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
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