Leiterplattenfertigung in der Iceberg -Technologie Dr. Udo Bechtloff, Ralph Fiehler, Johannes Schauer, Dr. Kai Schmieder KSG Leiterplatten GmbH, Auerbacher Str. 3-5, D-09390 Gornsdorf Kurzfassung Die Kombination von Signalleiterbahnen mit Endkupferdicken von ca. 70 µm und einem 400 µm Kupferlayout für Hochstromanwendungen auf einem Schaltungsträger stellte die Leiterplattenfertiger bisher vor ein technologisches Problem. Neben einem aufwendigen selektiven galvanischen Aufbau des Dickkupferlayouts gestaltet sich die prozesssichere Lötstopplackbeschichtung dieser Bereiche als äußerst schwierig und kostenintensiv. Hatte der Leiterplattenhersteller diese Hürde übersprungen, so wurde in der Weiterverarbeitung der Bestücker vor die schwierige Aufgabe gestellt, Höhenniveaus von ca. 350 µm mit seiner Technik zu beherrschen. Diese Problemstellung löste die KSG Leiterplatten GmbH mit ihrer Iceberg -Technologie. Durch den Lösungsansatz, der Versenkung der Dickkupferbereiche zu 80 % im Basismaterial, können Layouts in 105 und 400 µm Kupferdicke erstmalig in einer Ebene und auf einem Schaltungsträger vereint werden. 1 Ausgangssituation Leiterplatten mit Kupferschichtdicken bis 400 µm gewinnen im zunehmenden Maße in der Leistungselektronik an Bedeutung. Überall dort wo hohe Ströme fließen wird von den Designern nach kostengünstigen und multifunktionalen Alternativlösungen gesucht, um hohe elektrische Leistungen unter Berücksichtung des Wärmemanagement zu übertragen. Als Einsatzgebiet dieser Technologie ist neben der Automobilindustrie hauptsächlich die Industrieelektronik mit ihren Anwendungen in Stromversorgungs- und Steuerungssystemen zu sehen. Erfüllten hier in der Vergangenheit Techniken mit Stanzgittern, Stromschienen bzw. Multilayer mit mehreren 70-105 µm Cu-Innenlagen die Aufgaben, so werden von der Leiterplattenindustrie mittlerweile Alternativlösungen in der Dickkupfertechnologie angeboten. Betrachtet man die auf dem Markt angebotenen Technologien, sind mit diesen Lösungen nur Leiterbilder in einer Kupferschichtdicke realisierbar. 400µm Cu Bild 1 Lötstopplack Problematik partieller Dickkupferleiterbahnen Die benötigte Steuerelektronik wird in der Regel auf einem separaten Schaltungsträger designt und kommuniziert im Gesamtsystem mit dem Leistungsteil mittels konventioneller Verbindungstechnik (Kabel, Stecker). Eine Bewertung dieser Ausgangsposition, ergibt für die konventionellen Herstellungstechnologien folgende Problemfelder: (Bild 1) Für den Leiterplattenhersteller Kostenintensiver selektiver galvanischer Leiterbildaufbau Kostenintensive mehrstufige Lötstopplackbeschichtung (Verfüllen, Einebnen, Abdecken) Gefahr von mechanischen Beschädigungen des Dickkupferlayouts beim Handling Für die Bestückungsindustrie Getrenntes Design von Steuer- und Leistungselektronik Höhenunterschiede im Leiterbildlayout von ca. 350 µm Logistikkosten (Beschaffung, Lagerung) für 2 Leiterplattentypen Doppelte Rüstkosten Einsatz von Verbindungssystemen (Kabel, Stecker) Erhöhter Platzbedarf im elektronischen Gesamtsystem 70 µm Cu + galvanisch Cu
2 Lösung 2.1 Zielstellungen Die zu entwickelnde Fertigungstechnologie sollte die im Punkt 1 genannten Problemfelder in ihrer Gesamtheit unter Berücksichtigung nachfolgender technischer Rahmenbedingungen lösen: Einsatz von Standardprozessen der Leiterplattenindustrie Verwendung von UL-gelisteten FR4- Standardbasismaterialien Mechanische und elektrische Produkteigenschaften vergleichbar mit der Standard FR4- Leiterplatte 2.2 Das Lösungsprinzip Aus der Überschrift lässt sich die Frage ableiten, was ein Eisberg mit einer Dickkupfertechnologie an Gemeinsamkeiten aufweist. Die Antwort auf diese Frage ist relativ leicht gefunden. Von einem Eisberg ist bekannt, dass sich der größte Teil seines Volumens unter Wasser befindet. Er erscheint also wesentlich kleiner, als er in Wirklichkeit ist. Dieser Effekt wird bei dem von der KSG eingesetzten Verfahren genutzt, indem das 400 µm dicke Kupferlayout im Basismaterial vergraben wird. Man erhält so auf den Außenlagen eine völlig plane Oberfläche. Die Bereiche, welche Kupferschichtdicken von 400µm aufweisen, sind optisch nicht zu erkennen. Der Iceberg ist geboren. (Bild 2) [1] Durch die Kombination von Steuer- und Leistungselektronik in einem Oberflächenniveau besitzt die Iceberg -Technologie gegenüber den bekannten Dickkupfer-Technologien sowohl für den Verarbeiter des Schaltungsträgers als auch für den Leiterplattenfertiger wesentliche Vorteile. [2] Folgende Vorzüge sind besonders hervorzuheben: Kostenreduzierung in der Beschaffung, Logistik und Fertigung durch die Einsparung einer Leiterplatte Kostenreduzierung durch den Entfall zusätzlicher Verbindungstechnik (Kabel- und Steckersysteme) Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Minimierung der Systemschnittstellen Minimierung des Platzbedarfes für den Schaltungsträger im Gesamtsystem Einsatz der Standard-Bestückungstechnik durch Gewährleistung eines gleichmäßigen Oberflächenniveaus über das gesamte Leiterbild Prozesssichere Abdeckung der Leiterzugflanken mit Lötstopplack durch eine minimale Kupferdicke des gesamten Leiterbildes Einsatzmöglichkeit als Heatsink 2.4 Fertigungstechnologie Die Iceberg -Technologie basiert auf Standardprozesse der Leiterplattefertigung. Ausgangspunkt für diese Technologie ist eine 400 µm dicke Elektrolyt kupferfolie, die im ersten Schritt beidseitig mit Fotoresist laminiert wird. Zur Belichtung wird ein Leiterbild einseitig verwendet, das nur die Layoutbereiche aufweist, die später 400 µm dick ausgeführt werden. Die zweite Seite (spätere Außenseite) wird zunächst nicht strukturiert und behält damit ihre plane Oberfläche. (siehe Bild 3/4) Belichtung ohne Film 400 µm Cu Resist 400 µm Cu teilvergraben Lötstoppmaske Film Bild 2: Lösungsprinzip 4 Lagen ML mit 400 µm und 70 µm Basiskupfer auf den Außenlagen 2.3 Produktvorteile 70 µm Cu + galvanisch Cu Bild 3: Darstellung Belichtungsvorgang 400 µm Cu Bild 4: Fotoresist belichtet und entwickelt Resist Nach dem Prozess entsprechend Bild 4 wird die 400 µm Kupferfolie auf eine Dicke von 70 µm selektiv abgedünnt (Bild 5) und der Fotoresist entfernt.
400µm Bild 5: Geätzte Kupferfolie mit Fotoresist 70µm Nach der Entfernung des Fotoresistes (Bild 6) und einer Vorbehandlung der Kupferoberfläche wird die vorstrukturierte Kupferfolie mit dem Leiterbildrelief zur Prepregseite hin verpresst, so dass nach dem Verpressen eine planare Oberfläche entsteht (Bild 7). Durch den Einsatz geeigneter Prepregs, eines angepassten Lagenaufbaus, sowie modifizierter Pressparameter ist eine sichere Harzverfüllung der stark ausgeprägten Ätzflanken des Dickkupferlayouts ohne Lufteinschlüsse bzw. Glasmattenbrüche prozesssicher möglich. Das Laminat kann nach der Verpressung wie eine zweiseitige Leiterplatte prozessiert werden. Da alle Bereiche, die keine 400 µm Leiterzüge enthalten, nur eine Basiskupferdicke von maximal 70 µm besitzen, können die üblichen Designrules zur Entflechtung eingesetzt werden. Bild 6: Geätzte Kupferfolie mit entfernten Fotoresist Bild 7: Vorstrukturierter Pressling strukturierte Cu- Folie Da in der Iceberg -Technologie prinzipiell ein Pressvorgang notwendig ist, kann in Abhängigkeit von der Komplexität des Layouts ein mehrlagiger Schaltungsaufbau gewählt werden. Hier sind Innenlagen mit Kupferschichtdicken bis 400µm verwendbar (Bild 8). Bild 9: Schliffuntersuchung einer doppelseitigen Leiterplatte nach dem vollständigen Prozessdurchlauf 2.5 Materialien Im Rahmen der Technologieentwicklung wurden umfangreiche Untersuchungen zu geeigneten Materialpaarungen (Prepreg, Dünnlaminate, Kupferfolie) vorgenommen. Im Ergebnis dieser Versuche wurden Materialien als geeignet definiert, welche ausnahmslos als UL-gelistete Standardmaterialien bekannt sind. Dennoch waren einige materialbezogene Problemstellungen zu lösen. Speziell die bisher gebräuchlichen ED-Kupferfolien erwiesen sich für den komplexen Ätzprozess als nicht geeignet. Hier gelang es gemeinsam mit dem Lieferanten, der Firma Gould, eine Kupferfolie zu entwickeln, deren modifizierte kristalline Gefügestruktur lange Verweilzeiten in den Ätzmedien ohne Oberflächendefekte (Pinholes) zulässt. Bild 8: Schliffuntersuchung an einem 4 Lagen Multilayer mit 400µm Kupferkaschierung auf den Innenund Außenlagen. 2.6 Eigenschaften Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Beitrages lagen die nachfolgend aufgeführten Untersuchungsergebnisse (Tabelle 1) vor. Weitere Untersuchungen zu den mechanischen Produkteigenschaften befinden sich in der Realisierungsphase.
2.6.1 Mechanische Eigenschaften Kriterium Ergebnis Lötbadbeständigkeit Keine Delaminierungen (288 C, 3 x 10s) Verwindung / Wölbung < 0,5% Leiterplattendicke ± 10% (Dickenschwankung über die Leiterplatte) Abschälkraft von Leiterzügen 70µm Cu-Dicke 0,8 N/mm Abschälkraft von Leiterzügen 400µm Cu-Dicke 1,3 N/mm Zyklentest kein Hülsenriss (LP- 300 Zyklen -40 bis 125 Oberfläche chem. C, Verweilzeit: 30 min Ni/Au) Tabelle 1: Bisherige Untersuchungsergebnisse zu den mechanischen Produkteigenschaften 2.6.2 Elektrische Eigenschaften (Strombelastbarkeit) Die Strombelastbarkeit von Leiterzügen wird in der DIN IEC 326, Teil 3 nur bis zu Kupferdicken von 105µm dargestellt. [3] Für höhere Metallisierungen liegen keine Empfehlungen vor. Die Berechnung der Strombelastbarkeit wird von einer Vielzahl von Einflussgrößen bestimmt und ist für jeden Anwendungsfall neu zu betrachten. Um dem Entwickler erste Richtgrößen zur Verfügung zu stellen, wurde gemeinsam mit dem Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik der TU Dresden eine Untersuchungsreihe zum thermischen Verhalten von Dickkupferlayouts durchgeführt. Für die hierfür entworfene Testplatine (Bild 9) wurden folgende Layoutparameter gewählt: Dielektrikum: FR 4 Platinendicke: 1.7mm Cu-Dicke: 400µm Oberfläche: Lötstopplack Aufbau: Dickkupferleiterbahnen eingebettet, Layout beidseitig, nicht durchkontaktiert, Einbaulage horizontal Die Anschlusskonfiguration der zu testenden Dickkupferleiterbahnen erfolgte in Reihenschaltung, sodass Konvektion und Strahlung für einen einzelnen Leiterzug jeweils nur senkrecht zur Ober- bzw. Unterseite erfolgen konnte (Bild 10) Bild 10: Anschlusskonfiguration Die im Ergebnis der Untersuchung ermittelten Kennlinien (Bild 11) bewiesen, dass auch bei einem einseitigen Betrieb (Konvektion und Strahlung senkrecht zur Ober- oder Unterseite) vergleichsweise hohe Stromstärken in der Iceberg -Technologie übertragen werden können. Die Messergebnisse der durchgeführten Referenzmessung der Temperatur mittels Wärmbildkamera erwiesen sich bei einem angenommenen Emissionsvermögen der wärmeabgebenden Fläche von ε = 0,85 als identisch. [4] Bild 11: Graphische Darstellung der Messergebnisse 2.7 Designrules 2.7.1 Leiterbildlayout Bild 9: Testlayout Der komplexe zweistufige Ätzprozess der Dickkupferbereiche bestimmt im Wesentlichen die Designrules des Leiterbildes. Aus diesem Grund können hier die bekannten Designrules der Standardtechnologie, welche in der Regel Kupferschichtdicken bis 105µm beinhaltet, nicht zur Anwendung kommen. Die nach-
folgende Übersicht (Bild 10/Tabelle 2) soll an dem Beispiel einer 105/400 µm Variante einen ersten Ü- berblick über die wichtigsten Layoutkriterien geben. Hierbei sollte erwähnt werden, dass diese durch die permanente Technologieoptimierung einer regelmäßigen Aktualisierung unterliegen E H G F C Bild 10: Schematische Darstellung der wichtigsten Layoutkriterien des Leiterbildes A = Min. Leiterbahnbreite 400 µm Cu-Layout B = Min. Leiterbahnabstand zwischen den 400 µm Leiterbahnen C = Unterätzung Leiterbahnen 400µm Cu-Layout D = Abgesenkte Cu-Dicke des 400µm Cu-Layouts E = Cu-Dicke außen bei Cu-Dicke in der Hülse von mindestens 25µm F = Min. Leiterbahnabstand zwischen 105 µm und 400 µm Cu-Layout G = Min. Leiterbahnbreite 105 µm Cu-Layout H = Min. Abstand zwischen Leiterbahnen 105 µm Cu-Layout X* = Min. Plattendicke (beidseitig 400/105 µm Cu-Dicke) Y* = Bohrung Aspect Ratio Werte für ein 105/400 Layout A 1.200 µm B 400 µm C < 500 µm D 300 µm E 105 µm F 400 µm G 250 µm H 300 µm X* 1,55 mm, max. 3,2 mm Y* 1: 6 Tabelle 2: Werte für ein 105/400 µm Layout entsprechend Bild 10 (*keine Darstellung in Bild 10) A D B Neben der weiteren Prozessoptimierung werden gemeinsam mit unseren Kunden erste Produktumstellungen in die neue Technologie realisiert. 3 Literatur / Normen [1] Schauer, Johannes: Kundeninformation Iceberg -Technologie für Dickkupferleiterplatten von der KSG, Gornsdorf 11/2003 [2] Schauer, Johannes: Vortrag zum Technologietag der KSG, Chemnitz 09/2003 [3] DIN IEC 326, gedruckte Schaltungen, Leiterplatten, Gestaltung und Anwendung von Leiterplatten, Ausgabe 3/85 [4] Dr. Schmieder, Kai: Untersuchungsbericht zur Strombelastbarkeit von Dickkupferleiterbahnen, Gornsdorf 02/2004 4 Kontaktadresse KSG Leiterplatten GmbH Dipl.-Ing. Ralph Fiehler Auerbacher Str. 3-5 09390 Gornsdorf Telefon: (0049) 3721 266 275 E-Mail: ralph.fiehler@ksg.de KSG Leiterplatten GmbH Dipl.-Ing. Johannes Schauer Auerbacher Str. 3-5 09390 Gornsdorf Telefon: (0049) 3721 266 185 E-Mail: johannes.schauer@ksg.de 2.8 Zusammenfassung / Ausblick Mit der Iceberg -Technologie wurde erstmalig eine Technologie zur Herstellung einer Leiterplatte mit einem kombinierten Dick- bzw. Dünnkupferlayout geschaffen, welche sich in ihren Endeigenschaften nicht von einer Standardleiterplatte unterscheidet.