Die grundlegenden Eigenschaften der Leiterplatte hängen von der Leistung der Substratplatte ab. Um die technische Leistung der Leiterplatte zu verbessern, muss zunächst die Leistung der Leiterplatte verbessert werden. Um den Anforderungen der Leiterplattenentwicklung gerecht zu werden, werden schrittweise verschiedene neue Materialien entwickelt und eingesetzt.

In den letzten Jahren hat sich der Schwerpunkt des Leiterplattenmarktes von Computern auf Kommunikationsanwendungen wie Basisstationen, Server und mobile Endgeräte verlagert. Dank mobiler Kommunikationsgeräte wie Smartphones sind Leiterplatten heute kompakter, dünner und funktionaler. Die Leiterplattentechnologie ist untrennbar mit den Substratmaterialien verbunden, was auch die technischen Anforderungen an Leiterplattensubstrate mit sich bringt. Die relevanten Informationen zu den Substratmaterialien werden nun in einem speziellen Artikel zusammengefasst, der der Branche als Referenz dient.

1 Die Nachfrage nach hochdichten und feinen Linien

1.1 Nachfrage nach Kupferfolie

Leiterplatten entwickeln sich zunehmend in Richtung hoher Dichte und dünner Linien, wobei HDI-Platinen besonders im Vordergrund stehen. Vor zehn Jahren definierte der IPC HDI-Platinen mit einem Linienabstand von 0,1 mm/0,1 mm und darunter. Heute erreicht die Industrie im Wesentlichen einen konventionellen Linienabstand von 60 μm und einen modernen Linienabstand von 40 μm. Laut der japanischen Version der Installationstechnologie-Roadmap von 2013 betrug der konventionelle Linienabstand von HDI-Platinen im Jahr 2014 50 μm, der moderne Linienabstand 35 μm und der experimentelle Linienabstand 20 μm.

Bildung des PCB-Schaltungsmusters, das traditionelle chemische Ätzverfahren (subtraktive Methode) nach der Fotoabbildung auf dem Kupferfoliensubstrat, die Mindestgrenze der subtraktiven Methode zur Herstellung feiner Linien liegt bei etwa 30 μm und es wird ein dünnes Kupferfoliensubstrat (9 bis 12 μm) benötigt. Wegen des hohen Preises von dünner Kupferfolie CCL und der vielen Defekte bei der Laminierung dünner Kupferfolie produzieren viele Fabriken 18 μm dicke Kupferfolie und ätzen dann während der Produktion die Kupferschicht. Dieses Verfahren ist prozessintensiv, die Dickenkontrolle schwierig und teuer. Es ist besser, dünne Kupferfolie zu verwenden. Außerdem ist die dünne Kupferfolie im Allgemeinen schwierig zu handhaben, wenn das L/S der PCB-Schaltung weniger als 20 μm beträgt. Es erfordert ein ultradünnes Kupferfoliensubstrat (3 bis 5 μm) und eine ultradünne Kupferfolie, die am Träger befestigt wird.

Neben dünneren Kupferfolien erfordern die aktuellen feinen Leitungen eine geringe Rauheit auf der Oberfläche der Kupferfolie. Im Allgemeinen wird die Kupferfolienschicht aufgeraut, um die Bindungskraft zwischen Kupferfolie und Substrat zu verbessern und die Abziehfestigkeit des Leiters sicherzustellen. Die Rauheit der herkömmlichen Kupferfolie beträgt mehr als 5 μm. Das Einbetten der rauen Spitzen der Kupferfolie in das Substrat verbessert die Abziehfestigkeit. Um jedoch die Genauigkeit des Drahtes beim Leitungsätzen zu kontrollieren, können die eingebetteten Substratspitzen leicht verbleiben und Kurzschlüsse zwischen den Leitungen oder eine verringerte Isolierung verursachen, was bei feinen Leitungen sehr wichtig ist. Die Leitung ist besonders schwerwiegend. Daher werden Kupferfolien mit geringer Rauheit (weniger als 3 μm) oder sogar noch geringerer Rauheit (1,5 μm) benötigt.

1.2 Die Nachfrage nach laminierten dielektrischen Platten

Die technische Besonderheit von HDI-Platten besteht darin, dass sich mit dem Aufbauverfahren (BuildingUpProcess), der üblicherweise verwendeten harzbeschichteten Kupferfolie (RCC) oder der laminierten Schicht aus halbgehärtetem Epoxidglasgewebe und Kupferfolie nur schwer feine Linien erzeugen lassen. Derzeit wird eher das semiadditive Verfahren (SAP) oder das verbesserte halbprozessierte Verfahren (MSAP) eingesetzt. Dabei wird ein isolierender dielektrischer Film zum Stapeln verwendet und anschließend durch stromloses Verkupfern eine Kupferleiterschicht gebildet. Da die Kupferschicht extrem dünn ist, lassen sich leicht feine Linien bilden.

Einer der wichtigsten Punkte der semiadditiven Methode ist das laminierte dielektrische Material. Um die Anforderungen für hochdichte feine Linien zu erfüllen, muss das laminierte Material die Anforderungen an dielektrische elektrische Eigenschaften, Isolierung, Hitzebeständigkeit, Bindungskraft usw. sowie die Prozessanpassungsfähigkeit von HDI-Platten erfüllen. Die derzeit international am häufigsten verwendeten HDI-Laminatmedienmaterialien sind Produkte der ABF/GX-Serie der japanischen Ajinomoto Company. Diese verwenden Epoxidharz mit verschiedenen Härtungsmitteln, um anorganisches Pulver hinzuzufügen und so die Festigkeit des Materials zu verbessern und den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu senken. Auch Glasfasergewebe wird zur Erhöhung der Festigkeit verwendet. Es gibt auch ähnliche Dünnschichtlaminate der japanischen Sekisui Chemical Company, und auch das Taiwan Industrial Technology Research Institute hat solche Materialien entwickelt. ABF-Materialien werden ebenfalls kontinuierlich verbessert und weiterentwickelt. Die neue Generation laminierter Materialien erfordert insbesondere eine geringe Oberflächenrauheit, geringe Wärmeausdehnung, geringe dielektrische Verluste und eine dünne, steife Verstärkung.

Im globalen Halbleiter-Packaging werden keramische Substrate durch organische Substrate ersetzt. Der Pitch von Flip-Chip-(FC)-Packaging-Substraten wird immer kleiner. Die typische Linienbreite/der Linienabstand beträgt aktuell 15 μm und wird zukünftig noch dünner. Die Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen Trägers erfordert vor allem niedrige dielektrische Eigenschaften, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Hitzebeständigkeit. Um die Leistungsziele zu erreichen, werden kostengünstige Substrate entwickelt. Die Massenproduktion von feinen Schaltungen erfolgt derzeit im Wesentlichen im MSPA-Verfahren mit laminierter Isolierung und dünner Kupferfolie. Das SAP-Verfahren ermöglicht die Herstellung von Schaltungsmustern mit einem L/S-Abstand von weniger als 10 μm.

Mit zunehmender Dichte und Dünne von Leiterplatten hat sich die HDI-Platinentechnologie von kernhaltigen Laminaten zu kernlosen Anylayer-Verbindungslaminaten (Anylayer) weiterentwickelt. HDI-Platinen mit Anylayer-Verbindungslaminat sind bei gleicher Funktion besser als HDI-Platinen mit kernhaltigem Laminat. Fläche und Dicke können um etwa 25 % reduziert werden. Diese müssen dünner sein und die guten elektrischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht beibehalten.

2 Hohe Frequenz- und Geschwindigkeitsanforderungen

Die elektronische Kommunikationstechnologie reicht von kabelgebunden bis drahtlos, von Niederfrequenz und niedriger Geschwindigkeit bis hin zu Hochfrequenz und hoher Geschwindigkeit. Die aktuelle Mobilfunkleistung erreicht 4G und wird sich in Richtung 5G bewegen, d. h. mit schnellerer Übertragungsgeschwindigkeit und größerer Übertragungskapazität. Das Aufkommen des globalen Cloud-Computing-Zeitalters hat den Datenverkehr verdoppelt, und Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitskommunikationsgeräte sind ein unvermeidlicher Trend. PCB eignet sich für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsübertragung. Neben der Reduzierung von Signalstörungen und -verlusten im Schaltungsdesign, der Aufrechterhaltung der Signalintegrität und der Sicherstellung der PCB-Herstellung gemäß den Designanforderungen ist ein leistungsstarkes Substrat wichtig.

Um die Geschwindigkeit und Signalintegrität von Leiterplatten zu erhöhen, konzentrieren sich Konstrukteure vor allem auf die elektrischen Signalverlusteigenschaften. Die wichtigsten Faktoren für die Auswahl des Substrats sind die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der dielektrische Verlust (Df). Bei einem Dk-Wert unter 4 und einem Df-Wert von 0,010 handelt es sich um ein Laminat mit mittlerem Dk/Df-Wert. Bei einem Dk-Wert unter 3,7 und einem Df-Wert von 0,005 handelt es sich um Laminate mit niedrigem Dk/Df-Wert. Aktuell steht eine Vielzahl von Substraten auf dem Markt zur Auswahl.

Die derzeit am häufigsten verwendeten Substrate für Hochfrequenz-Leiterplatten sind hauptsächlich Fluorharze, Polyphenylenether (PPO oder PPE) und modifizierte Epoxidharze. Fluorbasierte dielektrische Substrate wie Polytetrafluorethylen (PTFE) weisen die niedrigsten dielektrischen Eigenschaften auf und werden üblicherweise oberhalb von 5 GHz eingesetzt. Es gibt auch modifizierte Epoxid-Substrate wie FR-4 oder PPO.

Neben dem oben genannten Harz und anderen Isoliermaterialien ist auch die Oberflächenrauheit (Profil) des Leiterkupfers ein wichtiger Faktor, der den Signalübertragungsverlust beeinflusst, der durch den Skin-Effekt (Skin-Effekt) beeinflusst wird. Der Skin-Effekt ist die elektromagnetische Induktion, die bei der Hochfrequenzsignalübertragung im Draht erzeugt wird. Die Induktivität ist in der Mitte des Drahtabschnitts groß, sodass sich Strom oder Signal tendenziell an der Drahtoberfläche konzentrieren. Die Oberflächenrauheit des Leiters beeinflusst den Verlust des Übertragungssignals, während der Verlust einer glatten Oberfläche gering ist.

Bei gleicher Frequenz gilt: Je rauer die Kupferoberfläche, desto größer der Signalverlust. Daher versuchen wir in der Produktion, die Rauheit der Kupferoberfläche so weit wie möglich zu kontrollieren. Die Rauheit sollte so gering wie möglich sein, ohne die Bindungskraft zu beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere für Signale im Bereich über 10 GHz. Bei 10 GHz muss die Rauheit der Kupferfolie weniger als 1 μm betragen. Es empfiehlt sich, superplanare Kupferfolie (Oberflächenrauheit 0,04 μm) zu verwenden. Die Oberflächenrauheit der Kupferfolie muss zudem mit einer geeigneten Oxidationsbehandlung und einem Bindeharzsystem kombiniert werden. In naher Zukunft wird es eine harzbeschichtete Kupferfolie mit nahezu keiner Kontur geben, die eine höhere Abziehfestigkeit aufweist und den dielektrischen Verlust nicht beeinträchtigt.