Aspect-Ratio – Die Metallisierung von Bohrungen beeinflusst den Multilayer-Aufbau

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ISW / Arnold Wiemers

Das Aspect-Ratio von durchkontaktierten Bohrungen

Bei einem Aspect-Ratio von 1:8 ergibt sich für DK-Bohrungen nach der obigen Definition der Ansatz:

1 : 8 = Bohrwerkzeugdurchmesser [µm] : kontaktierbare Bohrtiefe [µm]

Die Multiplikation beider Seiten der Gleichung mit „kontaktierbare Bohrtiefe [µm]“ ergibt:

(G1) Bohrwerkzeugdurchmesser [µm] = kontaktierbare Bohrtiefe [µm]: 8

Also ergibt sich für das vorgegebene Aspect-Ratio der kleinste mögliche Bohrwerkzeugdurchmesser, wenn die kontaktierbare Bohrtiefe durch 8 dividiert wird. Demzufolge wird hier eine Minimalbedingung beschrieben.

Beispiel : Nehmen wir mal an, für eine zu kontaktierende Leiterplatte mit der klassischen Enddicke von 1,6 mm ( = 1600 µm) soll der kleinste Bohrwerkzeugdurchmesser ermittelt werden. Durch Einsetzen in die Gleichung (G1) ergibt sich :

Bohrwerkzeugdurchmesser [µm] = 1600 [µm]: 8 = 200 [µm]

Damit ist also 200 [µm] bei einem Aspect-Ratio von 1:8 der kleinste Bohrwerkzeugdurchmesser.

Nun kann die Gleichung für die Definition des Aspect-Ratios aber auch nach der „kontaktierbaren Bohrtiefe [µm]“ aufgelöst werden. Es ergibt sich dann:

(G2) kontaktierbare Bohrtiefe [µm] = Bohrwerkzeugdurchmesser [µm] x 8

Also ergibt sich die größte mögliche kontaktierbare Bohrtiefe, wenn der Bohrwerkzeugdurchmesser mit 8 multipliziert wird. Hier wird eine Maximalbedingung beschrieben.

Beispiel: Nehmen wir mal an, die maximal Kontaktierbare Leiterplattendicke ( = Länge der DK-Bohrung) für einen Bohrwerkzeugdurchmesser von 150 [µm] soll ermittelt werden. Durch Einsetzen in die Gleichung (G2) ergibt sich:

kontaktierbare Bohrtiefe [µm] = 150 [µm] x 8 = 1200 [µm]

Somit ist bei einem Aspect-Ratio von 1:8 die maximal zuverlässig kontaktierbare Leiterplattendicke 1200 [µm].

Das Aspect-Ratio von BlindVias

Die gleichen Berechnungsverfahren gelten auch für BlindVias. Ein Aspect-Ratio von 1:1 (….gekürzt „1“) führt dabei zu einem überschaubaren Ansatz :

(G3) 1 = kontaktierbare Bohrtiefe [µm] : Bohrwerkzeugdurchmesser [µm]

Multiplizieren beider Seiten mit „Bohrwerkzeugdurchmesser [µm]“ ergibt, daß gilt:

Bohrwerkzeugdurchmesser [µm] = Kontaktierbare Bohrtiefe [µm]

Auch hier ein Beispiel: Ein BlindVia, das mit einem Bohrwerkzeug von 200 [µm] gebohrt wurde, ist somit bis zu einer Tiefe von ebenfalls 200 [µm] zuverlässig kontaktierbar.

Das klingt einfach und unkompliziert. Es handelt sich bei Aspect-Ratios von 1:8 oder 1:7 oder 1:6 allerdings zweifelsfrei um Vereinfachungen, damit dann auch die „Berechnungen“ auf der Seite des CAD-Designers und/oder des CAM-Bearbeiters einfach sind.

Die Realität der Praxis hat diese Vereinfachung jetzt eingeholt. Bei Leiterplatten in MFT-Technologie ( = Micro-Fineline-Technology) muß man sich in die Grenzbereichen der Leiterplattentechnologie vorwagen. Ergo müssen dann die tatsächlichen Aspect-Ratios für eine Berechnung herangezogen werden und dann bleibt es nicht mehr bei 1:1 sondern bei beispielsweise 1:1,13 (… für BlindVias) oder bei 1:8,5 (… für DK-Bohrungen).

Bohrwerkzeugdurchmesser versus CAD-Bohrdurchmesser

Der Ausdruck „Tool“ bei der Dokumentation der Bohrlegende im Zuge des CAD-Postprozeßes wird irrtümlicherweise als „Bohrwerkzeug“ interpretiert. Gemeint ist jedoch der Enddurchmesser der Bohrung auf der fertigen Leiterplatte. Würde der Leiterplattenhersteller mit dem unter „Tool“ notierten Durchmesser bohren, dann wäre der Enddurchmesser zu klein. Das Metallisieren der Hülse ( = umlaufend 25 µm Kupfer) und das Aufbringen der Endoberfläche ( = umlaufend maximal 20 µm für HAL) können den Enddurchmesser um aufgerundet ca. 100 µm verkleinern.

Die automatische Bestückung bedrahteter Bauteile kann dann zu einem Problem werden. Es hat sich deshalb eingebürgert, auf das „Tool“ einen pauschalen Zuschlag von 100 µm zu geben. Der so ermittelte Wert ist dann der effektive Durchmesser für das Bohrwerkzeug.

Kollisionen

Bedauerlicherweise ist die Praxis uneinheitlicher. Der Materialbezug des Aspect-Ratios ist auf FR4 ausgelegt, im Grenzbereich gelten für andere Materialien abweichende Werte.

Nicht jeder Leiterplattenhersteller gibt einen Zuschlag von 100 µm auf Vias. Manche schlagen auch nur 75 µm oder 50 µm zu. Das erschwert die Vorberechnung der Kupfervolumina.

Weil inzwischen auch Bohrwerkzeuge von 100 µm Durchmesser verfügbar sind, ergibt sich die kuriose Situation, daß der Einsatz dieses Bohrwerkzeuges nur dann erfolgt, wenn am CAD-System ein Enddurchmesser von 100 µm - 100 µm (wg. Zugabe) = 0µm definiert wird.

Bei impedanzdefinierten Leiterplatten müssen für die klassischen Werte von 50 Ohm Single Ended und/oder 100 Ohm differentiell relativ große Lagenabstände von 120 µm bis 150 µm gewählt werden. Die Anzahl der mit einem BlindVia erreichbaren Lagen wird dadurch reduziert. Um mehr Lagen mit einem BlindVia zu erreichen, müßte der BlindVia-Durchmesser zunehmen. Das verschlechtert aber die geometrischen Rahmenbedingungen für das kompakte Routing hochdichter Bauteile (i.e. BGA).

Die Konsequenzen des Aspect-Ratio

Die Gesamtdicke ist 1,6 mm. Das Via hat einen Enddurchmesser von 200 µm. Der Leiterplattenhersteller kann ein Aspect-Ratio von 1:8 zuverlässig produzieren.

Nehmen wir mal an, daß sich während des Layoutens ergibt, daß 2 weitere Lagen benötigt werden. Nehmen wir weiter an, daß sich die Dicke des Multilayers dadurch um 0,2 mm auf 1, 8 mm verändert. Bei einem Aspect-Ratio von 1:8 muß dann der Via-Enddurchmesser von 200 µm auf 250 µm erhöht werden (…das rechnerisch ermittelte Werkzeug von 225 µm ist nicht verfügbar). In Folge erhöht sich der Durchmesser des Viapads um 50 µm.

Dadurch reduziert sich aber der elektrische Sicherheitsabstand zu bereits gerouteten Vias und Leiterbahnen von 100 µm auf 75 µm. Und das bedeutet ein umfangreiches Neurouting bereits fertiger Leiterbilder inklusive der notwendigen Verschiebung bereits plazierter Bauteile.

Fazit

• Das „Aspect-Ratio“ für einen Bohrungstyp ist für den CAD-Layouter eine unverzichtbare Kenngröße für die Konstruktion eines Multilayersystems.

• Die Kontaktierungsstrategie muß Teil der Multilayer-Dokumentation sein. Lassen Sie sich Ihren Aufbau vor Beginn der CAD-Arbeit vom Leiterplattenhersteller Ihres Vertrauens bestätigen.

• Klären Sie im Vorfeld auch das Aspect-Ratio Ihres Serienherstellers ab.

Quellen: Arnold Wiemers, Seminar „Tangens Alpha“; Seminar “drc2”, LA-LeiterplattenAkademie GmbH, Berlin

Alle Teile der Beitragsreihe CAD-, Leiterplatten- und Baugruppentechnik

Beitrag: Fehlerquelle Nummer 1 - das Aspect-Ratio

* Arnold Wiemers, Mitinhaber der LA-Leiterplattenakademie GmbH in Berlin, konzipiert und veranstaltet Fachseminare zu den Themen CAD, Leiterplattentechnologie und Baugruppenproduktion

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