Toleranzproblematik der Kupferschichtdicke in der Fertigung

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Eine theoretische Worst-Case-Betrachtung

Gibt es noch weitere Reduzierungen der Kupferschicht? Ja: Leiterplattenhersteller dürfen während der Weiterverarbeitung laut IPC-4562 eine prozessbedingte Reduktion der 1-oz-Folie um bis zu 6 μm realisieren. In einer Worst-Case-Betrachtung dürfte dann die Kupferschichtdicke einer Innenlage 24,73 μm betragen (IPC-600 3.2.4, min: 25 μm).

Ausgehend von einer idealen 35-μm-Kupferschicht, die gerne auch bei Simulationen angegeben ist, wäre es zulässig, dass nur noch 70 % davon in oder auf der Leiterplatte vorhanden sind.

Die eben aufgezeigte Rechnung stellt für sich gesehen eine Grenzberechnung für den Worst-Case dar. Wichtig jedoch bleibt: Die ideellen Schichtdicken können in der Realität nicht erreicht werden. Die typischen Lieferdicken der Folienhersteller, unter Ausnutzung des Toleranzfensters, liegen zwischen 5 und 8 % unter den nominellen Werten nach IPC. Weitere Reduktionen innerhalb der Prozesskette beim Leiterplattenhersteller sind dabei zulässig. Im aufgezeigten 1-oz -Beispiel wirken sich diese Toleranzen mit bis zu -30 % gravierend aus.

Im Leiterplattenschliff kann nachvollzogen werden, welcher Querschnitt für eine Leiterbahn realisiert wurde. Es ist aber auch zu erkennen, wie stark die Ätzparameter den Querschnitt beeinflussen. Während des Ätzprozesses wird die Leiterplatte mit dem Ätzmedium besprüht. Dabei wird durch eine chemische Reaktion Kupfer abgetragen. Prozessbedingt entsteht hierbei eine trapezförmige Querschnittsform.

Ein verlässlicher Parameter zur Bewertung der Ätzqualität ist die Angabe des Ätzfaktors. Dieser sollte nach IPC ≥ 1 sein. Der Ätzfaktor beschreibt das Verhältnis von verwendeter Kupferschicht zum trapezförmigen Ätzabtrag an den Flanken der Kupferstrukturen. Der Quotient errechnet sich aus Schichtdicke/Strecke der Unterätzung (v/x). Daraus resultiert immer eine Querschnittsverringerung (Abbildung 1).

Vereinfacht ausgedrückt wird die nominelle Leiterbreite um den Betrag der Kupferschicht reduziert. In Zahlen: Eine 200 μm breite Leiterbahn entspricht bei einer ½ oz Kupferschicht 182,5 μm Breite. Der Leiterplattenhersteller könnte diese Verringerung durch vorherige Zugabe bei der internen Datenaufbereitung kompensieren (Stichworte: Ätzkompensation, Ätzzuschlag). Wie hoch der Zuschlag an sich ist, hängt jedoch von Willen und der Erfahrung des Leiterplattenherstellers ab. Ist nichts Anderes vereinbart, dann ist für eine Worst-Case-Annahme weiterhin vom Wert 1 auszugehen.

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