Während viele Unternehmen und Forschungsinstitute seit einiger Zeit an Möglichkeiten arbeiten, die ins Stocken geratene Entwicklung von High-Density-Interconnect(HDI)-Leiterplatten mit dem Platzieren aktiver Bauelemente auf den Innenlagen von Multilayern zu beleben, hat Würth Elektronik die Herstellung von Lasercavities vorangetrieben und perfektioniert. Bei der neu entwickelten Lasercavity-Methode wird in einem ersten Schritt die Kupfer-Oberfläche eines Multilayers ätztechnisch oder mit dem UV-Laser geöffnet. Der dann zum Einsatz kommende CO2-Laser entfernt das Dielektrikum, bis er auf eine weitere innen liegende Kupferfläche trifft. Diese bezeichnet man als Stoppfläche, weil ein CO2-Laser Kupfer nicht durchdringen kann. Entscheidend dabei ist, dass die Steuerung des Laserstrahls und die Energiedichte aufeinander abgestimmt sind. Anders als beim Bohren von Mikrovias muss der Laserstrahl hier in einer speziell festgelegten Abfolge das Dielektrikum entfernen, um einen gleichmäßigen Materialabtrag zu erzeugen. Ergebnis dieses Vorgehens: Lasercavities mit neuen, positiven Eigenschaften. Ihr markantester Vorteil besteht in der Feinheit, mit der sie produziert werden können. Dimensionen von 0,1 bis mehrere Millimeter sind unproblematisch. Hinzu kommt die geringe Tiefentoleranz. Die Tiefe einer Lasercavity ist durch den Multilayeraufbau (Abbildung 1) bestimmt. Bedingt durch die große Wellenlänge (10.600 nm) kann der CO2-Laser Kupferlagen nicht durchdringen. Demzufolge ist die Tiefentoleranz im Prinzip nur noch von den Basismaterialien und der Platzierung der Stoppflächen abhängig. Auch die mögliche Anzahl der Lasercavities spricht für das neue Verfahren. Erste Serienprodukte besitzen über 1.000 Lasercavities auf einem einzigen Produktionspanel bei nur 3 mm x 3 mm Kantenlänge und bei einer Tiefe von 150 µm (Abbildung 2). Eine solche Applikation ließe sich mit einer mechanischen Fräsmaschine technisch nicht mehr realisieren.Weiterer Pluspunkt der Lasercavity-Methode: die Positionsgenauigkeit. In einer unten beschriebenen Applikation hat man sie genutzt, um LEDs mit einer Sockelkantenlänge von 200 µm in eine Matrix zu platzieren. Hierbei beträgt die Dichte der LEDs ca. 12.000 pro dm². Auf der Rückseite der Applikation wurde ein Aluminium-Heatsink laminiert, um die Verlustwärme der LEDs aufzunehmen und abzuführen (Abbildung 3).
* Würth Elektronik
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PCB als Präzisionsbauteil für optischen Sensor
In dem erwähnten praktischen Anwendungsfall hat der Hersteller zusammen mit den Sensor-Experten von Sick eine Platine entwickelt, bei der man ohne konventionelle Herangehensweisen gearbeitet hat. Dabei sah Sick die Leiterplatte nicht mehr nur als Bauteilträger und Verdrahtungsgrundlage, sondern als individuelles Gestaltungselement (Abbildung 5). Auf diese Weise wird die Leiterplatte zum Präzisionsbauteil für einen optischen Sensor. Die entsprechend geforderten Toleranzen, die in allen Raumrichtungen einzuhalten sind, um die Verbindung zwischen Lasertechnik, Optik und elektronischer Auswertung auf einer Platine zu gewährleisten, waren nur durch die Verwendung einer Lasercavity zu erzielen. Ein ähnlicher Fall – allerdings mit gegenteiligen Anforderungen – demonstriert, wie vielseitig das Bearbeitungsverfahren ist (Abbildung 6). Dabei handelt es sich um elektrisch getrennte Ebenen (Potentiale) in einer zweistufigen Lasercavity. Im Gegensatz zur Sick-Anwendung, bei der es um die Metallisierung der Cavity-Seitenwände ging, ist hier das Gegenteil gefordert: In die viereckige, innere Lasercavity hat man eine Hochleistungsdiode eingesetzt. Das machte es erforderlich, die Bodenfläche thermisch an einen passiven Kühlkörper anzuschließen. Realisiert wurde dies über Mikrovias, die man von der Bottom-Seite her gebohrt und metallisiert hat. Über eine Wärmetransferfolie wird der Aluminiumkühlkörper gegen die Leiterplatte laminiert. Die mittlere, runde Ebene dient zur elektrischen Ankontaktierung des Bauelementes.
Orientierung der Chips bestimmt Integrationsdichte
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 den immer kleineren Endgeräten schrumpft und so weniger Fläche für die konventionelle Bestückung übrig bleibt. Eine weitere Verkleinerung der Bauelemente ist aufgrund der Lötstoppmasken-Problematik auch nicht mehr möglich. Einziger Ausweg: das Ausweichen auf die innen liegenden Lagen des Multilayers. Bei der inzwischen auch möglichen Integration aktiver Bauelemente in die Leiterplatte ist für eine Erhöhung der Integrationsdichte letztlich aber die Orientierung der Chips ausschlaggebend – also „face up“ oder „face down“ (Abbildung 4). Ist die Orientierung der aktiven Chipfläche „face up“ und zeigt in Richtung der Außenlagen des Multilayers, erfolgt die Ankontaktierung von außen. Die wohl interessanteste Lösung, aktive Komponenten einzubetten, ist es, eine Lasercavity am Boden zu strukturieren und die Anschlusspads beispielsweise für Flip-Chips zu schaffen. Der Lasercavity-Ansatz kontaktiert den Flip-Chip „face down“ in den Multilayers. Die Entflechtung erfolgt auf der Ankontaktierungslage, also den innen liegenden Strukturen des Multilayers, so dass die Außenoberfläche nicht einbezogen werden muss und für andere Funktionen zur Verfügung steht.
Lötung entscheidet über Systemzuverlässigkeit
Die Integration der Komponenten in eine Lasercavity erfolgt im Fall der Elektronik-Anwendung des Herstellers mit einem patentierten Thermokompressionsverfahren. Dabei wird in die Cavity ein anisotroph-leitfähiger Kleber eingebracht, um danach die Komponente einzusetzen. Anschließend erfolgt unter definiertem Druck das Aufheizen des Systems entlang einer Temperaturrampe. Die im Kleber enthaltenen, fein verteilten Lotpartikel schmelzen bei Erreichen der Löttemperatur und verdrängen größtenteils die in dem engen Spalt zwischen Stud Bump und Kontaktpad verbliebenen Reste des Klebers. Im selben Augenblick erfolgt die Lötung der Stud Bumps an den Pads – während parallel dazu der Kleber aushärtet und die Komponente zusätzlich in der Lasercavity fixiert. Insbesondere die Lötung im Engspalt zwischen Stud Bump und Pad ist es, die – bei gleichzeitiger Fixierung durch den Kleber – über die spätere Zuverlässigkeit des Systems entscheidet. Die Entflechtung des Flip-Chips findet direkt auf der Ebene statt, so dass keine zusätzliche Umverdrahtung des Chips bzw. Ankontaktierung durch Mikrovias nötig ist. Zahlreiche Produktionsdurchläufe haben gezeigt, dass sich Lasercavities mit gebondeten Flip-Chips in der Multilayer-Fertigung anschließend ohne Einschränkung mit den Standardverfahren weiterverarbeiten lassen.
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