HDI-Leiterplatten - Teil 8

Hole Plugging - Bohrungen mit einem Kupferdeckel versehen

06.11.2007 | Redakteur: Claudia Mallok

Gepluggte Anschlüsse für ein BGA – Bild: ILFA

Dieses Kapitel der HDI- und Mikrovia-Serie soll die neuen Möglichkeiten zur Entflechtung hochkomplexer Leiterplatten in HDI-/SBU-Technologie verdeutlichen. Im Mittelpunkt steht das Hole Plugging, bei dem Bohrungen mit einem Kupferdeckel versehen werden. Das erschließt neue Möglichkeiten für das Leiterplattendesign.

Kennen Sie Hole Plugging? Und wenn ja, verwenden Sie es bereits? Für viele Leiterplattenentwickler, aber auch noch für etliche Leiterplattenhersteller ist dieses Thema noch Neuland oder zumindest Sondertechnologie. Bei der CONTAG GmbH in Berlin hat sich dieses relativ junge Verfahren schon länger etabliert und gehört mittlerweile zu den sicheren Standardtechnologien, die im Tagesgeschäft regelmäßig und mit hoher Zuverlässigkeit eingesetzt werden.

Die Vorteile des Hole Plugging liegen in erhöhter Prozesssicherheit einerseits und in erweiterten Designmöglichkeiten andererseits:

HDI-Leiterplatten werden zumeist im SBU-Verfahren (sequentieller Lagenaufbau) erstellt. Dabei stellen die äußerlich nicht sichtbaren Durchkontaktierungen der Innenlagen Hohlräume dar, die beim Aufpressen der Außenlagen durch das Laminat nicht vollständig verfüllt werden. Dadurch kann es über diesen vergrabenen Bohrungen auf den darüber liegenden Schichten zu Einsenkungen auf den Außenlagen kommen. Diese können zu Prozessproblemen, im schlimmsten Fall sogar zu fehlerhaften Ankontaktierungen führen, sobald ein Anschlusspad über so einer Bohrung liegt. Dies gilt insbesondere für planaritätsempfindliche Bauteile wie BGAs.

Auch kann ein offenes Buried Via in einer inneren Lage nicht als Landefläche für ein Blind Via (hier meist Mikrovia) in den Außenlagen benutzt werden. Dies schränkt die Design- und Entflechtungsmöglichkeiten des Entwicklers ganz erheblich ein.

Bis zu einer gewissen Komplexität kann man mit dieser Einschränkung leben. Große, hochdichte BGAs mit hunderten von Pins und eine doppelseitig gegenüberliegende Platzierung von BGAs sind ohne die Möglichkeit zum Via-in-Pad in der Regel kaum möglich. Daraus ergibt sich für diese Designs die unmittelbare Notwendigkeit, die Bohrungen vollständig, planar und dauerhaft zu verschließen und im Falle einer Via-in-Pad auch an der Oberfläche zu metallisieren.

Die Varianten des Pluggings

Bei CONTAG kommen derzeit drei verschiedene Varianten des Pluggings zum Einsatz:

1) Pluggen von Buried Vias auf Innenlagen: Einsenkungen der Außenlagen werden vermieden und die Prozesssicherheit erhöht.

2) Pluggen von Buried Vias auf Innenlagen: Landepads von Mikrovias können auf oder unmittelbar an diese Buried Vias gesetzt werden.

3) Sequentielles Pluggen von An- oder Durchkontaktierungen auf Außenlagen mit Metallisierung der verschlossenen Bohrungen (Via-in-Pad-Technologie): Bauelementepads (z.B. für BGAs) können direkt über den Vias (meist Mikrovia) platziert werden.

Dies bedeutet einen ganz erheblichen Platzgewinn für die Entflechtung in den Anschlußzonen („Breakout Regions“) hochdichter Bauelemente.

Bild 1 bis 3 zeigen die jeweiligen Varianten in schematischer Darstellung: Pluggen von Buried Vias auf Innenlagen (1), Pluggen von Buried Vias auf Innenlagen (2) und sequentielles Pluggen von An- oder Durchkontaktierungen auf Außenlagen mit Metallisierung der verschlossenen Bohrungen (3).

reales Schliffbild mit den Varianten 1) „Buried Via “ links und 3) „Via-in-Pad“ rechts
reales Schliffbild mit den Varianten 1) „Buried Via “ links und 3) „Via-in-Pad“ rechts

Bild 4 zeigt ein reales Schliffbild mit den Varianten Pluggen von Buried Vias auf Innenlagen (links) und sequentielles Pluggen von An-/Durchkontaktierungen auf Außenlagen mit Metallisierung der verschlossenen Bohrungen (rechts).

Mögliche Risiken und Einschränkungen des Pluggings

Wichtig ist hier vor allem die Erfahrung des Fertigungspartners und die Stabilität seiner Prozesse, um eine ausreichende Belastbarkeit und Langzeitstabilität der gefertigten Leiterplatten sicher zu stellen. Eine hohe Fertigungsqualität mit guten Kantenabrundungen, ausreichenden Kupferstärken in den Hülsen und von Lufteinschlüssen freie Via - Verfüllungen sind dafür die Grundvoraussetzungen. Die CONTAG GmbH garantiert dies ihren Kunden auch bei schnellst gelieferten Prototypen durch ständige Kontrolle mit Prozess begleitenden Schliffuntersuchen.

Werden die Bohrungen mit einem Kupferdeckel versehen, so sollte dieser eine ausreichende Dicke von mindestens 10 µm haben. Damit aber auch weiterhin HDI-übliche feine Leiterbildstrukturen von 100 µm und weniger möglich sind, muß der Kupferaufbau auf diesen (Aussen-) Lagen von entsprechend dünnen Basiskupferstärken von 5 oder 12 µm ausgehen.

Im Gegenzug genügt bei mit Plugging verschlossenen Bohrungen bereits eine minimale Hülsendicke von 15 µm, um eine prozesssichere Weiterverarbeitung zu garantieren. Durch die zusätzliche Verstärkung mit der Harzfüllung ist der Kunde schon bei dieser reduzierten Wandstärke in allen weiteren Prozessschritten einschließlich Löten sicher vor Rissbildung und Delamination.

Fazit: Ein erfahrener Fertigungspartner muß her

Hat man einen erfahrenen Fertigungspartner mit guter, eingefahrener Prozesstechnologie, so zahlt sich der Mehraufwand für Plugging durch deutliche erhöhte Prozesssicherheit und vielfältigere Designmöglichkeiten für den HDI-Leiterplattenentwickler schnell aus. Dann erst sinnvoll mögliche Technologien wie Via-in-Pad sind für den Einsatz von hochpinnigen Bauelementen mit Pinrastern von 800 µm und kleiner zwingend erforderlich.

Da sich auch beim Plugging viele Fertigungsparameter wie oben erwähnt wechselseitig beeinflussen, ist es hier besonders wichtig, kompetente Fertigungspartner zu haben, die dem Entwickler bereits vor endgültiger Festlegung von Design- und Fertigungsparametern zuverlässig beraten können.

Hier finden Sie alle Teile der Beitragsreihe HDI-Leiterplatten.

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