Entwerfen von Miniatur-Leiterplatten

Da die Elektronikbranche immer kleinere Bauteile verlangt, untersucht Jan Pederson, welche Auswirkungen dies auf das Design von Leiterplatten hat

Die heutige Elektronikindustrie ist durch einen starken Trend zur Miniaturisierung gekennzeichnet. Die Bauteile werden immer kleiner, was auch neue Anforderungen an die Gestaltung der Bauteile mit sich bringtLeiterplatten(PCBs), auf denen sie montiert sind.NCAB-Gruppeengagiert sich für die Arbeit der globalen Normungsvereinigung IPC zur Entwicklung von Standards für ultradichte Ultra-HDI-Leiterplatten und wird in der Lage sein, diese noch in diesem Jahr an Kunden auszuliefern.

Derzeit gibt es mehrere neue Innovationen und Technologien bei der Entwicklung und Herstellung von Leiterplatten. Das erste istHochdichte Verbindung (HDI)-Technologie, die eine höhere Komponentendichte und verbesserte Leistung in kleineren Formfaktoren ermöglicht. Ein weiterer Innovationsbereich sind flexible Leiterplatten für flexible und tragbare Elektronik, bei denen eine verbesserte Haltbarkeit und ein verbesserter Formfaktor von Interesse sind.

Darüber hinaus gewinnen Microvias – die als Verbindungen zwischen Schichten in HDIs und PCBs verwendet werden – in der Branche zunehmend an Interesse, da kleinere Vias eine höhere Komponentendichte und eine verbesserte Signalintegrität ermöglichen. Der Einsatz spezieller Materialien wie Keramik, Verbundwerkstoffe und Nanomaterialien zur Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit von Leiterplatten nimmt ebenfalls zu, ebenso wie das 3D-IC-Stacking, bei dem mehrere Schichten integrierter Schaltkreise gestapelt werden, um die Komponentendichte zu erhöhen und die Leistung zu verbessern.

Wir wissen, dass Hersteller zur Implementierung dieser Technologien in modernisierte Geräte und Prozesse investieren und qualifizierte Arbeitskräfte aufbauen müssen, die im Umgang mit diesen neuen Technologien geschult sind. Darüber hinaus müssen geeignete Design- und Simulationstools verwendet werden, um sicherzustellen, dass das PCB-Design für diese neuen Technologien optimiert ist und zuverlässig hergestellt werden kann.

Wir sehen eine Vielzahl innovativer Produkte, die den Bedarf an HDI steigern, beispielsweise bei Wearables, bei denen PCBs in tragbare Geräte wie Smartwatches, Fitness-Tracker und Kleidung integriert werden. In diesem Fall werden Leiterplatten aus flexiblen Materialien hergestellt, die ein vielseitigeres Design und Paket ermöglichen. Das florierende Internet der Dinge (IoT), künstliche Intelligenz (KI) und 5G-Technologie sind einige der Branchen, die die Fertigung auf ein neues Niveau bringen. Diese Technologien müssen integriert werden, daher erfordert die Implementierung sorgfältige Überlegungen während der Entwurfsphase, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Verpackungstechniken wie Chip-on-Board (COB) und Flip-Chip sowie die Integration dieser Technologien direkt auf einemLeiterplattekann als „substratartiges PCB“ bezeichnet werden.

Zu definieren alsUltra-HDI-Board , muss eine Leiterplatte mehrere unterschiedliche Merkmale aufweisen. Erstens muss die Leiterbreite, der Isolatorabstand und die Dielektrikumsdicke unter 50 µm liegen. Darüber hinaus wird die Leiterplatte einen Mikrovia-Durchmesser von weniger als 75 µm und Produkteigenschaften aufweisen, die über den bestehenden IPC 2226 Level C-Standard hinausgehen.

Bei NCAB arbeitet eine spezielle Gruppe in unserem internen technischen Rat daran, unsere Fabriken beim Aufbau von Kapazitäten zur Erfüllung dieser Ultra-HDI-Anforderungen zu unterstützen. Eine wichtige Methode ist das modifizierte Semi-Additive Processing (mSAP), bei dem Kupfer auf einer dünnen Ausgangsschicht aufgebaut wird, anstatt von einer dicken Schicht abgeätzt zu werden. Dieses Verfahren ist umweltfreundlicher, da weniger Kupfer verwendet wird.

Die zunehmende Miniaturisierung erfordert auch, dass das Muster mit einer ausreichend hohen Auflösung auf die Platine übertragen werden kann. Daher muss die Fabrik über modernste LDI-Funktionen (Laser Direct Imaging) verfügen. Darüber hinaus muss die Umgebung äußerst sauber sein, um Verunreinigungen und Staub zu vermeiden, was erhebliche Investitionen erfordert. Auch Testprozesse und automatisierte optische Inspektionsgeräte (AOI) müssen aktualisiert werden, um potenzielle Leiterplattenfehler zu erkennen und zu vermeiden. Ebenso muss man beim Verkupfern auf die Ausrüstung und die Chemie achten. Infolgedessen wird die Miniaturisierung einen Bedarf an saubereren und homogeneren Materialien erzeugen.

Die NCAB-Fabriken haben sich nun voll und ganz dem Ausbau ihrer Ultra-HDI-Kapazitäten verschrieben und gehen davon aus, dass sie ab 2023 mit der Auslieferung von Ultra-HDI-Boards beginnen können.

Um dies zu erreichen, verfügt NCAB über ein neues Tool, mit dem überwacht werden kann, wie bereit das Unternehmen für die Einführung einer neuen Technologie ist:Bericht zur Bereitschaft neuer Technologien (NTRR). Der Bericht basiert auf der Definition dessen, was das Unternehmen im Hinblick auf Transparenz gegenüber seinen Kunden tun wird und was nicht.

Dazu benötigen wir zunächst internes Wissen über Fabrikmanagement, Beschaffung, Auditierung und Qualifizierung. Gemeinsam mit der Fabrik definieren wir unsere Leistungsfähigkeit und erstellen darauf aufbauend Design for Manufacture (DfM) und Seminare für Kunden. Nach einer Weile der gewonnenen Erkenntnisse können wir eine etablierenFehlermöglichkeitseffektanalysen(FMEA), das in unser aktualisiertes DfM und unsere Seminare einfließt.

Dabei aktualisieren wir unsere Bereitschaft in einem für Kunden transparenten NTRR; Bei der Einführung einer neuen Technologie müssen wir Sicherheitselemente frühzeitig erkennen und die gewonnenen Erkenntnisse aktualisieren. Anschließend können wir eine FMEA erstellen, in der wir die Art des Fehlers überwachen, Tests und Inspektionen hinzufügen und dann das Auftreten, die Erkennung und den Schweregrad überwachen. Der Zweck besteht darin, den Ertrag zu steigern und ein akzeptables Niveau zu erreichen.

Jan Pederson ist Technologiedirektor beiNCAB