Fertigungsgerechtes Design von Embedded Components

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Eurocircuits GmbH

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So entstehen die Lasercavities

Bei der Herstellung von Lasercavities wird zunächst ätztechnisch oder mit dem UV-Laser die Kupfer-Oberfläche eines Multilayers geöffnet, unter dem sich das Anschlusspad befindet. Der nachfolgend zum Einsatz kommende CO₂-Laser entfernt das Dielektrikum bzw. den Kleber. Hierbei wird die besondere Eigenschaft de CO₂-Lasers genutzt, dass der Laser nicht in Kupfer-Oberflächen einkoppeln kann. Wellenlänge und Energiedichte sind so abgestimmt, dass der Laser durch eine Kupfer-Schicht bzw. Strukturen gestoppt wird. Anschließend kann der Core geätzt und die Strukturen für die inneren Lagen aufgebracht werden. Es ist möglich, einen fertigen Core durch weiteres Laminieren von FR4-Leiterplattenmaterial und Kupferlagen für HDI- oder Multilayer-Boards im traditionellen Build-Up-Verfahren zu erweitern.

Der ausgewählte Leiterplattenfertiger, der auch die Bestückung der Embedded Components vornimmt, stellt umfangreiche Anforderungen an den jeweiligen Kunden, was beim Design zu berücksichtigen ist. Im Wesentlichen geht es um Abstände und Freistellungen, die eingehalten werden müssen, und um die Beschreibung der Kontaktierungsarten und Bauteilplatzierungen.

Die SMD- und Single-Layer-Via-Anschlussart erfordern unterschiedliche Dokumentationen. Für die SMD-Technik sind neben den Lotpasten-Schablonen für Ober- und Unterseite nun auch Schablonen für die Innenlagen erforderlich, wo Bauteile aufgelötet werden. Gleiches gilt für die Pick- und Place-Koordinaten der Embedded Components. Für die Single-Layer-Via-Technologie sind spezielle Durchkontaktierungen zu definieren, die nur auf einer Lage Verwendung finden, da die Kontaktierung der Bauteile auf der gleichen Lage stattfindet und nur die dünne Kleberschicht durchkontaktiert wird. Angaben für den Klebepunkt braucht der Designer nicht zu machen, da diese Informationen von der Fertigung nicht rausgegeben und individuell eingestellt werden.

Im Allegro PCB Designer von Cadence werden diese Informationen über den Lagenaufbau definiert. Entsprechend ist eine detaillierte Zeichnung des Lagenaufbaus Bestandteil der Dokumentation. So werden mögliche Bauteilpositionen in vertikaler Achse genau beschrieben. Es dürfen auf bestimmten Lagen Bauteile nur mit dem Gehäuse nach oben bzw. unten (body up, body down) platziert werden. Die entsprechende Kontaktierungsart (SMD oder Single Layer Via) wird auch den jeweiligen Lagen zugewiesen. Hierbei lässt sich auch definieren, dass immer zwei redundante Single Layer Vias in jeweils einem Anschluss-Pad des Footprints verwendet werden sollen.

Die Gruppierung von Innenlagen zu sogenannten Cores beschreibt dann auch, welche Arten von Durchkontaktierungen im Lagenaufbau erlaubt bzw. durch den sequenziellen Lagenaufbau möglich sind. Wenn ein Embedded Component platziert wird, so muss im benachbarten FR4 eine Cavity beschrieben sein. Diese Aussparungen werden für alle Dielektrika ausgegeben, auf denen es Cavities gibt. Sollte ein Bauteil auch durch die benachbarte leitende Lage durchstoßen dürfen, dann nennt man das „protruding“, und die Route-Keep-Out-Flächen entsprechen den Abmaßen der Cavity plus ein definierter Offset.

Das Platzieren der Bauteile in der ECAD-Software

Es müssen also im PCB-Layout-Tool entsprechende Regeln für den Constraint Manager definierbar sein, die die Anforderungen online prüfen und Verletzungen gegen diese Herstellungsregeln anzeigen. Außerdem verhindert ein geeignetes Leiterplatten-Design-Tool auch das Routen in Bereichen, in denen Bauteile platziert werden.

Beim Platzieren eines Bauteils als Embedded Component zeigt Allegro PCB Designer eine Auswahl der möglichen inneren Lagen an. Nach Absetzen des Bauteils wird seine Höhe überprüft und entsprechend dem Lagenaufbau die benachbarte Lage durchstoßen. Gemäß den Regeln wird eine Cavity um das Bauteil erzeugt und ggf. mit einer benachbarten Cavity zu einer gemeinsamen Kontur verbunden. Dabei werden alle Abstandsregeln und Anforderungen an minimale Stegbreiten für die Fertigung berücksichtigt und Route- bzw. Place-Keep-Outs definiert. Eine Online-Prüfung der Designregeln zeigt Fehler bereits vor dem Absetzen des Bauteils an, wenn die Platzierung gegen die Fertigungsvorschriften verstoßen würde.

Wie auf den Außenlagen gibt es auch auf Innenlagen Mindestabstandsregeln zwischen Bauteilen, damit sie der Bestückungsautomat fehlerfrei aufbringen kann. Im PCB Editor wird bei Erreichen des Mindestabstands ein Kreis dargestellt; nun schnappt das Bauteil auf diesen Abstand fest. Wenn das Bauteil abgelegt wird, erzeugt das Tool automatisch eine gemeinsame Kavität, da die maximale Gesamtfläche noch nicht überschritten ist. Die Gesamtfläche definiert die Fertigung so, dass in die Aussparung noch genügend flüssiges Harz laufen kann, ohne Blasen zu bilden und Luft in der Leiterplatte einzuschließen.

* Dirk Müller ist Geschäftsführer der FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH, Feldkirchen.

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