufbau- und Verbindungstechnik



Ähnliche Dokumente
Multilayersysteme. Voraussetzung für die schnelle Verarbeitung hoher Datenraten. Arnold Wiemers

Webinar HDI Microvia Technologie - Kostenaspekte

Automatic PCB Routing

Coole Konzepte Wärmemanagement und Kühlung in der Leiterplatte

1 Überblick zur Entwicklung der Leiterplattentechnologie

UTM. UTM steht als Kurzbegriff für Ultra-Thin-Multilayerboards

Steg Dicke. Kupfer. a) Pad : ØIsolation ØPad + 0.6mm ØPad ØBohrung + 0.4mm b) Bohrung : ØIsolation ØBohrung + 0.6mm. Ø Pad

Webinar 2013: Verbesserte Signalintegrität durch impedanzangepasste Leiterplatten

Leiterplatten Pool-Service

Stand der Technik für HDI- Leiterplatten und -Baugruppen

TEC-BULLETIN FLYING PROBE TESTER

Technologietag. Spezielle Leiterplatten-Technologien

EMS Anforderungen Für die optimale Planung und Fertigung von elektronischen Baugruppen

INNOVATION IN NEUER DIMENSION.

1. Einführung: Was versteht man unter HighTech-Baugruppen

Dipl.-Ing. Martin Sachs, DB Electronic Daniel Böck GmbH

Webinar: Thermische Simulation hilft bei der Auswahl des richtigen Wärmemanagementkonzeptes Würth Elektronik Circuit Board Technology

Schoeller-Electronics GmbH Tel: +49(0) Marburger Straße 65 Fax: +49(0) Wetter

Webinar 2014: Vorteile für Starrflex & Co.: Impedanzkontrolle für gute Signalintegrität. Würth Elektronik Circuit Board Technology

Unsere Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf folgende Materialien: 1. Thermoplastische Folien und Platinen

Ihr Durchblick bei Flex / Starrflex / FR4Semiflex

Unsere Kompetenz. Kommunikation. Kompetenz. Fachwissen

Innovative PCB Solutions. Sparen Sie Zeit und Kosten Schweizer Qualität zu Ihrem Vorteil. THE PCB CHALLENGE Doing it together

Insulated Metallic Substrate (IMS-Leiterplatten)

Kurze Einführung zum Begriff HDI

Jenaer Leiterplatten GmbH. Darstellung der Technologie zur Herstellung von LP mit erhöhten Anforderungen. Seite 1

Leiterplatten und Baugruppen Bestücken, Löten, Montieren

Neue SMT-Linie von Eltroplan von Jörg Schüpbach Juki Automation Systems AG

Design-Richtlinie für flexible Leiterplatten

Bohrungen. Publikationen

Printed Polymer Eine Alternative zur SMD-Bestückung. Seite 1

Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt. Seite 1

Anwendungen: Eigenschaften:

Anleitung für Zusammenbau und Anschluss der kontaktgesteuerten Elektronikzündung, Version 4

Einbau bzw. Umbau einer USB-Schnittstelle für das Testboard TB1 nicht nur für il-troll

Grundlagen der Elektrotechnik

Erfahrungen mit Hartz IV- Empfängern

RFID Lösungen Fragebogen über Ihr RFID Projekt

8 Entkopplung durch Abstand, Trennung oder Schirmung

Klein und zuverlässig, diese beiden Anforderungen muss die Steuerungstechnik. bei Motorrädern der Spitzenklasse meistern, erklärt Jürgen

Stand der Technik von PCB Technologien für Hochstromanwendungen

Webinar: HDI 2 HDI in Perfektion Optimaler Einsatz der HDI Technologie Würth Elektronik Circuit Board Technology

Webinar. ECT Best Practice: Wie gehe ich ein Leiterplatten-Projekt mit eingebetteten Komponenten an?

Dr. Gert Vogel, A&D CD CC SQA E, Amberg. Fehleranalyse an Baugruppen, Fallstudie: Elektrische Durchschläge in Innenlagen von FR4 Leiterplatten

Erhard Thiel. Ratioplast - Optoelectronics Tichelbrink 68. D Löhne / Seite 1 -

EMV gerechtes Leiterplattendesign ist keine Magie

Signalintegrität: Impedanzanpassung in Verbindung mit der Entflechtung von BGAs Seite 1

Richtlinien für das Design und das Bestellen von Nutzen für Leiterplatten im Pool

PRONTO KonKaMis. Ausführung von Sensordesign und MID

Chip-on-Board - Das kleine Drahtbond 1x1

Aufbau und Bestückung der UHU-Servocontrollerplatine

1.3.2 Resonanzkreise R L C. u C. u R. u L u. R 20 lg 1 , (1.81) die Grenzkreisfrequenz ist 1 RR C . (1.82)

Schaltungen GmbH. Ihr Spezialist für flexible und starr-flexible Mehrlagen-Leiterplatten

3. Halbleiter und Elektronik

Qualifikation und Fehleranalyse an ICs

Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 1

Anschlußtechnologie, Verpackung

Bestücken von Leiterplatten

LX 16 Akustisches Variometersystem Handbuch

Weidmüller und Häusermann vereinbaren Kompetenz-Partnerschaft

Übung 1: Busplatine. Elektrotechnik. 19 Baugruppenträger Busplatine. Aufgabe/ Auftrag. Übung 1. RAG Aktiengesellschaft

Durch die virtuelle Optimierung von Werkzeugen am Computer lässt sich die reale Produktivität von Servopressen erhöhen

Geneboost Best.- Nr Aufbau Der Stromverstärker ist in ein Isoliergehäuse eingebaut. Er wird vom Netz (230 V/50 Hz, ohne Erdung) gespeist.

UNTERNEHMEN. Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik 1

[ ] C18 47nF (473) Baumappe SOLF Bauagruppe 15 Preselektor Version 093 vom

Amateurfunkkurs. Erstellt: Landesverband Wien im ÖVSV. Passive Bauelemente. R. Schwarz OE1RSA. Übersicht. Widerstand R.

Experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltbilder von SMD- Bauelementen

PTC-7221-SERIE. DC/DC Wandler Die kompaktesten Miniatur DC/DC Wandler mit einem Ausgang und Leistungen bis zu 300 Watt

Lichtbrechung an Linsen

Waggonbeleuchtung. Stützkondensatoren

Treuhand Dialogik Cloud

24.4 ISDN. a) PSTN b) POTS. TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 1 24 TELEKOMMUNIKATIONSTECHNIK REPETITIONEN 4 ISDN

Gasblasen in gelöteten Anschlußballs von BGAs

ERNI Electronic Solutions

Digital Web-Monitoring Digitales Web-Monitoring

1 mm 20mm ) =2.86 Damit ist NA = sin α = α=arctan ( nm ) Berechnung eines beugungslimitierten Flecks

Einpresszone [bewährte Geometrien]

Fachbereich Physik Dr. Wolfgang Bodenberger

Simulation LIF5000. Abbildung 1

How to PCB - Tipps, Tricks und (ein wenig) Theorie rund um Design von Leiterplatten

Xesar. Die vielfältige Sicherheitslösung

MN Stickstoff-Station

Herstellen von Platinen

Bewegen. Halten. Schalten. Regeln.

Charakterisierung von Dickfilmpasten

Industrie 4.0 in Deutschland

Prüfverfahren Prof. Redlich 1. Bestückungsverfahren Beispiel: Herstellung eines elektronischen Gerätes

Elektromagnetische Verträglichkeit Versuch 1

TM Bahnübergangssteuerung Benutzerhandbuch

Bauanleitung. Morse-Piep JOTA-JOTI 2009

Get the total coverage! Enrico Lusky, Vertriebsleiter Deutschland. Mitarbeiter: 152

AML-Technik - Integrationstechnologie für aktive und passive Bauelemente

Aufgabe 1 Berechne den Gesamtwiderstand dieses einfachen Netzwerkes. Lösung Innerhalb dieser Schaltung sind alle Widerstände in Reihe geschaltet.

Optische Polymer Fasern (POF) - Frage. Optische Polymerfasern - in Kraftfahrzeugen bald serienmäßig?

HARTING har-flex. People Power Partnership

TM Ampelsteuerung Benutzerhandbuch

Impulse Inklusion Selbst-bestimmtes Wohnen und Nachbarschaft

Offen für Neues. Glas im Innenbereich.

Installation OMNIKEY 3121 USB

Elektrische Energie, Arbeit und Leistung

Transkript:

Aufbau- und Verbindungstechnik Technologie und Design von HighTech- / HighSpeed- Baugruppen Was versteht man unter HighTech- Baugruppen? Prof. Rainer Thüringer FB Elektro- und Informationstechnik FACHHOCHSCHULE GIESSEN- FRIEDBERG Wo werden sie eingesetzt? Abbildung GED Computer Telekommunikation PDA Speicherkarte MMC Quelle : GED

Multimedia und Consumer Militär/Luftfahrt - Automobil - Industrie Was treibt die Entwicklung an? Branche Markt Technologie-Treiber Technologietreiber Computer, Telekommunikation, Militär/Luftfahrt, Automobil Computer 37% Telekommunikat. 27% Consumer 11% Industrie/Medizin 10% Militär/Luftfahrt 9% Automobil 6% Schnelligkeit, Modularität, Wärmemanagement Komplexität, Gewicht /Volumen, Stromverbrauch Funktionalität, Modularität, Recycling El.Sicherheit, Program.barkeit /Flexibilität, Service Zuverlässigk., Komplexität /Schnelligkeit, Gewicht Robustheit, Zuverlässigkeit, Wärmemanagement 4 Haupt - Technologietreiber Komplexität Schnelligkeit Gewicht / Volumen Wärmemanagement / Stromverbrauch Technologietreiber + Anforderungen Technolog.Verfahren + Lösungen Flächenkontaktierte Bauelemente: Ball Grid Array (BGA), CSP & FlipChip (FC) Komplexität hohe Anschlussdichte Flächenkontakt. Bauelemente: BGA, CSP, FC geringe Strukturbreiten Laser-Bohren/ -Belichten BGA hohe Verbindungsdichte HDI: Microvia -Technik 100 µm Loch Foto Multek --100 µm-- ( HDI = High Density Interconnect )

Kontaktierung des Chip (DIE) auf dem Träger Technologietreiber Komplexität IC (Die) auf Oberseite BGA Anschlüsse auf der Unterseite 1,0mm Hohe Anschlussdichte: 1500... 2500 Kontakte (a) BGA / MCP in Wire-Bond-Montage Interposer (Mikro-LP) BGA-Kontaktierung auf der LP BGA-Anschlusstechnik BGA = Ball Grid Array Interposer BGA - Anschlussfeld HDI-/Microvia-Technik

BGA- Fanout BGA-Anschlüsse auf 4 Signallagen Feinste Leiterzüge < 90µm auf vielen Innenlagen (Farben) sind notwendig für den Anschluss auf der Leiterplatte Muster Alcatel SEL AG HDI- Microvia-Technologie 6-lagige Leiterplatten (Multilayer) mit Microvia-Bohrungen BGA-Gehäuse blind durchkontaktiert Sackloch Microvia 50-150µ (VIP - Via im Pad) 100 µm Loch vergraben (buried) Die Entwicklung der Kontaktlöcher 1970 1985 2000 2010

Hohe Verbindungsdichte erfordert 50-100 µm Leiterbahnen Maximale Bestückungsdichten auf der LP Leiterbahnstrukturen in Laser-Technik Aus der "Komplexität" resultierende Anforderungen an die Baugruppe Bauelemente 1995 2002 2010 1,27er BGA, MCP 1) 1,0er BGA, MCP hochpolige µbga, MCP, CSP 2) Anschlusspads 250... 400 400... 700 900 / 1500 / 2500 CSP: 100... 500 75µm Raster auf der LP 1,27 mm 1,0 mm 0,8 / 0,65 / 0,5mm Bohrdurchmesser 300 µm 125 µm 100... 50 µm Leiterbahnbreiten 130 µm 95 µm 75 / 60 / 45 µm Fertigungstechnik Konvent.DK HDI / µvia HDI / µvia 1) MCP = Multi-Chip-Package 2) CSP = Chip-Size-Package Technologietreiber + Anforderungen Technolog.Verfahren + Lösungen Komplexität hohe Anschlussdichte hohe Verbindungsdichte geringe Strukturbreiten Schnelligkeit hohe Taktfrequenzen schnelle Impulse, EMV hohe Bandbreite, SI Flächenkontakt. BE : BGA, MCP, CSP, FC Laser-Bohren/ -Belichten HDI: SBU/ µvia -Technik Impedanz-LP & High-Speed-Design kurze LB, DCA + FlipChip optische Verbindungstechnik

Technologietreiber: Schnelligkeit Technologietreiber: Schnelligkeit Impuls-Anstiegszeit t r und Taktzeit T Konsequenzen: Impedanz- Leiterplatte Leitungen als Wellenleiter t r T Neu: Signallaufzeit > Impuls-Anstiegszeit!! Leiterbahnen werden zu Wellenleitern!! High-Speed-Design Kurze Wege vom Chip zur LP Kurze Leitungen & Wege auf der LP Kondensatoren + Widerstände am IC Impedanz- Multilayer Signale auf Wellenleitungen Kurze Wege vom Chip zur Leiterplatte: => Flip-Chip-Montage mit µvia-technik Layer 1 (GND- flooded) Layer 2 (Signals x ) Layer 3 (Signals y ) Layer 4 ( VCC ) Kern (VCC + GND) Layer 7 ( VCC ) Layer 8 (Signals y ) Layer 9 (Signals x ) Layer 10 (GND- flooded) in HDI-Technologie 3 [ 4 ] 3 Kurze Leitungen & Wege auf der LP: Nutzung der 3.Dimension - dichte Packung Kurze Leitungen & Wege auf der LP: >> Parallel-Stecktechnik statt Backplane

Kondensatoren + Widerstände am IC : Leiterplatte mit integrierten Bauelementen Kondensatoren + Widerstände am IC : Integrierter Flächenkondensator im IC- Gehäuse SiMOV-Aufbau, Werkbild Inboard Inboard GmbH GmbH Anforderungen aufgrund des Technologietreibers "Schnelligkeit" Impedanzkontrollierte LP & High- Speed Design Flip- Chip- Montage mit µvia- Technik (HDI) 3D - System- Design: Hohe Packungsdichten Parallel- Stecktechniken anstelle Backplanes Leiterplatte mit integrierten Bauteilen (R + C) Integrierter Flächenkondensator im IC- Gehäuse Elektrisch- optische Leiterplatten; 1 Bus = 1 Lichtleiter Konzept einer elektrisch-optischen Leiterplatte Schnitt durch die elektrisch- optische Leiterplatte optischer Koppler Strahlumlenkung Core Prepreg optische Wellenleiter Prepreg Masselage Mikrostreifenleitungen Core Prepreg SIEMENS AG IC C-LAB 1999 Core Siemens C-Lab

Technologiesprung durch optische Verbindungstechnik Technologietreiber + Anforderungen Technolog.Verfahren + Lösungen Übertragung extrem hoher Signal-Bandbreiten auf 1 Faser Möglichkeit, ganze Busse auf einer Faser zu übertragen Keine Abstrahlung EM-Felder (EMV, Abhörsicherheit) Absolut störfest gegen EM-Feldern (Übertrag.sicherheit) Kaum Kopiereffekte (Übersprechen) auf Nachbarleitungen Geringe Signaldämpfung und Signalverfälschung Gewicht / Volumen kleine und leichte BG weniger BE/ Gehäuse leichte / dünne LP weniger Cu-Dicke, TSOP/µBGA integrierte BE / Die on Board Flexible LP, dünnere Lagen Technologietreiber Gewicht / Volumen Flexible Schaltungen Flexible Schaltung Vorteile Leicht, 3D- flexibel, direkt steckbar Hohe thermische Stabilität (Polyimid) Gute HF- elektr. Eigenschaften (PI) Glatte Oberfläche: gut für SMD Ohne Fasern ideal f. HDI-Technik Nachteile Material teurer als bei starren LP Schwieriger zu Fertigen (Handling) Schwieriger zu Bestücken (Handling) Wenig bekannt bei Layoutern/Entw. Geringer Marktanteil, dadurch teurer Auswirkungen des Technologietreibers Gewicht / Volumen Technologietreiber + Anforderungen Technolog.Verfahren + Lösungen Kleinere, leichtere Gehäuseformen sowie COB Höher integrierte Bauelemente mit geringerem Pitch Dichter verdrahtete, dünne Leiterplatten mit weniger Kupfer Flexible Schaltungen mit 3-dimensionaler Einbaumöglichkeit Direktsteckbare, flexible Schaltungen ohne Stecker und Kabel Geringer Ruheleistungsbedarf > weniger Stromversorg. (Akku) Gewicht / Volumen kleine und leichte BG weniger BE/ Gehäuse leichte / dünne LP Wärmemanagement / Stromverbrauch geringer Energieverbrauch gute Wärmeableitung weniger Cu-Dicke, TSOP/µBGA integrierte BE / Die on Board Flexible LP, dünnere Lagen 3,3 /2,5 V-Technik intellig.energiemanagem. COB, dünne Isolation Kühlungstechniken/ Heatsinks

Technologietreiber Wärmemanagement BGA-Gehäuse mit integriertem Kühlkörper Auswirkungem des Technologietreibers Wärmemanagement / Stromverbrauch Übergang zu Low-Volt-Techniken 3,3 V - 2,5V - 1,5V Intellig. Energiemanagement > Ruhestromaufn. senken BT-Gehäuse mit integr. KK / DCA auf Keramik-MCM Kühlelemente in der Leiterplatte (Heatsinks) Verbesserte Wärmeleitung durch die LP hindurch für COB auf Kupferoberflächen Thermo-Simulation des Systems vor dem Design der LP Zusammenfassung Zukünftige Baugruppe 2010 : Beispiel: 4- lag. Impedanz- Multilayer in HDI- Flextechnik (0,3mm + Kühlblech) Hochpolige µbga: 2500 / CSP: 500...1000 Flip-Chip-Montage im Gehäuse & auf LP µvia - LP: 50µ Vias 50µ LB Raster: 0,4 mm Impedanz-Multilayer in HDI-Techn. 3...4 SBU Kühlblech (Heatsink) Dicke 25µ 100µ 50µ 100µ 25µ 0,3mm GND Sig x Sig.y VCC Integrierte Widerstände + Kondensatorkern HDI-Technologie 2 [ 2 ] 0 LP-Dicken 0,5... 1,0 mm und Flexible LP Metallkerne und äußere Kühlbleche System-Anforderungen für High-Speed -Signale Typ. Signalweg zwischen Baugruppen VCC VCC GND 10nH/cm +VDD PCB Motherboard Stecker Stecker PCB GND GND- Leitg. 1...10 pf GND- Leitg. < 3ns LB & Stecker verhalten sich wie ein Tiefpassfilter

Kompaktes Plazieren & kurze LB Nutzung der 3.Dimension (MCM, MCP) Hochintegrierte Bauteile für kurze Wege A B Bisher Kontaktzahl: QFP : 200... 400 BGA: 300... 600 Hightech-ICs: Typ. Daten In Zukunft Kontaktzahl: COB / BGA: 800... 1500 Konkurrierende System-Anforderungen Hohe Verbindungsdichten geringe Leiterbahn-Abstände kritisches Übersprechen hohe Lagenzahl /Lagenwechsel Impedanzsprünge Pin-Raster: QFP : 0,35... 0,6 mm BGA: 1,00... 2,54 mm Bus-Taktfrequenzen: 25... 266 MHz Flanken: 0,5... 5 ns Wärmeverlustleistung: CMOS : 2... 10 W ECL,GaAs : > 10 W Pin-Raster: COB : 0,1... 0,2 mm BGA: 0,8 / 0,65 / 0,5 mm IC-/ Bus-Taktfrequenzen: > 5 GHz / 500 MHz Flanken: 100... 500 ps Wärmeverlustleistung: 250 W pro Board Schnelle komplexe Bauteile hohe Wärmedichten kritische Temperaturen Thermal-Vias + LP-Ausbrüche Layout - Beschränkung Definierte LB-Impedanzen zusätzliche (Potential-) lagen LP-Dicke wächst schlechtere Wärmeabfuhr FH-Giessen/Dr.Thüringer IMP_LP01 Hightech- Leiterplatten mit Prioritäts- Kompromissen Anforderungen an Hightech-Leiterplatten Mechanische Forderungen Kleine Strukturbreiten : typ. 75... 150 µm Hohe Verbindungsdichte: Sackloch-Multilayer O 0,1... 0,3 mm (z.b. Laser-Vias bzw. Plasma-Ätztechnik) Beidseitige Bestückung : SMD, BGA, MCM, COB Hohe Wärmeabfuhr : Metallkerne oder -bleche Elektrische Forderungen Thermal- Haushalt System-Design Mechanik- Entwicklung System- Designer LP- Layouter Logik- Entwicklung Signal- Integrität/ Impedanz Übertragungs-Qualität : Definierte Impedanzen der Signallagen wenige Lagenwechsel & Vias "HF"- Stromversorgung : Potentiallagen als Platten-Kondensator Störungs-Abschirmung : Potentialflächen über Signallagen Produktion & Testen Kosten (Einkauf) EMV/CE FH-Giessen/Dr.Thüringer IMP_LP03

Berufsqualifikation LP-Layouter System-Designer Wann spricht man von High-Speed-Elektronik? LP-Layouter System-Designer Funktion / Kompetenz Allgemeine Fähigkeiten Fachliche Qualifikation Auftragnehmer des Entwicklers (z.t. Partner) Mechanische Kenntnisse Geometrisches Denken Regelnbezog.Vorgehen Zuverlässigkeit CAD-Tool-Erfahrung LP- & Bauteil-Kenntnisse Elektrotechn.Grundkennt. Layoutpraxis; LP-Normen Berater & Koordinator aller Systembeteiligten System- und Kostendenken Teamfähigkeit; Kreativität Präsentationstechniken Toolkenntnisse: CAE+CAD+ CAM ; Fertigungserfahrung Physikal. + elektron. Wissen Endprodukt-Normen (CE) High-Speed-Probleme Signal-Oszillation durch HF im Digitalimpuls Mit zunehmender Taktfrequenz müssen Bauteile immer schneller schalten. Schaltzeiten im ns-bereich sind heute üblich auch wenn es die Taktfrequenz garnicht erfordert. Das sog. Die-Shrinking (mehr Chips mit kleineren Strukturen pro Wafer) führt physikalisch zu kleineren Chip-Kapazitäten und damit zu kürzeren Schaltzeiten Crosstalk zwischen 2 Leitungen durch magnetische & elektrische Feldkopplung Synchronisierung (Timing) Active line (agressor) Chip Clock Signal A Chip Signale A und B müssen den Empfänger-Chip im gleichen Clock-Zyklus erreichen. Signal B U H U L Passive line (victim) high - low threshold limits Time A B Bei geringer Clockfrequenz ist der Zeitunterschied zw. A und B unbedeutend, nicht jedoch bei erhöhter Clockfrequenz

Reflexionen und Fehltriggerungen Kurze Impulse werden an hochohmigen Leitungsenden und Verzweigungen reflektiert Signalverfälschung durch Reflexion führt zu Mehrfachtriggerungen Spannungseinbrüche in der Stromversorgung Schnell schaltende Bustreiber benötigen hohe Impulsströme im Amperebereich aus dem Stromversorgungssystem. I ges +3V Z = 60 Ohm 3V V H Overshoot / Undershoot V H Multi-Crossing Fehler Spannungseinbrüche mit gegenseitiger Störung von Schaltkreisen oder auch Verhinderung des schnellen Schaltens GND V L V L GND Z ELKO R DC 1/ωC L'/C' High-Speed-Design Maßnahmen Hohe Integration der Bauteile (IC, MCM, ML-LP) zur Minimierung der Signalwege Impedanzkontrollierte Leiterbahnen mit Anpass- oder Abschlusswiderständen Leiterplatten-Lagenaufbau mit definierten Impedanzen, Schirm- und Potentiallagen Gegenseitige Abstands- und Längenkontrolle von Leiterbahnen (Timing und Crosstalk) Topologisch durchdachte Leitungsstrukturen und Verzweigungen (Bus, Stern, Baum) Impedanzarme Multilayer-Stromversorgung mit geeignet plazierten Blockkondensatoren Ende des Einführungskapitels