PCB Challenge heute: „immer schneller, kleiner, dichter bestückt

PCB Challenge
heute:
„immer schneller,
kleiner, dichter
bestückt und
leistungsfähiger“
FINELINE Switzerland AG
Winkelried Str. 35
6003 Luzern
+41 41 544 50 33
26.10.2015 Version 1.0
+41 76 565 53 79
Inhaltsangabe
Inhalt
Einleitung
Wer ist FINELINE
HDI Technologie
HDI Design-Rules
Warum HDI Technik?
Layer Stack-up
High Speed Design
IC Substrate
Trends und neue Technologien
Schlusswort
Einleitung
Einleitung
Miniaturisierung und Steigerung der Leistungsfähigkeit
sind nicht nur für mobile Endgeräte wie Smartphones die
maßgebenden Trends, auch Anwendungen im AutomotiveBereich, im Bereich der Industrie 4.0 Maschine-zu-Maschine
Kommunikation, sowie in der Medizintechnik werden immer
kleiner, effizienter und leistungsfähiger. Damit wachsen auch
die Anforderungen an die Leiterplatte und die Funktionalität
der Leiterplatte wird immer dabei immer wichtiger.
Heute möchte ich Sie im Rahmen dieses Vortrags über neue
Technologien, Trends und Technische Highlights im Umfeld
der Leiterplatte informieren.
Wer ist FINELINE?
Wer ist FINELINE?
Weltweiter Lieferant von Leiterplatten
130Mio. Umsatz nur mit Leiterplatten
Lokale Präsenz inkl. technischem Support
Große Niederlassung in China
Weltweite Logistikkompetenz
PCB Design- und Designunterstützung
25Jahre Erfahrung im Umfeld der
Leiterplatte
FINELINE ist ein globales Unternehmen
Anywhere
FINELINE mit lokaler Präsenz
FINELINE = Spezialist für jede Bestellmenge
Any Quantiy
Losgröße 1
- Super Eildienst mit 3-4 Tagen Lieferzeit
- Eildienst mit 1-2 Wochen Lieferzeit
zu sehr attraktiven Preisen.
Jede gewünschte Kleinserie
Jede gewünschte Großserie
FINELINE beherrscht jede Technologie
Any Technology
Flex und Rigid-Flex Leiterplatten
HDI Technologie
Advanced Heat Management
High-Speed Design
Backplane
IC-Subtrate und andere neue Loesungen
Welche Industriebereiche beliefert FINELINE?
Others
5%
Communication
19%
Industry
48%
Medical
11%
Automotive
8%
Security
9%
HDI Technologie
Definition HDI
HDI steht für: High Density Interconnection
Unter „High Density Interconnect (HDI) Leiterplatten
verstehen wir mehrlagige Leiterplatten mit einer mittleren
Kontaktdichte >20 Pads/cm² und in Verbindung mit
Microvias.
Häufig findet man auch die folgende Beschreibung:
Leiterbahnbreiten > 125µm ist Standard
Leiterbahnbreiten < 125µm [4.92mil] ist HDI
(oft auch < 100µm [3,9mil])
Die Technik schreitet extrem schnell voran
Da kommen wir
her:
So sah eine
Leiterplatte
1980 aus.
Aufnahme 1980
Basics: Eine Standard Durchkontaktierung
Quelle: Advanced Circuits
Die Technik schreitet extrem schnell voran
Erhöhung der Packungsdichte
Quelle: Viasystems
Die Technik schreitet extrem schnell voran
Quelle: Viasystems
Die Technik schreitet extrem schnell voran
Ti Baustein: N2377 mit 2377 pins
Pitch: 1mm
Die Technik schreitet extrem schnell voran
Die Technik schreitet extrem schnell voran
Größenvergleich: Widerstands - Bauformen
IPC/JPCS Normen im Umfeld der
HDI Technologie
Design
Laminate
für PCB
IPC-2220-Serie mit
IPC-2221A (Basis)
IPC-4100-Serie mit
IPC-4101A (Basis)
IPC-6010-Serie mit
IPC-6011 (Basis)
J-STD-Serie, z.B.
J-STD-001C
(Basis)
J-STD-002A
IPC-2222 (rigid PCB)
IPC-4110
(Phenolharz)
IPC-6012A
J-STD-020C
IPC/JPCA-4101
(HDI)
IPC-6013
IPC-2223 (flex. PCB)
IPC-2224 (PCMCIA)
IPC-2225 (MCM)
IPC-2226 (HDI-LP)
IPC/JPCA-2315
IPC-7351… (Land
Pattern)
PCB-Fertigung Baugruppen- Reparatur
Fertigung Nacharbeit
(rigid PCB)
(flex. PCB)
IPC-6014 (PCMCIA)
IPC-6015 (MCM)
(IPC-7070)
IPC-6016 (HDI)
IPC-7095A
IPC-6018A
(Microwellen)
Design und
Fertigung von
BGA
IPC-A-600G
IPC-A-610D
(Baugruppenabn.)
(PCB Abnahme)
IPC-7711
IPC-7721A
HDI: Layer Sequence
Die IPC Typen nach IPC 2226
IPC Typ I: 1(C)1 oder 1(C)0
Vias ein 6Lagen Leiterplatte
Microvia
1+4+1
Die IPC Typen nach IPC 2226
IPC Typ III: >=2(C)>=0;
IPC Typ I: 1(C)1 oder 1(C)0
IPC Typ II: 1(C)1 oder 1(C)0
IPC Typ III: >=2(C)>=0;
IPC Typ III: >=2(C)>=0; Hier: stacked (gestaffelte) Vias
IPC Typ IV: >=1(P)>=0;
IPC Typ V:
IPC Typ VI:
Definition Microvia
Laut IPC 2226 reden wir von
einem Microvia wenn:
Der Lochdurchmesser
<= 150µm [5.9mil; 5905.51µin]
und
Der Paddurchesser
<= 350µm [13.78mil; 13779,53µin]
<=150µm
Die Haardicke eines Mitteleuropäers
Zum Größenvergleich:
60-80µm
Umrechnungen: 60 - 80µm = 0,06
–
0,08mm
= 2.36
–
3.149mil
= 2362.2 – 3149.6µin
1µm = 39.37µin = 0.03937mil
1µin = 0,0254µm
Ein Größenvergleich
Zum Größenvergleich:
Bohrer mit 0,3mm = 300µm
Durchmesser.
Ein menschliches Haar
Mit einem Durchmesser
von ca. 70µm
Eine Microvia mit
Durchmesser 50µm
Herstellung von Microvias
Geläufigste Methode für die Herstellung von
Micro Vias:
-
Mechanisches Bohren
CO2 Laser Bohren (Infrarot Prozess)
Nd VAG Laser Bohren (UV Process)
Plasma Ätzen aktuell nur bei Flex-Leiterplatten
Micro Vias
Vor- und Nachteile der Herstellungsverfahren:
1) Mechanisches Bohren:
Das komplexe Werkstoffgemisch ist vernachlässigbar.
Der Bohrer kommt überall durch.
•
•
•
Kleinste Struktur: 0,1mm
Max. Aspect Ratio: 1:20
Löcher pro Sekunde: ca. 20
Micro Vias
Vor- und Nachteile der Herstellungsverfahren:
2) Bohren mit dem CO2 Laser
Mit dem CO2 Laser lassen sich keine Metalle, also
auch kein Kupfer bohren. Die Öffnung der Cu-Oberfläche
erfolgt durch einen zusätzlichen fotolithographischen
Prozess. Vorteil: der CO2 Laser-Prozess stoppt automatisch
bei der nächsten Kupferlage.
•
•
•
Kleinste Struktur: 100µm
Max. Aspect Ratio: 1:1
Löcher pro Sekunde: ca. 500 - 1000
Micro Vias
Vor- und Nachteile der Herstellungsverfahren:
3) Bohren mit dem Nd YAG Laser
Der Nd YAG Laser geht durch jedes Material.
Nachteil ist die geringere Geschwindigkeit, verglichen
mit dem CO2 Laser und deshalb werden beide Verfahren
neuerdings gemeinsam angewandt.
•
•
•
Kleinste Struktur: 25µm
Max. Aspect Ratio: 1:1
Löcher pro Sekunde: ca. 100
Micro Vias
10:1
Konventionell
Durchkontaktierung
Aspect
Ratio
1:1
Blind Via,
Sackloch
0,1:1
Source: ESI
0
50
100
150
200
250
Via Größe in µm
300
350
Micro Vias
IR CO2 Laser Bohrung
Micro Vias
UV YAG Laser Bohrung
Micro Vias
60 – 200
Bohrungen
pro Sek.
Kombination CO2 /UV YAG Laser Bohrung
Herstellung eines Microvia
Kupferlaminierter Kern/Core
Herstellung eines Microvia
Pressen von RCC Folien
Herstellung eines Microvia
Laserbohrung der Kupferfolie
Herstellung eines Microvia
Laserbohrung des Dielektrikums
Herstellung eines Microvia
Chemische Galvanisierung
Herstellung eines Microvia
Elektrische Galvanisierung
Herstellung eines Microvia
Laminierung von Dry Film
Herstellung eines Microvia
Entwicklung von Fotoresist
Herstellung eines Microvia
Ätzprozess
Herstellung eines Microvia
Strippen des Fotoresists
HDI Designrules
Wichtige technische Features beim
HDI Aufbau
Wichtige technische Features beim Aufbau von HDI Leiterplatten
Symbol Feature
Merkmal
A
Line width Cu thickness > 35µm Leiterbahnbreite Cu Dicke > 35µm
B
Spacing at Cu thickness > 35µm Leiterbahnabstand Cu Dicke > 35µm
C
Spacing pad to line inner layer
Abstand Pad zu Leiterbahn Innenlage
D
Line width innerlayer Cu > 35µm Leiterbahnbreite Cu > 35µm Innenlage
E
Laser drill size, outer Layer
Laser Bohrdurchmesser Außenlage
F
Landing pad size, inner layer
MV Landepadgröße Innenlage
G
Diameter capture pad, outer layer Durchmesser "FangPad" Außenlage
H
Diameter through hole
Durchmesser Durchkontaktierung
I
Diameter pad through hole
Durchmesser Pad Durchkontaktierung
J
Diameter burried hole pad
Durchmesser Vergrabenes Loch pad
K
Base copper outer layer
Dicke Basis Kupfer Außenlage
L
Dielectric thickness
Dicke Dielektrikum
M
Microvia pitch
Microvia pitch
N
Insulation spacing line p PTH hole Abstand PTH Loch zu Leiterbahn innen
Unit
IPC 2226 Level B Advanced
[µm / mil]
100 / 4
75 / 3
[µm / mil]
125 / 5
100 / 4
[µm / mil]
100 / 4
75 / 3
[µm / mil]
100 / 4
75 / 3
[µm / mil]
125 / 5
100 / 4
[µm / mil]
330 / 13
250 / 10
[µm / mil]
330 / 13
250 / 10
[µm / mil]
230 / 9
125 / 5
[µm / mil]
330 / 13
230 / 9
[µm / mil]
330 / 13
230 / 9
[µm / mil]
18 / 0.7
12 / 0.03
[µm / mil] 60-80 / 2.4-3
60-80 / 2.4-3
[µm / mil]
400 / 15.7
350 / 13.7
[µm / mil]
300 / 12
200 / 7.8
Wichtige HDI Design-Rules
Type 1)
Standard
Type 2)
Type 3)
Type 4)
Type 5)
Gestaffelte V.
Staggered Vias
Stufenförmige V.
Stepped Vias
Übersprungene V.
Skipped Vias
Gestapelte V.
Stacked Vias
Wichtige HDI Design Rules
Index Beschreibung
Unit
A
A1
B
B1
C
D
E
F
G
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
Microvia entry pad size
Microvia entry pad size
Laser drill size
Laser drill size
Dielectric thickness
Capture pad size
Microvia pitch
Anti pad size
Buried hole size
Type 1)
S:
A:
300 250
Type 2)
S:
A:
300 250
Type 3)
S:
A:
400 350
200 200
100 100 100 100 400 350
100 100
60-80 60-80 60-80 60-80 60-80 60-80
300 250 300 250 300 250
400 350
Type 6)
On pad
Type 4)
S:
A:
400 350
Type 5)
S:
A:
300 250
Type 6)
S:
A:
300 250
200
200
100
100
140
400
140 60-80 60-80 60-80 60-80
350 300 250 500 450
400
350
100
250
S:=
A:=
Standard
Advanced
100
200
Wichtige HDI Design Vorgaben
IPC 6012 Klasse 2 Design Vorgaben:
Warum HDI Technologie?
Warum überhaupt HDI/Microvia
Technologie?
Warum überhaupt HDI / Microvia Technologie:
•
•
•
•
•
Schnellere Entflechtung des Layouts
Mehr Flexibilität im Design bei höherer Packungsdichte
Verbesserung des EMV-Verhaltens
Reduzierung der Lagenanzahl
Verkürzung von Leiterbahnlängen und
verbesserte Signalintegrität bei High-Speed Designs
• Einsatz aktueller High-Tech Bausteine nur auf Basis von
HDI/Microvia Technologie möglich
• Kostenreduktion
• Verbesserte Eigenschaften im Bereich Wärmemanagement
Komplexe Bausteine
Technologie benötigen HDI
Platzersparnis durch HDI
Konventioneller Mulitlayer
4,13 dm² [64 sq.in]
Ca. 0,6mm Strukturen
70-90mm/cm² Packungsdichte
50% Einsparung
75% Einsparung
Konventionelle Blind/Buried Vias
2,06 dm² [32 sq.in]
Ca. 130µm Strukturen
150-300mm/cm-2 Packungsdichte
HDI mit Microvia
1,03 dm² [16 sq.in]
Ca. 75µm Strukturen
300-400mm/cm² Packungsdichte
Via in Pads
Via in Pad Techologie
„Dog-Bone“
Micro Vias in Pads
„Dog-Bone“
Layer Stack-up
Was ist ein Stack-up Design?
Das Arrangement und die Position und
Sequenz der Signal und Ground/Power
Lagen innerhalb eines LeiterplattenLagenaufbaus wird Stack-up Design
genannt.
Aufbau einer 10Lagen Leiterplatte
Ein typischer Lagenaufbau bei einer 10Lagen PCB:
Low Speed Signal
Ground
High Speed Signal
High Speed Signal
Power
Ground
High Speed Signal
High Speed Signal
Ground
Low Speed Signal
Solder mask
Prepregs
Core
Prepregs
Core
Prepregs
Core
Solder
mask
Copper
Prepreg
Prepregs
Core
Core
Prepregs
Solder mask
Source: Fineline
Layer Stack up
Der PCB Lagenaufbau ist wichtig:
für das EMV Verhalten und damit für die
Performance eines Produkts.
für die Signalintegrität insbesondere
bei höheren Frequenzen.
Und ist weiterhin wichtig um störende
Emissionen wie z.B. Übersprechen etc.
zu verringern und zu verhindern.
4Lagen Stack-up
Signal 1
Signal 1
Ground
Ground
Power
Power
Signal 2
Signal 2
Solder mask
Copper
Prepreg
Source: Fineline
Core
High-Speed Design
Kontrollierte Impedanzen - High Speed Design
Single Ended (unsymmetrische) Strukturen:
Differentielle Strukturen:
Koplanare Differentielle/Koplanare Strukturen:
Quelle: Polar
High Speed Design
Auszug aus einem abgeschlossenen High-Speed Projekt:
Stack-up Vorschlag an einen Kunden
IC-Substrate Technologie
IC Substrate Technologie
Die voranschreitende Miniaturisierung von Mikrochips führen dazu, dass die
Herstellung der Verbindungen zu den Leiterbahnen auf den Platinen zunehmend
schwieriger wird. Die Strukturen der Halbleiter liegen im Nanometerbereich und
müssen über eine Verbindung auf die mikrometergroßen Kontakte der Leiterplatte
umgelenkt werden.
Früher wurden die Kontakte der Chips seitlich mittels feiner Drähte über ein
gestanztes Blech aus einer Blei-Zinn-Legierung mit den Leiterbahnen
verbunden. Bei modernen Prozessoren, deren Kontakte meist in Form von
winzigen Lötkügelchen über die ganze Unterseite verteilt sind, übernimmt diese
Aufgabe ein IC-Substrat
Trends und neue Technologien
Trends und neue Technologien
Kleiner, mit immer feineren Strukturen,
75µm Leiterbahnbreite wird zum Standard
Schneller; Frequenzen heute schon 75GHz
Dichtere Bestückung durch immer
kleiner werdende Bausteine
Neue Materialien insbesondere für
Hohe Frequenzen (auch im Hybrid-Einsatz)
Das Wärmemanagement der Leiterplatte
wird immer wichtiger
Schlusswort
Einleitung
Die Grenzen zwischen real und digital lösen sich
immer mehr auf. Maschinen denken mit, Fabriken
werden wandlungsfähig. Und das ist erst der Anfang:
Künftig werden Roboter und Menschen noch viel
stärker Hand in Hand arbeiten.
Schon heute sind Autos Hochleistungsrechner, künftig
werden sie vernetzte Rechenzentren sein.
Die Basis jeder Elektronik ist und bleibt die
Leiterplatte die immer mehr zu einem elektronischen
Bauteil wird.
Einleitung
Suchen Sie sich heute schon einen Partner im
Bereich der Leiterplatte, mit dem Sie gemeinsam
die zukünftigen Herausforderungen meistern
können.
Wir würden uns freuen, wenn Sie sich dabei für
FINELINE entscheiden würden.
Vielen
Dank