CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Folge 5 Aspect-Ratio – Die Metallisierung von Bohrungen beeinflusst den Multilayer-Aufbau

Autor / Redakteur: Arnold Wiemers* / Claudia Mallok

Kein Multlayer würde ohne Kontaktierungen, die metallisierten Bohrungen, funktionieren. Bei der Konstruktion des Multilayers ist das Aspect-Ratio eine unverzichtbare Kenngröße mit weitreichenden Konsequenzen für die Vias sowie die Leiterbahnbreiten und -abstände.

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Leiterplttenfertigung: Die Bohrungen werden in einem galvanischen Bad kontaktiert
Leiterplttenfertigung: Die Bohrungen werden in einem galvanischen Bad kontaktiert

Im Prinzip sind Bohrungen ein Störfaktor für jede elektronische Baugruppe. Das im Bereich einer Bohrung nicht vorhandene Basismaterial ist eine Komplikation für jeden Leiterbahnverlauf. Man würde sofort auf Bohrungen verzichten. Wenn man könnte. Doch erst eine metallisierte Bohrung verknüpft die einzelnen Signalwegabschnitte zu einem funktionalen Netz und versorgt die Baugruppe mit Energie, die das Konglomerat aus Plastik und Metall zum Leben erwachen läßt.

Das Metallisieren der Bohrungen, auch als das „Kontaktieren der Bohrwandungen“ bezeichnet oder einfach nur „Kontaktieren“ genannt, ist also ein unverzichtbarer Fertigungsabschnitt für die Produktion einer Leiterplatte.

Wie das Kupfer in die Hülse kommt ...

Die CAM des Leiterplattenherstellers setzt die CAD-Daten zu einem „Produktionsnutzen“ um. Kombiniert mit einem umlaufenden Service-Rahmen, der Paßmarken, Aufnahmebohrungen, etc. enthält, ergibt sich die Produktionsvorlage, die auf dem „Produktionszuschnitt“ untergebracht wird.

Der Produktionszuschnitt besteht üblicherweise aus den verpreßten Basismaterialien mit dem bereits fertigen Leiterbild auf den innenliegenden Kernen. Wenn ein Multilayer BuriedVias enthält, dann besteht der Produktionszuschnitt temporär aus einem teilfertigen Materialblock.

In den Produktionszuschnitt werden durch „Bohren“ oder „Lasern“ die erforderlichen Löcher eingebracht. Dem schließt sich der galvanotechnische Prozeß des Kontaktierens an. Der Dickenaufbau des Hülsenkupfers erfolgt in einem Galvanoautomaten in einem kathodisch-anodischen Verfahren mit Hilfe eines elektrischen Feldes. Damit dieser Prozess jedoch funktionieren kann, müssen die Dielektrika in der Hülse vorab elektrisch leitend werden, zum Beispiel durch die Beschichtung mit Graphit.

Leiterplttenfertigung: Die Bohrungen werden in einem galvanischen Bad kontaktiert
Leiterplttenfertigung: Die Bohrungen werden in einem galvanischen Bad kontaktiert
Die für den gesamten Kontaktierungsprozess benötigten chemischen Reagenzien werden in wäßriger Lösung in den Galvanobädern zur Verfügung gestellt. Die gebohrten Produktionszuschnitte werden in diese Bäder getaucht. Die Reagenzien müssen die Bohrhülsen für eine definierte Zeit durchfluten, damit die Chemie wirken kann. Anschließend müssen die Reagenzien genauso definiert und rückstandsfrei wieder aus der Hülse herausgespült werden.

Das Durchfluten der Hülsen hängt ab von der Bewegung des Produktionszuschnittes im Bad, vor allem aber vom Lochdurchmesser (= Bohrdurchmesser) und von der Hülsenlänge (= Dicke der Leiterplatte oder des teilfertigen Materialblocks).

Notwendigkeit und Definition des Aspect-Ratios

Ein Multilayer funktioniert ohne kontaktierte Bohrungen nicht. Das Kontaktierungskupfer hat aber einen noch weitergehenden Einfluß. FR4, das hauptsächlich eingesetzte Basismaterial, ist ein schlechter Wärmeleiter. Die Entwärmung einer Leiterplatte/Baugruppe findet primär über die Leiterbilder und das Hülsenkupfer statt. Ebenfalls muß die mechanische Stabilität der Leiterplatte berücksichtigt werden. Die Dicke des Hülsenkupfers vermindert die Z-Achsenausdehnung ( = Gefahr der Delamination) und muß auf das mögliche Einpressen von Bauteilen (…Stifte, Bolzen, Nieten) abgestimmt sein.

Mit der Verkleinerung der Leiterbildgeometrien sind auch die Bohrdurchmesser verkleinert worden. Enddurchmesser von Vias von 200 µm sind Standard geworden. Höherwertigere Baugruppen benötigen bereits Leiterplatten mit Enddurchmessern von Vias von 150 µm oder von 100 µm.

Wenn die Bohrdurchmesser kleiner werden, dann gewinnen die physikalischen Strömungsverhältnisse im Galvanobad an Bedeutung. Der Kapillareffekt und die Oberflächenspannung des Wassers und/oder der eingesetzten chemischen Lösungen beeinträchtigen die Durchflutung der Hülsen.

Da die Leiterplatte/Baugruppe zuverlässig funktionieren muß, ist für den CAD-Designer die vorausschauende Aussage wichtig, unter welchen Bedingungen Mängel in der Kupferbelegung der Hülse zu erwarten sind, oder umgekehrt ausgedrückt, unter welchen Bedingungen die Produktionssicherheit hoch ist. Erst dann kann für das CAD-Design die minimal mögliche Geometrie von Bohrungen festgelegt werden.

Definition: Das Aspect-Ratio für Bohrungen in Leiterplatten ist Quotient aus Bohrwerkzeugdurchmesser und der kontaktierbaren Tiefe dieser Bohrung
Definition: Das Aspect-Ratio für Bohrungen in Leiterplatten ist Quotient aus Bohrwerkzeugdurchmesser und der kontaktierbaren Tiefe dieser Bohrung
Somit gibt es offensichtlich einen Zusammenhang zwischen dem Durchmesser einer Bohrung und der kontaktierbaren Tiefe dieser Bohrung. Historisch vereinfacht wurde dieser Zusammenhang als eine mathematische Relation (…i.e. Verhältnis (= engl.: „Aspect-Ratio“)) definiert:

Aspect-Ratio = Bohrwerkzeugdurchmesser [µm] : Kontaktierbare Bohrtiefe [µm]

Ist das Aspect-Ratio bekannt, dann kann mit diesem Ansatz gerechnet werden. Nun ist das jedoch nicht ganz so einfach, weil das Aspect-Ratio einerseits von der Qualität der Galvanoanlage des jeweiligen Leiterplattenherstellers abhängt. Und andererseits, weil das Aspect-Ratio nicht für alle Bohrklassen identisch ist.

Bei DK-Bohrungen ( = durchkontaktierte Bohrungen und BuriedVias) kann die Bohrhülse mit Chemie durchflutet werden. Ein üblicher Wert für das Aspect-Ratio von DK-Bohrungen liegt hier heute bei 1:8.

Bei BlindVias muß die Chemie vorwärts in die Hülse eingebracht und rückwärts wieder entfernt werden. Ein üblicher Wert für BlindVias liegt hier bei 1:1.

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