Immer kleiner und immer feiner 02.11.2001, 17:31 Uhr

Mehr Packungsdichte für komplexe Elektronik

Die Leiterplatten müssen mit den Fortschritten bei den Mikrochips Schritt halten. Schaltungen hoher Packungsdichte bedeuten einen Technologiesprung, der ebenso einschneidende Folgen haben dürfte wie der Übergang zur Oberflächenmontage Mitte der achtziger Jahre.

Fortschreitende Miniaturisierung bei Bauelementen, Chips und Systemen bedeutet für die Leiterplattenfertigung in den kommenden Jahren einen ebenso einschneidenden Technologiesprung wie infolge der Einführung der Oberflächenmontage (SMT) Mitte der achtziger Jahre. Die höchsten Zuwachsraten sind derzeit auf dem Gebiet der High-Tech-Schaltungen zu erwarten, denn durch die Integrationserfolge bei den Mikrochips ist auch die Verbindungstechnik gefordert. Die Herausforderung ist, feinste Strukturen für Leiterplatten mit hoher Integrationsdichte (High Density Interconnection – HDI) wirtschaftlich zu erzeugen.

Bisher wurden die Kontaktierungsprobleme bei hochpoligen Bauelementen dadurch gelöst, dass ein Teil der Anschlüsse auf eine oder mehrere zusätzliche Signallagen verlegt wurden. Allerdings ist die Produktion von Mehrlagenschaltungen (Multilayer) vergleichsweise aufwendig und damit kostenintensiv. Eine Reduzierung der Lagenzahl lässt sich jedoch in der Regel nur durch feinere Leiterbildstrukturen oder durch geringere Lochdurchmesser erreichen. Um die einzelnen Signallagen der Leiterplatte elektronisch miteinander zu verbinden, werden die Leiterbahnen über so genannte Durchkontaktierungen (Vias), d.  h. gebohrte und anschließend metallisierte Löcher, zur nächsten Ebene bzw. der Plattenunterseite geführt. Da eine Leiterplatte durchaus mehrere tausend Löcher aufweisen kann, ergibt sich schon durch die Reduzierung der Lochdurchmesser ein enormes Einsparpotential. Mechanisch lassen sich allerdings solche Mikrolöcher (Micro Vias) mit einem Durchmesser unter 0,1 mm nur mit Lasern herstellen, während das traditionelle Bohren bei 0,2 mm an die Grenzen stößt.

Micro Vias sind jedoch nur der erste Schritt hin zu noch komplexeren Schaltungen in Feinstleiterstrukturierung. Zu den besonders kritischen Arbeitsschritten zählt hier der gesamte Fotoprozess, mit dessen Hilfe die Kupferkaschierung des Leiterplattenbasismaterials üblicherweise strukturiert wird. Die Feinstleitertechnologie stellt besonders hohe Anforderungen an die Belichtung und an den anschließenden Ätzschritt. Sollen Strukturen unter 0,1 mm Breite und Abstand in der Serienfertigung realisiert werden, sinkt die Fertigungsausbeute zum Teil dramatisch. Abhilfe können hier neue Produktionsmethoden schaffen, die den gesamten Fotoprozess erheblich vereinfachen. Dazu zählt die Laserdirektbelichtung, die den Fotolack direkt mit dem Leiterbild beschreibt. Der herkömmliche Belichtungsschritt mit Hilfe eines Films entfällt komplett.

Technisch ist die Direktbelichtung der bisherigen Kontaktbelichtung überlegen, da sie mehr Flexibilität bezüglich der Losgrößen und eine höhere Strukturauflösung bietet. Die Anzahl der Prozessschritte kann damit erheblich reduziert werden. Laufende Kosten für Reinraum, Filme und Masken, Fotolacke sowie die daraus resultierenden Aufwendungen für die Entsorgung der umweltschädlichen Materialien und Rückstände werden bei diesem Verfahren ebenfalls reduziert. Besonders bei Feinstleitern lässt sich eine höhere Ausbeute erzielen, da die hohe Kohärenz des Laserstrahles eine sichere Abbildung kleinster Strukturen bei minimaler Unterstrahlung ermöglicht. Und durch die höhere Tiefenschärfe des Direktbelichters lassen sich sogar Höhenunterschiede bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Als Zusatzfunktionen sind auch eine automatische optische Panelvermessung sowie individuelle Nutzenkennzeichen denkbar. Noch einfacher ist die Laserdirektstrukturierung, bei der der Laser das Leiterbild direkt in die Kupferkaschierung fräst, also auch kein Resist mehr benötigt wird.

In der Entwicklung neuer Verbindungstechnologien sind auch deutsche Firmen führend. „MOV“ der Karlsruher Firma Inboard ist ein neues Konzept und steht für Mehrschicht-Oberflächen-Verdrahtung. Dieser neue Leiterplattentyp wird auch „Integrale Leiterplatte“ genannt, weil elektronische Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren in die Leiterplatte integriert werden.

Die Integrale Leiterplatte bietet nicht nur feinere Leiterbahnstrukturen und lasergebohrte Sacklöcher von unter 80 µm Durchmesser für die Kontaktierung der Leiterbahnen, auch die elektrischen Daten sind eindrucksvoll. Im Vergleich mit einer konventionellen Mehrlagenverdrahtung geht die Leitungslänge bei gleicher Funktion um 35 % zurück. Die Zahl der Durchkontaktierungen durch alle Lagen reduziert sich gar um 80 %, die Zahl der Signallagen in einem Referenzbeispiel von sechs auf nur noch zwei.

Wichtig aber ist, dass man wieder mit einer einseitigen Bestückungstechnik auskommt. Widerstände und Kondensatoren können gleich als „gedruckte“ Bauelemente mit eingebracht werden. Auslöser für diese Neuentwicklung waren die steigenden Anforderungen an die Arbeitsfrequenz, an die Anzahl der Bauelementeanschlüsse sowie die immer kleiner werdenden Bauformen wie Ball Grid Array und Chip Size Packaging. Schon bei 50 gedruckten Widerständen auf einer Leiterplatte beispielsweise ergibt sich laut Inboard ein Kostenvorteil gegenüber der SMD-Bestückung.

DaimlerChrysler arbeitet an kostengünstigen Lösungen zur optischen Datenübertragung. Ein streifenförmiger Lichtwellenleiter aus Kunststoff, der auf eine so genannte Rückwandplatine aufgebracht ist, verbindet Hardwarekomponenten im Computer über sehr flache, lichtleitende Kunststoffstreifen von bis zu 50 cm Länge. Das neuartige Herstellungsverfahren für die Streifenwellenleiter eignet sich für beliebige Trägermaterialien, insbesondere für Leiterplattenmaterial. Siemens geht einen anderen Weg und integriert die durch Heißprägen hergestellten optischen Leiter in speziellen Leiterplattenlagen. Damit lassen sich passive optische Komponenten wie Verzweigungen realisieren, die eine optische Verdrahtung analog zur elektrischen Leiterplattentechnologie erlauben. Die Leiterplatte entwickelt sich damit vom einfachen Verbindungselement hin zur komplexen Baugruppe.

Auf rund 40 Mrd. Dollar weltweit rechnen der deutsche ZVEI und die amerikanische IPC den Markt für Leiterplatten im Jahr 2001, ein Zuwachs von knapp 10 % gegenüber 1999. Wenn auch die Rekordzuwächse von mehr als 10 % in den wesentlichen Abnehmermärkten wie der Informations- und Kommunikationstechnik vorbei sind, so sind diese Branchen mit rund 5 % Wachstum neben der Automobilindustrie immer noch die wichtigsten Impulsgeber. ACHIM SCHARF

Von Achim Scharf
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