Toleranzproblematik der Kupferschichtdicke in der Fertigung

Autor / Redakteur: Michael Schleicher * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Gerade bei der Aufbau- und Verbindungstechnologie für Leiterplatten, speziell den Kupferquerschnitten, ist es lohnend, bei der Frage „Darf's ein bisschen mehr sein?“ näher hinzusehen.

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Abbildung 1: Einfluss des Ätzfaktor auf die Leiterzuggeometrie
Abbildung 1: Einfluss des Ätzfaktor auf die Leiterzuggeometrie
(Bild: Semikron)

In letzter Zeit rückt der Fokus vermehrt auf Entwärmungskonzepte (LED), die mit großen Kupferquerschnitten oder niedrigen Rth-Werten vorhandene Hotspots entwärmen. Bei Stromversorgungskonzepten für z.B. μC-Schaltungen wird immer mehr auf ausreichend niederohmige Spannungsversorgungen geachtet. Durch die reduzierten Leiterbreiten, etwa zwischen Vias und BGA-Pins hindurch, erhöhen sich die Stromdichten erheblich. Hier gibt es inzwischen auf der Seite der EDA-CAD-Anbieter Tools, die die Stromdichte auf Kupferflächen darstellen.

Der klassische Grund für die Notwendigkeit von großen Kupferquerschnitten – eine sehr große Menge Strom zu tragen – nimmt zwischenzeitlich wieder eine wichtigere Rolle ein: In der Elektromobilität, deren Fahrzeugen verschiedenster Art und die dazu gehörigen Regelungsschaltungen für Generatoren und Motoren. Vor allem hier liegen die Belastungen der Leiterbahnen nahe am Grenzbereich. Dort gewonnene Erkenntnisse lassen sich nach unten skalieren: Multilayeraufbauten für Mikrocontrollerschaltungen und dergleichen, dünne Substrate, vielpolige Anschlüsse bei BGA-Gehäusen.

Die Kupferfolie als Basis aller Leiterplatten

Kupferfolie wird typischerweise in zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt. Bei flexiblen Leiterplatten werden gewalzte Kupferfolien höherer Duktilität eingesetzt. Für starre Leiterplatten werden galvanisch erzeugte Folien eingesetzt. Vereinfacht gesagt wird eine rotierende Metallwalze mit großem Durchmesser zum Teil in ein galvanisches Bad eingetaucht. Durch den Zusammenhang von Drehbewegung und Stromdichte kann dann die gewünschte Kupferschicht auf der Walze abgeschieden werden. In einem Rolle-zu-Rolle-Prozess wird die Kupferfolie abgezogen und weiterverarbeitet.

Die Standards für die Kupferschichtdicken sind allgemein bekannt und im anerkannten IPC-Regelwerk 4562 beschrieben (1 oz entspricht etwa 35 µm). Ursprünglich wurde die Schichtdicke als Flächengewicht beschrieben: 1oz/ft2, mit ft = Fuß und oz = Unze. Dabei entspricht eine Unze Kupfer etwa 28,35 g. Umgerechnet auf einen Quadratmeter sind das 305,16 g. Diese Angabe kann der IPC-4562 (Tabelle 1-1) entnommen werden. Ausgehend davon ist es möglich die verschiedenen Dicken der Kupferfolien zu berechnen, in unserem Fall 1 oz = 34,1 μm. Üblicher Weise wird in der Leiterplattentechnologie diese Dicke mit 35 μm bezeichnet.

Die Tabelle 1-1 der IPC-4562 gibt die nominellen Werte an. In Punkt 3.4.4 werden die Toleranzen für galvanisierte Kupferfolien angegeben: Das Mindestgewicht für galvanisch hergestellte Folien, inklusive Treatment, sollte +/- 10 % des nominellen Wertes aus Tabelle 1-1 liegen. In Zahlen ausgedrückt, heißt das zwischen 335,5 und 275,5 g/m2.

Ist die gewünschte Schichtdicke ausgewählt, ist zu verifizieren, wie sie am Markt beschaffbar ist. Werfen wir einen Blick in die Datenblätter der Kupferfolienhersteller: Für 1 oz Kupferfolien gibt Hersteller A als typischen Wert 285 g/m2, Hersteller B 290 g/m2 und Hersteller C wiederum 285 g/m2 an. Verglichen mit dem nominellen Wert liegt die typische angelieferte Schichtdicke der drei Hersteller nur bei 93 – 95 % oder zwischen 31 und 32 μm. Die interessante Erkenntnis: 35 μm sind „ab Werk“ nicht beschaffbar.

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