und Materialtoleranzen auf das Hochfrequenz

CONday Hochfrequenz-Technologie
Berlin, 13. Mai 2014
„Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen auf das
Hochfrequenz - PCB-Design“
Referenten: Christian Tschoban/Christian Ranzinger
Forschungsschwerpunkt
Technologien der Mikroperipherik
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Einfluss Ätztechnologie auf die Leiterzüge
Prinzip nasschemisches Ätzen
Nasschemisches Ätzen ist anisotroper Prozess
Ätzangriff erfolgt richtungsunabhängig und bewirkt Undercut (sog.
Unterätzung)
Unterätzung ist abhängig von der zu ätzenden Kupferdicke
Unterätzung ist ein absoluter Wert
Wirkt sich daher prozentual bei schmalen Leiterzügen stärker aus
Wird durch sog. „Swell“ der Leiterzüge in der Datenaufbereitung vorgehalten
Forschungsschwerpunkt
Technologien der Mikroperipherik
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Einfluss Ätzprozess auf die Toleranzen der Leiterzugbreiten
Globaler Einfluss auf die Toleranz:
¾ Chemie (Konzentrationsverhältnisse der Komponenten)
¾ Anlagenparameter (Temperaturen, Durchlaufgeschwindigkeit, Sprühdrücke,
Düsenkonfiguration)
¾ Richtwert: Gute Anlage mit gut kontrollierter Chemie generiert ca. ±10%
Ätzratenschwankung auf der Oberfläche
Schichtdickenschwankung zu ätzendes Kupfer (vorheriger Galvanikschritt)
Panel- und Layout:
¾ Isolierte bzw. vereinzelt und ungeschützt liegende Leiterzüge werden
stärker angegriffen als busartige Leiterzugstrukturen (längere Ätzung
notwendig, speziell um die in der Mitte liegenden Leiterzüge sauber
auszubilden)
¾ Anordnung Leiterzüge in Laufrichtung (waagegerecht, senkrecht,
diagonal)
Forschungsschwerpunkt
Technologien der Mikroperipherik
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Standardätzen („Rezepte“):
Bei einmaligem Durchlauf muss der Bereich mit der langsamsten Ätzgeschwindigkeit (höchstes Kupfer, kleine Leiterzugabstände, Leiterzugbündel)
unter Berücksichtigung der Anlagen/Chemietoleranz sicher freigeätzt werden
Dadurch werden einzeln liegende Leiterzüge in Bereichen mit geringerer
Kupferstärke und zusätzlichem Anlagen/chemiebedingtem stärkerem
Ätzangriff deutlich stärker unterätzt (verschmälert)
Toleranzen Leiterzugbreiten
Forschungsschwerpunkt
Technologien der Mikroperipherik
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Untersuchungsergebnisse Leiterzugtoleranzen
Standardfertigung (Feste Vorgaben und Ätzrezepte)
Leiterzug im Querschliff
Leiterzüge im Querschliff
Maßnahme
Toleranzfeld
Standard
55µm
Dynamic Swell
33µm
Anpassung Layout (Ausgleichspads)
18µm
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Eingrenzen von Leiterzugtoleranzen:
„Dynamic Swell“, Softwaretool, das die layoutbedingten unterschiedlichen
Anströmungs- und Ätzverhältnisse durch lokal unterschiedliche Ätzzugaben
automatisch kompensiert
Schichtdickenmessung vor dem Ätzen, Feinanpassung Durchlaufgeschwindigkeit (Prozesszeit)
Sequentielles Ätzen, d.h. im ersten Durchlauf wird gezielt weniger geätzt,
danach wird durch schrittweises Mikroätzen (Bereich 1-5µm) mit visuellen
Zwischenchecks in den kritischen Bereichen nachgebessert
Verringerung der zu ätzenden Kupferdicke (Pattern Plating, Semiadditiv-Technik
mit Differenzätzen)
Relevante Leiterzüge möglichst breit layouten
Relevante Leiterzüge auf Innenlagen legen (keine Schichtdickenschwankung
Kupfer)
Forschungsschwerpunkt
Technologien der Mikroperipherik
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Toleranzen Kupferschichtdicken
Folien der Kupferhersteller haben ein relativ kleines Toleranzfenster
Basiskupfer hat ausschließlich Minustoleranz (Kosten!)
Galvanische verstärkte Kupferlagen haben je nach Technologie (Panel Plating
vs. Pattern Plating) Schichtdickenschwankungen bis zu 100%
In Bereichen lokal überhöhter Stromdichten (z.B. Panelränder, isoliert
verlaufende Leiterzüge) wird deutlich mehr Kupfer abgeschieden
Standard
Sonder
Kupferdicken Basismaterial (Innenlagen) -10%
-10%
Kupferdicke metallisiert Panel Plating
+20%
+10%
Kupferdicke metallisiert Pattern Plating
+80%
+30%*)
*) Ggf. massiver Eingriff ins Layouts erforderlich
Schwankungen der Kupferschichtdicken beim Panel Plating
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Toleranzen Kupferschichtdicken
Folien der Kupferhersteller haben ein relativ kleines Toleranzfenster
Basiskupfer hat ausschließlich Minustoleranz (Kosten!)
Galvanische verstärkte Kupferlagen haben je nach Technologie (Panel Plating
vs. Pattern Plating) Schichtdickenschwankungen bis zu 100%
In Bereichen lokal überhöhter Stromdichten (z.B. Panelränder, isoliert
verlaufende Leiterzüge) wird deutlich mehr Kupfer abgeschieden
Standard
Sonder
Kupferdicken Basismaterial (Innenlagen) -10%
-10%
Kupferdicke metallisiert Panel Plating
+20%
+10%
Kupferdicke metallisiert Pattern Plating
+80%
+30%*)
*) Ggf. massiver Eingriff ins Layouts erforderlich
Schwankungen der Kupferschichtdicken beim Panel Plating
Forschungsschwerpunkt
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Toleranzen Dielektrikum
Materialkonstanten und deren Toleranzfeld (Dk, r) → Materialhersteller &
Untersuchungen durch TU-Berlin/IZM
Dickentoleranzen → Untersuchungen CONTAG
¾Materialtoleranz der Kerne bzw. vom Rigid-Material (bei 1-und zweiseitigen
PCB‘s) → Materialhersteller
¾Prepregs/Klebesheets, im B-Stage befindliches Harzsystem (ggf. mit
Glasgewebe), das als Haftvermittler im Pressprozess verwendet wird
¾Dickentoleranz im unverpressten Anlieferzustand
¾Kupferstärke und Layout der zu verfüllenden Kupferlagen
¾Pressdruck und Verteilung
PCB-Hersteller hat nur auf die letzten beiden Punkte Einfluss
Schaltung besteht entweder aus zugekauften Kernen oder einem Verbund aus
Kernen und verpressten Prepregs
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Produktionsablauf Multilayer
Innenlagen (Cores) herstellen (Tenting-Technik)
Innenlagen zueinander ausrichten und mit Prepregs und Cu-Folie aufstapeln
Druck
Cu-Folie
Prepregs
Innenlagen
Presswerkzeuge
Druck
Verpressen (20kP/cm2, 185°C)
Nachfolgende Prozessschritte wie bei „normaler“ 2-seitige Leiterplatte
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Untersuchungsergebnisse Dickentoleranzen Dielektrika
Verteilung Dickenschwankungen Dielektrika
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Untersuchungsergebnisse Dickentoleranzen Dielektrika
Dielektrikadicken im Schliff
Maßnahme
Toleranzfeld
Standard Pressrezepte
18%
Erhöhter Druck
16%
Erhöhter Druck + Ausgleichspolster
15%
Anpassung Layout (Ausgleichsflächen)
8%
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Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen, Teil 2
Endoberflächen
Leiterzüge (Kupfer) können partiell mit Lötstopplack oder Folie beschichtet
werden
Freiliegendes Layout kann vollflächig beschichtet werden mit:
¾HAL (Hot Air Leveling) mit SnCuNi oder SnPb
¾OSP (Organic Surface Passivation)
¾Chem. Zinn
¾ENIG (Electroless NickelphosphorhaltigImmersion Gold)
¾ENEPIG (Electroless Nickel-Electroless Palladium-Immersion Gold)
¾EP (Electroless Palladium)
¾Chem. Silber
¾ASIG (Autocatalytic Silver-Immersion Gold)
¾ISIG (Immersion Silver-Immersion Gold)
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Herausforderungen an das PCB-Design, Teil 2
Quickcheck Oberflächenfinishs
HAL
- Pb
HAL
+ Pb
OSP
Chem.
Sn
ENIG
ENEPIG
EP
Chem.
Ag
ASIG/
ISIG
Fine
Pitch
4
4
1
1
1
1
1
1
1
Einpresstechnik
1
1
3
1
4
4
2
1
1
Lötbarkeit
2
1
4
1
3
3
2
3
2
Bonden
Aludraht
5
5
5
5
1
1
2
2
1
Bonden
Golddraht
5
5
5
5
4
1
2
5
2
HF
4
4
2-3
3
4-5
4-5
1-2
1
1
Ökologie
3
4
2
4
3
3
3
2
2
Lagerfähigkeit
1
1
3
4
2
2
2
4
2
Kosten
(Faktor)
1
1
0,5
0,7
1,3
1,4
1,1
0,8
1,2
1) Sehr gut 2) gut 3) befriedigend 4) eingeschränkt 5) ungeeignet
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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