Leiterplatten Von außen nach innen

Die Erhöhung der Integrationsdichte erfordert die optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Platzes auf allen Lagen einer Leiterplatte. Umso mehr, weil der Platz auf den Außenlagen bei immer kleiner werdenden Endgeräten schrumpft und so weniger Fläche für die konventionelle Bestückung übrig bleibt. Das Ausweichen auf die innen liegenden Lagen des Multilayers bleibt als einziger Ausweg.

Seit einigen Jahren werden verstärkt Aktivitäten zur Integration von Bauteilen in die Leiterplatten in unterschiedlichen nationalen und internationalen Forschungsprojekten vorangetrieben. In Asien sind bereits erste Produkte mit eingebetteten Chips am Markt eingeführt. In Europa werden ebenfalls erste Produkte umgesetzt, und bei Leiterplattenherstellern werden die zum Einbetten von Bauelementen benötigten Fertigungstechniken eingeführt. Aber das Einbetten von Bauelementen trägt nicht nur der Miniaturisierung Rechnung. Bisher haben sich solche Baugruppen bei allen durchgeführten Untersuchungen als außerordentlich zuverlässig gezeigt.

Bei Würth Elektronik werden zurzeit zwei unterschiedliche Ansätze zur Integration von Komponenten in die Leiterplatte verfolgt: „Lasercavity“ und „CHIP+“.

  • „Lasercavity“ [1] ermöglicht das Einbetten aktiver und passiver Bauelemente. Es verbindet bekannte Aufbauund Verbindungstechniken miteinander und kann deshalb heute schon als zuverlässiges Verfahren am Markt angeboten werden.
  • „CHIP+“ wird zurzeit in zwei Forschungsprojekten weiterentwicklet und soll bis 2012 marktreif sein. Der einfache Leiterplattenaufbau bei „CHIP+“ bietet das Potential für einen kostengünstigen Prozess und eröffnet zugleich den Einsatz in vielen Leiterplattentechniken. So sind beispielsweise Anwendungen mit gedünnten ICs geplant: 100 μm dicke Flexsubstrate mit integrierten Bauteilen. Auch eine beidseitige Kontaktierung von Chips ist angedacht.

Laser-Präzision in der Serienproduktion

Um aktive Bauelemente in Leiterplatten einzubetten, wird bei „Lasercavity“ per Laser eine Vertiefung ins Substrat gefräst. Hierfür wird an der für die Tiefenfräsung vorgesehenen Stelle zunächst ätztechnisch oder mit einem UV-Laser das Kupfer auf der Oberfläche entfernt. Der nachfolgend zum Einsatz kommende CO2-Laser entfernt das Dielektrikum, bis er auf eine weitere innen liegende Kupferfläche trifft. Diese Kupferfläche wird als Stoppfläche bezeichnet. Da Kupfer Licht mit der Wellenlänge des CO2- Lasers (10,6 μm) reflektiert, stoppt der Laser an der Kupferschicht.

Entscheidend dabei ist, die Steuerung des Laserstrahls und die Energiedichte aufeinander abzustimmen. Anders als beim Bohren von Microvias muss der Laserstrahl hier in einer speziell festgelegten Abfolge das Dielektrikum entfernen, um einen gleichmäßigen Materialabtrag zu erzeugen. Der augenfälligste Vorteil des Laserfräsens liegt in der Kleinheit, in der Kavitäten produziert werden können. Dimensionen von 0,1 mm bis mehrere Millimeter sind unproblematisch. Auch die mögliche Anzahl der Kavitäten spricht für das Laserfräsen. Leiterplatten mit über 1000 Kavitäten – Kantenlänge 3 mm × 3 mm und eine Frästiefe von 150 μm – auf einem Produktionspanel werden z.B. in Serie produziert. Dies wäre mit einer mechanischen Fräsmaschine nicht mehr realisierbar. Lasergefräste Kavitäten werden also gerade dort interessant, wo konventionelle Fräsverfahren an ihre Grenzen stoßen. Hinzu kommt die geringe Tiefentoleranz. Die Tiefe einer lasergefrästen Kavität ist durch den Multilayeraufbau bestimmt. Demzufolge ist die Tiefentoleranz im Prinzip nur noch von den Basismaterialien und der Platzierung der Stoppflächen abhängig.

Der Boden der vom Laser gefrästen Kavität – die Kupferschicht der Stoppfläche – kann strukturiert werden, um z.B. die Anschlussflächen für Flip- Chips zu schaffen. Hier wird der Flip- Chip mit der aktiven Seite nach unten montiert und mit einer Innenlage des Multilayers kontaktiert. Die Entflechtung erfolgt wie die Ankontaktierung auf den innen liegenden Lagen des Multilayers, so dass die äußeren Oberflächen der Leiterplatte nicht einbezogen werden müssen und für andere Aufgaben zur Verfügung stehen.

Die Kontaktierung der Bauelemente in der vom Laser gefrästen Kavität erfolgt bei Würth Elektronik mit einem patentierten Thermokompressionsverfahren. In die Kavität wird zuerst ein anisotroph-leitfähiger Kleber eingebracht, in dem danach das Bauelement eingesetzt wird. Unter definiertem Druck und Hitze schmelzen die im Kleber enthaltenen, fein verteilten Lotpartikel bei Erreichen der Löttemperatur. Das Lot verdrängt größtenteils die in dem engen Spalt zwischen Stud Bump und Kontaktfläche verbliebenen Reste des Klebers. In diesem Augenblick werden die Stud Bumps des Bauelementes mit den Cu-Anschlussflächen verlötet – während parallel dazu der Kleber aushärtet und das Bauelement zusätzlich in der Kavität fixiert.

Insbesondere die Lötung im Engspalt zwischen Stud Bump (Bauelement) und Anschlussfläche (Leiterplatte) ist es, die bei gleichzeitiger Fixierung durch den Kleber über die spätere Zuverlässigkeit der Baugruppe entscheidet. Die nach diesem Verfahren hergestellte „Baugruppe“, mit im Substrat eingebetteten Flip-Chips, lässt sich anschließend ohne Einschränkung mit den Standardverfahren z.B. als Kern zu einem Multilayer weiterverarbeiten. Dies wurde in den zahlreichen Produktionsdurchläufen bewiesen.

Die hohe Positionsgenauigkeit dieses Verfahrens eröffnet auch anderen, hochpräzise Tiefenfräsungen verlangenden Anwendungen neue Wege. Das Potential dieser Technik ist noch lange nicht ausgeschöpft und bietet gerade in der Verbindung zwischen LEDs, Leiterplatte und Kühlkörper enorme Möglichkeiten. Für die Kombination der „Lasercavity“-Einbetttechnik mit den vielen bekannten Methoden und Verfahren der Leiterplattentechnik sind nur einige wichtige Randbedingungen einzuhalten.