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Anwendungen des Aspekt-Ratios für Leiterbilder

Für die Berechnung des minimalen Abstandes und der größten Weite zwischen den Leiterbildstrukturen ist die tatsächliche Geometrie der Flanke unerheblich. Es genügt, wenn mit Hilfe des Tangens die pauschale Steigung der Flanke errechnet werden kann. Mit einfachen geometrischen Verfahren lässt sich weiterhin beweisen, daß der Wert für die Breite des Ätzfußes identisch auch für die Breite der Unterätzung gilt.

Ist die Kenngröße „Tangens Alpha“ eines Herstellers bekannt, dann lässt sich daraus die Rückätzung errechnen. Zwei Beispiele erläutern die Anwendung dieser Kenngröße.

Beispiel 1 – Flächen für Bondpads: Bei zu bondenden Bauteilen müssen die Bondflächen oft sehr dicht gepackt werden. Bondflächen von 70 oder 80 µm Breite sind keine Seltenheit. Wird das Bauteil in der CAD-Bibliothek mit 70 µm angelegt, dann führt die Rückätzung des Leiterbildes zu einer definitiv unbrauchbaren Bondfläche.

Für einen (durchaus üblichen) Flankenwinkel von 25° ergibt sich ein Tangens von 0,47. Bei einer Kupferdicke von 35 µm ergibt das eine Reduzierung der Bondfläche auf der Oberseite der Leiterbildstruktur von umlaufend 16,3 µm oder von 32,6 µm im Durchmesser.

Von den 70 µm laut CAD-Bibliothek bleiben demnach nach dem Ätzen nur noch 37,4 µm übrig. Das ist offensichtlich unbrauchbar. Wird dagegen die Rückätzung bereits in der Bibliothek kompensiert, dann ergibt sich ein akzeptables Ergebnis. In diesem Fall müsste die Bondfläche also mit einer Breite von 70 µm + 32,6 µm = 102,6 µm angelegt werden (Bild 3).

Beispiel 2 – Restring für THT-Bauteile: Für die Ausprägung des

Lötmeniskus ist bei THT-Bauteilen die Lötfläche in Form des umlaufenden Restringes von Bedeutung. Laut CAD-Bibliothek ist der Restring die Differenz zwischen dem Pad-Durchmesser und dem Enddurchmesser der Bohrung. THT-Bauteile werden auf der Leiterbildoberfläche gelötet. Üblicherweise ist der Enddurchmesser bekannt und ebenfalls ist der optimale (oder minimale) planare Restring bekannt (Bild 4).

Dann berechnet sich der Pad-Durchmesser wie folgt :

PAD(THT) = Enddurchmesser + 2 • Planarer Anteil + 2 • (Kupferdicke • tan α)

Bei einem vorgesehenen Enddurchmesser der Bohrung von 1100 µm, einem planaren Restring von 300 µm Breite, einer Kupferdicke von 70 µm und einer Ätzflanke von 30° (tan = 0,5774) ergibt sich daraus eine minimale Padbreite von :

PAD(THT) = 1100 µm + 2 • 300 + 2 • (70 µm • 0,5774) ≈ 1,78 mm

In diesem Fall vermittelt das Aspekt-Ratio für Leiterbilder somit eine Relation zwischen den Disziplinen CAD-Layout, Leiterplattenproduktion und Baugruppenfertigung.

Für die Bauteilmontage ist die Geometrie der oberen Leiterbildstruktur ausschlaggebend. Für den elektrischen Sicherheitsabstand ist jedoch die untere Leiterbildstruktur ausschlaggebend. Wenn die Lötflächengeometrie und der Sicherheitsabstand konstant sind, dann müssen Leiterbahnen, SMD-Pads und THT-Pads breiter werden, wenn die Kupferdicke auf einer Lage zunimmt. Der Schluss in Gegenrichtung ist, dass die Kupferdicke abnehmen muss, wenn die Leiterbahnbreite abnehmen muss und/oder, wenn der Mittenabstand von Leiterbildstrukturen abnehmen muss.

Fazit: Die Konstruktion der Leiterplatte für den Betrieb einer Baugruppe darf nicht dem Zufall überlassen werden. Die mathematische Formulierung von Einflussgrößen macht die Zusammenhänge transparent und schafft die Voraussetzung für die Berechenbarkeit physikalischer Eigenschaften. Die Anforderungen an zukünftige Baugruppen sind ohne mathematische Berechnungsmodelle technisch und wirtschaftlich nicht mehr umsetzbar. Wenn Sie planen Micro-BGAs und BTCs einzusetzen und/oder wenn Sie Bauteile Bonden wollen, dann erkundigen Sie sich vorher über die Ätztechnologie Ihres Leiterplattenherstellers.

* * Arnold Wiemers Mitinhaber der LA-Leiterplattenakademie GmbH, Berlin

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