Leiterplattenfertigung mit hohem Aspektverhältnis für durchkontaktierte Löcher

Highleap Electronics bietet Anfragen und Angebote für die Fertigung von Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis an, insbesondere für Designs, die dicke Platinen mit relativ kleinen Bohrungen oder anspruchsvollen Durchkontaktierungsanforderungen kombinieren. Falls ein vorheriger Lieferant Ihr Design aufgrund der Platinendicke, des Bohrungsdurchmessers oder Bedenken hinsichtlich der Durchkontaktierung abgelehnt hat, senden Sie uns bitte den Lagenaufbau und die Bohrtabelle zur konstruktionsspezifischen Prüfung.

Für ein aussagekräftiges Angebot für Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis müssen Leiterplattendicke, Bohrdurchmesser, Lochgröße, Lochtyp, Kupferbedarf und Prüfplan gemeinsam definiert werden. Die Realisierbarkeit des Aspektverhältnisses ist prozessspezifisch; ein allgemeiner Maximalwert garantiert nicht, dass jede Lochgröße, jedes Laminat und jeder Kupferbedarf umsetzbar ist. Highleap prüft die konkrete Konstruktion, bevor der geeignete Fertigungsweg bestätigt wird.

Was ist die Herstellung von Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis?

Bei einer Multilayer-Platine spielen zwei Seitenverhältnisse eine Rolle, und deren Verwechslung ist eine häufige Ursache für Missverständnisse mit dem Leiterplattenhersteller.

Bei durchkontaktierten Löchern berechnet sich das nominale Aspektverhältnis aus der Leiterplattendicke dividiert durch den fertigen Lochdurchmesser. Beispielsweise hat eine 1.6 mm dicke Leiterplatte mit einem fertigen Loch von 0.20 mm ein nominales Aspektverhältnis von 8:1. Mikrovias verwenden eine andere Geometrie und ein anderes Herstellungsverfahren: Ihr Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser sollte anhand der dielektrischen Tiefe und des Via-Durchmessers ermittelt werden, und ihre Grenzwerte sollten nicht direkt mit den Grenzwerten für durchkontaktierte Löcher verglichen werden.

Herausforderungen beim Bohren und Kupferplattieren von Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis

Drei Prozessschritte verschlechtern sich mit steigendem Verhältnis, und zwar aus unterschiedlichen physikalischen Gründen.

• Bohren. Ein langes Bohrloch in einem Verbundlaminat lässt den Bohrer verlaufen und Glasfasern am Austrittspunkt herausziehen – der klassische Grat. Das mechanische Bohren feiner Löcher in dickem Material ist durch das Seitenverhältnis begrenzt, das die Bohrgeometrie und die Ausrüstung ohne Durchbiegung einhalten können.
• Überzug. Das Galvanisierungsbad muss die gesamte Wand des Lochs benetzen. In einem engen, tiefen Loch verläuft der Lösungsaustausch am Boden des Kanals langsamer und die Kupferverteilung ist weniger gleichmäßig. Daher kann die Kupferdicke am Boden der Durchkontaktierung geringer sein als am oberen Ende. Dieser Defekt führt später zu einem Zuverlässigkeitsausfall.
• Befüllung, falls angegeben. Das Füllen von Durchkontaktierungen ist eine separate Anforderung und bringt eigene Material-, Lunker- und Prozessbeschränkungen mit sich. Die geeignete Füllmethode hängt von der Geometrie der Durchkontaktierung und der Anwendung ab; es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass jede durchkontaktierte Durchkontaktierung mit hohem Aspektverhältnis gefüllt werden muss.

Die praktische Grenze lässt sich nicht pauschal festlegen, da sie vom Lochdurchmesser, der Leiterplattendicke, der Beschichtungschemie und der Notwendigkeit der Durchkontaktierung abhängt. Ein Leiterplattenhersteller gibt eine Grenze für seinen eigenen Prozess an. Für Ihre Konstruktion ist diejenige relevant, die der spezifischen Kombination aus Lochgröße und -dicke entspricht. Diese sollte schriftlich bestätigt und nicht aus einer allgemeinen Leistungsliste übernommen werden.

Qualität und Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungsplattierung von Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis

Die Gleichmäßigkeit der Kupferplattierung in einer tiefen Durchkontaktierung ist ein Zuverlässigkeitsfaktor, kein kosmetischer. Eine plattierte Durchkontaktierung besteht aus einem Kupferrohr mit einer durchgehenden Öffnung, durch dessen Wandung der elektrische und thermische Pfad verläuft. Ist die Wand am Rohrboden dünn, weist die Durchkontaktierung eine geringere Strombelastbarkeit und einen höheren Widerstand als vorgesehen auf und erwärmt sich unter Last stärker.

Daraus ergeben sich drei konkrete Konsequenzen, die es wert sind, mit Ihrer bisherigen Misserfolgsgeschichte abgeglichen zu werden:

• Geringere Strombelastbarkeit in der Mitte des Stapels. Eine Stromdurchkontaktierung, die auf dem Papier ausreichend erscheint, kann in der Mitte der Platine, wo das Kupfer am dünnsten ist, thermisch begrenzt sein.
• Fehler im Interconnect-Stresstest, die nicht mit dem Ort des Defekts korrelieren. Eine unterplattierte Verbindung ist oft an der Oberfläche nicht sichtbar. Wenn Ihre Leiterplatten bei einem Verbindungsstresstest an scheinbar einwandfreien Durchkontaktierungen durchfallen, ist dies ein erster möglicher Grund.
• Schlechte Wärmeleistung in gefüllten thermischen Durchkontaktierungen. Eine Fehlstelle in einer gefüllten Durchkontaktierung oder eine dünne Beschichtungsschicht verringert den vorgesehenen Wärmepfad. Dies zeigt sich in der Wärmebildgebung als Hotspot und nicht als Leiterplattenfehler.

Die allgemeinen Prinzipien der Lochplattierungsqualität werden in unseren Überlegungen zur Leiterplattenzuverlässigkeit erläutert , und der spezifische Test zur Erkennung von Unterplattierung wird in unserem Abschnitt zu Verbindungsspannungstests (IST) beschrieben . Die Verbesserung des Ergebnisses hängt häufig von den Design- und Prozessentscheidungen ab, die in unserem Abschnitt zur Verbesserung der Leiterplattenzuverlässigkeit behandelt werden.

Leiterplattenaufbau für Durchgangslöcher mit hohem Aspektverhältnis

Wenn eine Leiterplatte für die Durchkontaktierungsgröße mechanisch zu dick ist, gibt es vier zulässige Wege. Jeder Weg ist mit Kosten verbunden, und die richtige Wahl hängt davon ab, welche Einschränkung tatsächlich vorliegt.

Es gibt eine fünfte Option, die oft die kostengünstigste ist: Prüfen Sie, ob das Aspektverhältnis tatsächlich die entscheidende Einschränkung darstellt oder ob die Anforderungen an die Beschichtung dahinterstecken. Manche Designs werden nicht durch das Bohren, sondern durch die Anforderung, die Durchkontaktierung zu füllen und zu beschichten, begrenzt. Dies ist eine strengere Vorgabe als das Bohren allein. Die entsprechenden Prozesse werden in unseren Abschnitten zu Durchkontaktierungsfüllung und Kupferbeschichtung sowie zu Blind- und vergrabenen Durchkontaktierungen beschrieben .

Durchgangslöcher mit hohem Aspektverhältnis vs. HDI-Mikrovias

Bei Aufbauplatinen ist das begrenzende Verhältnis üblicherweise die Mikrovia und nicht die Durchkontaktierung. Eine Mikrovia wird von einer Seite in das Laminat gebohrt und muss anschließend beschichtet und in der Regel verfüllt werden. Ihr Durchmesser ist deutlich kleiner als der, den eine mechanische Bohrmaschine aufnehmen kann.

Zwei Faktoren machen die Herstellung eines Mikrovia-Stacks schwieriger, als sein Aspektverhältnis vermuten lässt. Erstens ist die Mikrovia ein Blinddurchgang, daher muss die Beschichtung entlang einer Wand, die in massivem Material endet und nicht an beiden Enden offen ist, gleichmäßig sein. Am Boden des Durchgangs treten am ehesten Beschichtungslücken auf. Zweitens wird ein Mikrovia-Stack auf einer Aufbaustruktur aufgebaut, bei der das Kupfergewicht pro Lage im Verhältnis zum Durchgangsdurchmesser hoch ist.

Als Faustregel gilt, dass ein Microvia-Stack aus zwei oder drei Ebenen üblich ist. Jede zusätzliche Ebene erfordert einen zusätzlichen Laminierungs- und einen zusätzlichen Galvanisierungszyklus mit eigenem Ausbeuterisiko. Benötigt ein Design einen tiefen Stack, um Leiterbahnfläche zu sparen, sollte die Lagenanzahl direkt mit dem Routingbedarf verglichen werden, da sich die beiden oft gegenseitig beeinflussen. Die Design-Kompromisse sind in unserem HDI-Stackup-Design und die Fertigungssequenz in unserer Anleitung zur sequenziellen Laminierung für HDI-Leiterplatten beschrieben.

Herstellung dicker Leiterplatten mit kleinen Bohrlöchern

Bei dicken Leiterplatten mit hohem Kupferanteil verstärken sich gegenseitig Probleme mit dem Seitenverhältnis und der Wärmeentwicklung, und genau hier weiten sich die Angebote der verschiedenen Anbieter am stärksten voneinander aus.

Der Grund dafür ist, dass eine dicke Kupferschicht in den Zylinder plattiert werden muss. Das Plattieren eines Zylinders mit einer hohen Kupfermenge in einer tiefen Bohrung ist deutlich schwieriger als das Plattieren mit einer Standardmenge. Die Plattierungszeit verlängert sich, die Badchemie wird stärker beansprucht, und das Risiko von Fehlstellen oder einer zu dünnen Unterseite steigt. Bei einer 3.2 mm dicken Leiterplatte mit 4 oz Kupfer liegt der Unterschied zwischen einer guten und einer mittelmäßigen Fertigung oft eher im Management des Plattierungsprozesses als in den Vorgaben des Entwicklers.

Drei Gestaltungsmaßnahmen verringern die Schwierigkeit:

• Verwenden Sie den größtmöglichen Via-Durchmesser, den die Footprint-Funktion zulässt. eher als die kleinste. Bei einer Leistungsplatine ist dies in der Regel kostenlos, da der erforderliche Ring ohnehin mit dem Bohrer skaliert.
• Die Stromversorgungsdurchkontaktierungen sollten nur dann gefüllt werden, wenn dies aufgrund der thermischen Anforderungen notwendig ist. Das Füllen führt zu einer zusätzlichen Fließstufe, die bei einem hohen Füllverhältnis schwierig zu handhaben ist, und verhindert zudem die visuelle Inspektion des Durchgangs. Eine mit Harz verschlossene oder nicht gefüllte Durchkontaktierung leitet mehr Strom als eine mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierung mit einem Hohlraum.
• Halten Sie das Kupfergewicht über die gesamte Fläche hinweg einheitlich. anstatt schwere und leichte Schichten in einem Arbeitsgang zu mischen, da jede Änderung des Kupfergewichts einen separaten Plattierungszyklus mit einer separaten Dickentoleranz darstellt.

Rückbohren ist die Standardlösung für einen durch eine Sacklochbohrung in Hochgeschwindigkeitsdesigns entstandenen Stummel und wird in unserem Abschnitt zum Rückbohren von Leiterplatten ausführlich beschrieben . Beim Rückbohren wird Material von der Rückseite des Lochs abgetragen, wodurch sich die effektive Bohrungslänge geringfügig verringert. Dies muss bei der Tiefenspezifikation berücksichtigt werden und darf nicht als separater nachträglicher Schritt behandelt werden.

Leiterplattenmaterialien für die Durchsteckplattierung mit hohem Aspektverhältnis

Bei einer dicken Leiterplatte verstärkt sich der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen Kupfer und Laminat, da sich das Kupfer absolut gesehen über die Leiterplattenhöhe weiter ausdehnt. Eine Leiterplatte, die einen Temperaturzyklus auf dem Papier übersteht, kann dennoch an der Grenzfläche zwischen einem dicken Kupferbereich und dem angrenzenden Laminat versagen, wenn das Materialsystem nicht dafür ausgelegt ist.

Die relevanten Auswahlmöglichkeiten sind:

• Tg Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist die Temperatur, bei der das Harz zu erweichen beginnt. Eine Leiterplatte, die während der Montage Reflow-Lötprozessen oder im Betrieb hohen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, benötigt eine Tg, die deutlich über diesem Wert liegt.
• Td ist die Zersetzungstemperatur und ist für eine Platine mit hohem Kupferanteil aussagekräftiger als Tg, da sie den Spielraum angibt, den das Material während eines Pressvorgangs behält.
• Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient in DickenrichtungDer Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) ist der Parameter, der bestimmt, wie stark sich die Leiterplatte bei Temperaturänderungen durchbiegt. Bei einer dicken Leiterplatte reduziert ein CTE senkrecht zur Leiterplattenebene, der gut mit dem von Kupfer übereinstimmt, die Spannung an der Grenzfläche, an der die Delamination beginnt.
• CAF-Beständigkeit Dies ist relevant, wenn die Platine unter feuchten Hochspannungsbedingungen eingesetzt wird, da der leitfähige Faden zwischen einer Durchkontaktierung und einer Masseebene wächst, die durch das Laminat getrennt sind.

Die Materialauswahl für diese Anforderungen wird in unserem Abschnitt über Leiterplattenmaterialien mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) behandelt , ein umfassenderer Vergleich findet sich in unserem Leitfaden zur Leiterplattenmaterialauswahl und die durch Feuchtigkeit bedingten Ausfallmechanismen werden auf unserer Seite zu CAF-beständigen Materialien erläutert. Auch thermische Zyklen bei dicken Leiterplatten sind ein häufiger Grund für die Ablehnung von Leiterplatten in der Endkontrolle; hierzu finden Sie weitere Informationen auf unserer Seite zur Leiterplattendelamination.

Prüfung von durchkontaktierten Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis

Bei einem Build mit hohem Seitenverhältnis ist der Verifizierungsplan genauso wichtig wie der Build selbst. Es gibt verschiedene Methoden, die die in diesem Prozess entstehenden Fehler aufspüren, und jede Methode hat einen spezifischen Zweck.

Die Unterscheidung in der letzten Spalte ist wichtig, wenn Sie zwei Angebote vergleichen. Ein Angebot, das nur die Röntgenprüfung auflistet, zeigt Ihnen nicht die Qualität des Bauteils. Ein Angebot, das die Mikroschnittprüfung anhand eines definierten Probenplans spezifiziert, zeigt Ihnen, wie das Verhältnis überprüft wird. Die Testmethoden und ihre jeweiligen Anwendungsbereiche werden in unseren Leiterplatten-Testmethoden verglichen , falls Sie einen umfassenderen Überblick wünschen. Die Bohrprozesse werden in unserem Leitfaden für lasergebohrte Leiterplatten beschrieben.

Anforderungen an ein Angebot für Leiterplatten mit hohem Seitenverhältnis: Platinendicke und Bohrergröße

Ein Angebot für ein Mainboard mit hohem Seitenverhältnis ist nur dann aussagekräftig, wenn es sich auf die tatsächliche Geometrie bezieht. Vier Informationen beseitigen nahezu alle Unklarheiten:

• Platinendicke und Lagenanzahl, wobei die Schichtung zeigt, wo sich das Kupfergewicht ändert.
• Die BohrdateiOder zumindest die kleinsten und größten Lochdurchmesser sowie den Durchgangslochdurchmesser. Dies ist die mit Abstand wichtigste Datei für den Fertigungsbetrieb, und ein Fertigungsbetrieb, der diese Datei vor der Angebotserstellung anfordert, signalisiert, dass er den tatsächlichen Fertigungsprozess kalkulieren möchte.
• Ob die Durchkontaktierungen gefüllt sindUnd womit? Eine gefüllte Durchkontaktierung hat ein niedrigeres zulässiges Seitenverhältnis als eine nicht gefüllte.
• Die VerifizierungsanforderungDa Mikroschnitt- und Belastungstests zusätzliche Kosten und Zeitaufwand verursachen, die in das Angebot einbezogen werden sollten und nicht erst später entdeckt werden dürfen.

Wenn ein vorheriger Lieferant die Fertigung abgelehnt hat, sollte dies in der Angebotsanfrage zusammen mit den Einwänden erwähnt werden. Lag der Einwand an einer Begrenzung des Seitenverhältnisses, ist dies eine Frage für die Fertigungsroute und lässt sich möglicherweise beantworten. Auch der Preis als Einwand ist zu klären. Nicht zu klären ist hingegen eine Fertigung, die die Geometrie stillschweigend an den Prozess anpasst. Daher sind der Lagenaufbau und die Bohrdatei wichtiger als das Platinenkontur.

Hersteller von Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis für dicke Platinen und kleine Bohrungen

Highleap kann Projekte zur Fertigung von Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis prüfen, bei denen die Geometrie der Durchkontaktierungen, der Kupferbedarf und das gewählte Laminat gemeinsam bewertet werden müssen. Für Käufer, die einen Hersteller von Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis suchen , ist der entscheidende Vergleich, ob der Anbieter die spezifische Kombination aus Leiterplattendicke und Lochdurchmesser unterstützen und die fertige Lochwandkonstruktion verifizieren kann – und nicht nur, ob „hohes Aspektverhältnis“ auf einer Leistungsseite aufgeführt ist.

Für dicke Leiterplatten mit kleinen Bohrungen benötigen wir die Leiterplattendicke, den Bohrdurchmesser, den fertigen Bohrungsdurchmesser, die Anzahl der Bohrungen, das Kupfergewicht, die Lagenanzahl, das Laminatmaterial und die geltenden Abnahmenormen. Falls in der Spezifikation festgelegt, fügen Sie bitte auch Mikroschnitte, Verbindungsspannungstests oder andere Zuverlässigkeitsanforderungen hinzu. Diese Anforderungen können den Prozessplan, den Testumfang, die Lieferzeit und das Angebot beeinflussen.

Wenn das Design auch Blind- oder vergrabene Durchkontaktierungen umfasst, überprüfen Sie den gesamten Aufbau mit dem HDI-Leiterplattenfertigungsservice von Highleap. Bei Projekten, die höchste Zuverlässigkeit erfordern, sollten die relevanten Belastungstests für die Verbindungen und die Zuverlässigkeitsanforderungen an die Leiterplatte in der Angebotsanfrage (RFQ) aufgeführt werden. Reichen Sie das vollständige Paket über die Leiterplatten-Angebotsanfrage ein.

• Angebotspaket: Bohrdateien, Schichtaufbau, Leiterplattendicke, Abmessungen der gebohrten und fertigen Löcher, Anforderungen an die Kupferdicke der Lochwände, Qualitätsklasse und erforderliche Zuverlässigkeitsprüfungen.

Häufig gestellte Fragen zur Leiterplattenfertigung mit hohem Aspektverhältnis

Welches Seitenverhältnis lässt sich auf einer Standard-Mehrschichtplatine realisieren?

Es hängt vom Lochdurchmesser und davon ab, ob die Durchkontaktierung gefüllt werden muss. Daher sollte ein Leiterplattenhersteller seine Grenzen anhand Ihrer spezifischen Kombination und nicht anhand einer allgemeinen Leistungsangabe nennen. Praktischerweise fragen Sie separat nach den Grenzwerten für Ihre kleinste Durchgangsbohrung und Ihre kleinste Blinddurchkontaktierung, da diese Werte in der Regel unterschiedlich sind.

Benötigt eine dickere Platine immer auch dickere Durchkontaktierungen?

Das Verhältnis wird dadurch zwar verbessert, aber die Lösung muss nicht unbedingt eine größere Durchkontaktierung sein. Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen reduzieren die effektive Tiefe, und die Aufteilung der Leiterplatte in Teilstapel beseitigt das Dickenproblem vollständig. Die entscheidende Frage ist, welche Einschränkung tatsächlich relevant ist: Leiterbahndichte, Strombelastbarkeit oder mechanische Steifigkeit.

Kann eine Platine mit hohem Seitenverhältnis mit Kupferpaste gefüllt werden?

Ja, aber das Verhältnis ist geringer als bei einer nicht gefüllten Durchkontaktierung, da die Paste die gesamte Tiefe des Durchkontaktierungskanals durchlaufen muss, ohne einen Hohlraum zu hinterlassen. Ein Hohlraum in einem tiefen Durchkontaktierungskanal ist im Nachhinein nur sehr schwer zu erkennen. Wenn für den Wärmepfad keine Füllung erforderlich ist, ist eine nicht gefüllte, galvanisch hergestellte Durchkontaktierung oft die zuverlässigere Wahl.

Hat das Seitenverhältnis Einfluss auf die Lieferzeit?

Das ist möglich. Schwierige Bohrvorgänge begrenzen die Anzahl der Platinen, die mit einem einzigen Bohrvorgang gefertigt werden können, und schwereres Kupfer in tiefen Bohrrohren verlängert den Beschichtungszyklus. Dies sind reale Kapazitätsengpässe eines Fertigungsbetriebs und kein Grund, für denselben Preis ein langsameres Verfahren anzubieten.

Lässt sich ein bestehendes Design so umstrukturieren, dass das Seitenverhältnis verringert wird?

Sehr oft, ja. Das Ersetzen einer Durchkontaktierung durch eine Sacklochverbindung, das Vergrößern des kleinsten Durchkontaktierungsdurchmessers oder das Verschieben einer Leiterbahnebene auf die andere Seite der Platine sind gängige Anpassungen. Es empfiehlt sich, den Leiterplattenhersteller den Lagenaufbau überprüfen zu lassen, bevor man sich für eine grenzwertige Fertigung entscheidet, da die Korrektur meist geringfügig ist und die Kosten für das Übersehen des Fehlers ein Ausschuss der Platine wären.