CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Folge 8 Aspect-Ratio – elementare Vorgaben für die Konstruktion von Leiterbildstrukturen

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Was Aspect-Ratio ist und wie die Metallisierung von Bohrungen den Multilayer-Aufbau beeinflusst wurde bereits erklärt. Jetzt geht es um das Aspect-Ratio für Leiterplattenbilder.

In der Leiterplattentechnik wird der Begriff „Aspect-Ratio“ (ohne dass weitere Namenszusätze ergänzt werden) als „Aspect-Ratio für Bohrungen“ verstanden. Ursprünglich ist mit der Formulierung des „Aspect-Ratios“ ganz allgemein das mathematische Verhältnis zweier Größen gemeint, die in einer berechenbaren Relation zueinander stehen.

Es gibt im Bereich der Leiterplattentechnik unzählige Relationen. Das Verhältnis des „Bohrwerkzeugsdurchmessers zur kontaktierbaren Bohrtiefe“ ist wohl das bekannteste. Der Grund dafür ist offensichtlich. Das Aspect-Ratio beschreibt die möglichen Werte für die eine Größe in Abhängigkeit von der anderen Größe. Damit ergeben sich situationsabhängig Maximal- oder Minimalbedingungen, also Grenzbedingungen.

Entscheidend für den Nutzen eines Aspect-Ratios ist die Vorabberechnung einer solchen Grenzbedingung, weil damit die Machbarkeit einer späteren Produktqualität zuverlässig vorhergesagt werden kann. Für Bohrungen gibt es eine solche Vorhersage. Die Formulierung und Beschreibung eines Aspekt-Ratios für Leiterbildstrukturen fehlt jedoch bisher.

Anforderung an Leiterbildstrukturen

Das Leiterbild hat in seiner Gesamtheit mehrere Aufgaben. Die Leiterbahnen sorgen für die elektrische Verbindung zwischen den Bauteilen. Der minimale Restring der Vias beschreibt den Toleranzraum der Bohrungen. Der Restring der THT-Bauteile entscheidet mit über die Qualität des Lötmeniskus. Die Ausprägung der SMD-Lötflächen hat einen großen Einfluss auf das Lötergebnis.

Leiterplatten übernehmen in modernen elektronischen Baugruppen längst immer auch eine physikalische Funktion. Bei einer High-Speed-Baugruppe mit differenzieller Signalübertragung ist zum Beispiel die Leiterbahngeometrie ausschlaggebend. Im Prinzip gilt das Gleiche für Netzteile mit Blick auf die Stromtragfähigkeit.

Durch die Anwendung von hochintegrierten Komponenten in BGA-Gehäusen mit Pitch-Abständen bis 400 µm ist die minimale Leiterbahnbreite die maßgebliche Größe für das Routing am CAD-System. Die Auswahl eines BGA legt deshalb auf Grund der der Routing-Geometrien auch die Lagenanzahl des Multilayers fest und daraus wiederum ergeben sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen.

Die Micro-BGAs stellen hohe Anforderungen an die Leiterplattentechnologie. Diese Anforderungen werden nochmals dramatisch zunehmen, wenn sich die nächste Bauteilgeneration durchsetzt, die sogenannten BTCs (= Bottom Termination Components).

Geometrien von Leiterbildstrukturen

Während der Fertigung der Leiterplatte erfolgt die Strukturierung des Leiterbildes vornehmlich subtraktiv. Jede Lage einer Leiterplatte liegt zu Beginn der Strukturierung als durchgehende Kupferschicht vor. Das nicht benötigte Kupfer wird durch einen Ätzprozess in einer Ätzanlage entfernt. Beim Transport durch diese Anlage wird das Ätzmedium von oben und unten auf den Produktionszuschnitt gesprüht. Das Kupfer wird aufgelöst und weggespült. Das zu erzeugende Leiterbild ist durch einen Resist (= Schutz) vor dem Angriff des Ätzmediums geschützt. Als Resist kommt ein fotosensitives Folienmaterial zum Einsatz.

Drei Faktoren beeinflussen den Feinheitsgrad des Leiterbildes: die mögliche minimale Strukturbreite im Resist, der mögliche minimale Abstand zwischen benachbarten Resiststrukturen und die Haftung des Resists auf der Kupferoberfläche. Bedingt durch die Vorgehensweise des Aufsprühens des Ätzmediums werden die Flanken der Bildstrukturen direkt unterhalb des Resists einem stärkeren Angriff des Ätzmediums ausgesetzt, als an der Kupferbasis auf Höhe des Dielektrikums.

An der Unterseite des Leiterbildes (im Bereich des Ätzfußes) ist eine Leiterbahn am breitesten. An der Oberseite des Leiterbildes (im Bereich der Unterätzung) ist eine Leiterbahn am schmalsten. Im Ergebnis ist deshalb der Querschnitt einer Leiterbahn kein Rechteck sondern ein Trapez oder zu mindestens trapezähnlich (Bild 1). Die vom einhüllenden Rechteck abweichende Geometrie wird in ihrer Gesamtheit als Rückätzung bezeichnet.

Die Definition des Tangens Alpha

Die trapezähnliche Geometrie hat zur Folge, dass Fallunterscheidungen getroffen werden müssen. Der Mindestabstand zwischen benachbarten Bildstrukturen muss an der Basis der Leiterbahn gemessen werden. Dort entscheidet sich, in welchem Maß Übersprechen (crosstalk) oder Kriechströme zu erwarten sind und welche Durchschlagsfestigkeit beachtet werden muss. Dieser Abstand ist ebenfalls maßgeblich für den Ex-geschützten Gerätebau. Die Flankenneigung verändert die Gesamtfläche der Oberfläche und den Abstand zusammengehörender Leiterbahnpaare bei differentieller Signalübertragung. Damit ändert sich auch die kapazitive Einkopplung und in Folge dessen der Impedanzwert.

Die Unterätzung des Resists an der Oberseite eines Leiterbildes bestimmt die Breite der Leiterbahn. Weil ein SMD-Pad letztlich nichts anderes ist als ein Leiterbahnsegment, wird damit aber gleichzeitig auch auf die Lötfläche und die Grundfläche eines Bondpads und sogar auf den Restring für ein THT-Bauteil Einfluss genommen.

Die Auswirkungen der Rückätzung auf die Weiterverarbeitung der Leiterplatte während der Baugruppenbestückung und auf die elektrophysikalische Funktion des Gerätes sind massiv. Die Vorhersage der effektiven Breite der Leiterbildstruktur an der Oberseite ist deshalb dringend erforderlich.

Weil das geometrische Ätzergebnis individuell von der Anlagentechnologie des Leiterplattenherstellers abhängt und weil das Ätzverfahren unterschiedlich sein kann (sauer oder alkalisch), gilt es, eine Beschreibung zu finden, die diese Individualität mit berücksichtigt.

Aus Sicht des Autors ergibt sich die Lösung, wenn dem trapezähnlichen Querschnitt einer Leiterbildstruktur ein Rechteck eingeschrieben wird. Links und rechts des Rechtecks bleibt dann jeweils ein Dreieck übrig. Die Kathete parallel zur Basismaterialoberfläche beschreibt die Breite des Ätzfußes. Die senkrecht auf der Basismaterialoberfläche stehende Kathete ist identisch mit der Dicke des Kupfers. Die Hypothenuse beschreibt die (geometrisch idealisierte) Flanke des Leiterbildes.

Der Winkel der Flanke, der Ätzfuß und die Kupferdicke können über die trigonometrische Definition des Tangens in Beziehung gebracht werden (Bild 2).

Es gilt die Formel tan a = Gegenkathete zu Ankathete.

Das Aspekt-Ratio für Leiterbilder

Mit der Beschreibung der Geometrie durch den Tangens Alpha ist die Aufgabenstellung gelöst. Es wird eine Relation zwischen der Kupferdicke und dem Ätzfuß hergestellt, sodass der Tangens-Alpha-Wert als „Aspekt-Ratio für Leiterbilder“ definiert werden kann. Genau wie das „Aspekt-Ratio für Bohrungen“ ist auch das „Aspekt-Ratio für Leiterbahnen“ eine herstellerabhängige Kenngröße, die Auskunft über die individuelle Produktionsfähigkeit eines Fabrikanten gibt.

Die Folgerungen, die sich aus dem „Aspekt-Ratio für Leiterbilder“ ergeben, sind von erheblichem Einfluss. Auf der Basis des Aspekt-Ratios lässt sich nicht nur die Herstellbarkeit einer Leiterbildstruktur belegen sondern auch die Zuverlässigkeit der Baugruppenproduktion.

Weil die Berechnung noch im Vorfeld der CAD-Layout-Erstellung stattfinden kann, ist die sichere Voraussage von hohem Wert für die technisch und wirtschaftlich effektive Planung von Baugruppen aus allen Anwendungsbereichen.

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