Design von Mikrovias mit gesintertem Paste für starre-flexible Leiterplatten

Starre-flexible Leiterplatten (PCBs) sind eine elegante Lösung für viele Herausforderungen in der elektronischen Verpackung. Diese Technologie vereint die Haltbarkeit von starren PCBs mit der Vielseitigkeit von flexiblen Schaltungen. Starre-flexible PCBs sind ein Schlüssel zu vielen modernen Geräten wie Smartphones, medizinischen Geräten und Automobil-Elektronik. In diesen Anwendungen mit hoher Dichte an Leiterbahnen werden oft Mikrovias verwendet, um verschiedene Schichten der Leiterplatte miteinander zu verbinden. Eine sehr effektive Methode, diese Verbindungen herzustellen, beinhaltet die Verwendung von gesintertem Paste. Dieser Blog erkundet die Designregeln und Überlegungen für die Nutzung von gesintertem Paste Mikrovias in starre-flexible PCBs.

Zuerst sollten wir einen Schritt zurückgehen und gesinterte Paste im Kontext der Herstellung von Leiterplatten definieren. Dies bezieht sich auf ein leitfähiges Material, das aus Metallpartikeln besteht, typischerweise Silber oder Kupfer, die in einem Binder suspendiert sind. Die Paste wird aufgetragen, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten der PCB zu erstellen. Während der Herstellung beinhaltet der Sinterprozess das Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts anderer Metallpartikel, was dazu führt, dass die Partikel zusammenbinden und einen festen leitfähigen Weg bilden, ohne das umgebende Substrat zu schmelzen.

Vorteile von gesinterten Paste Mikrovias

• Sinterpaste-Mikrovias bieten eine überlegene elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu traditionellen, galvanisierten Vias. Der Sinterprozess reduziert den Widerstand und gewährleistet eine effiziente Signalübertragung. Dies ist entscheidend für Anwendungen, die eine schnelle Datenübertragung und zuverlässige Leistung erfordern.
• Die Fähigkeit, kleinere und eng beieinander liegende Mikrovias zu erstellen, ermöglicht eine höhere Schaltungsdichte. Diese Miniaturisierung ist wesentlich für die Entwicklung von kompakten und leichten elektronischen Geräten, ohne dabei auf Funktionalität zu verzichten.

Eine gängige Anwendung von Sinterpaste-Mikrovias ist die Verbindung in/aus einem Fine-Pitch-BGA auf einem Flex-Substrat. Diese Mikrovias können sehr klein im Durchmesser sein (siehe unten), was sie zu einer ausgezeichneten Option für diese Art von Design macht. Der Sinterprozess erzeugt auch Vias mit hoher mechanischer Festigkeit, was sie widerstandsfähig gegen die Belastungen macht, denen sie in sowohl starren als auch flexiblen Abschnitten von Rigid-Flex-PCBs begegnen.

Wichtige Designüberlegungen

Materialien: Leitpaste: Die Auswahl der geeigneten Leitpaste ist eine Schlüsselentscheidung. Silber- und kupferbasierte Pasten werden häufig verwendet, da sie ausgezeichnete elektrische Eigenschaften besitzen. Die Kompatibilität mit dem Sinterprozess und dem Substratmaterial ist wesentlich.

Substratmaterial: Rigid-Flex-PCBs verwenden eine Kombination aus Materialien, wie FR4 für starre Abschnitte und Polyimid für flexible Bereiche. Beide Materialien müssen die Sintertemperaturen aushalten können, ohne sich zu verformen oder abzubauen.

Paketgröße: Bei HDI-Designs auf Flex-PCBs begrenzt die Größe von Fine-Pitch-Paketen die verfügbare Via-Größe und den Routing-Raum. Gesinterte Vias überwinden diese Herausforderung, indem sie die oben erwähnten kleineren Mikrovias ermöglichen. Ein Beispiel ist das Nordic WLCSP-Paket (0,35 mm Pitch), das unten gezeigt wird; der Ersatz der konventionell platzierten blinden/begrabenen Mikrovias durch gesinterte Vias könnte das Routing zwischen den Pins ermöglichen.

Die Auswahl des Materials ist der Zeitpunkt, um mit Ihrem bevorzugten Leiterplattenhersteller zusammenzuarbeiten. Nicht alle Hersteller arbeiten mit allen verfügbaren Materialien und Prozessen. Es ist sehr einfach, einem Projekt zusätzliche Kosten und Lieferzeit hinzuzufügen, ohne zu verstehen, welche Materialien auf Lager sind und routinemäßig verarbeitet werden.

Mikrovia-Abmessungen

Via-Durchmesser und Aspektverhältnis: Lasergebohrte Mikrovias haben typischerweise einen Durchmesser von 25 bis 75 Mikrometern. Ein Aspektverhältnis (Tiefe zu Durchmesser) von etwa 0,75 bis 1 gewährleistet eine zuverlässige Füllung und Sinterung der Paste.

Pitch und Abstand: Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden und die Signalintegrität zu erhalten, sollte der minimale Abstand zwischen Mikrovias mindestens das Zweifache des Via-Durchmessers betragen. Ein angemessener Abstand erleichtert auch eine bessere Wärmeableitung.

Leiterplattenhersteller haben diese Parameter typischerweise in ihren Fertigungskapazitäten und Richtlinien für die Fertigbarkeit aufgelistet.

Design für die Fertigung (DFM)

Schichtenaufbau: Bei der Gestaltung von mehrlagigen starren-flexiblen Leiterplatten sollte die Stapelkonfiguration berücksichtigt werden, um die Platzierung von Mikrovias zu optimieren. Versetzte Vias können die Spannungskonzentration reduzieren und die mechanische Robustheit verbessern.

Ausrichtung und Registrierung: Eine präzise Ausrichtung während der Fertigung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass gestapelte Mikrovias genau zwischen den Schichten verbinden. Fortschrittliche Bildgebungs- und Bohrtechnologien können helfen, diese Präzision zu erreichen. Die Fähigkeiten variieren stark unter den Herstellern, stellen Sie sicher, dass Sie die Fähigkeiten Ihres bevorzugten Herstellers verstehen. Mit diesen im Hinterkopf zu entwerfen, spart Kosten und Vorlaufzeit.

Thermomanagement: Effiziente Wärmeableitung ist wichtig, besonders bei hochdichten Designs. Die Nutzung von thermischen Vias und geeigneten Layout-Techniken kann helfen, die thermische Last zu bewältigen und Überhitzung zu verhindern.

Sinterprozessparameter

Temperaturprofile: Die Sintertemperaturen liegen typischerweise zwischen 200°C und 300°C, abhängig von den Paste- und Substratmaterialien. Kontrollierte Aufheiz- und Abkühlraten verhindern thermischen Schock und Materialschäden.

Zeit und Druck: Die Sinterzeiten variieren von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden. Das Anwenden von Druck während des Sinterns kann die Verdichtung der Paste verbessern, Hohlräume reduzieren und die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Vias verbessern.

Atmosphärenkontrolle: Die Durchführung des Sinterprozesses in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre, wie Stickstoff oder Formiergas, verhindert die Oxidation der leitfähigen Paste und gewährleistet eine bessere elektrische Leistung.

Es ist wichtig, die Schlüsselprozessvariablen zu verstehen, die Ihr Hersteller kontrollieren muss.

Testen und Validierung

Elektrische Prüfung: Nach dem Sintern sollte die elektrische Leitfähigkeit der Mikrovias mit Techniken wie der Vier-Punkt-Messung überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie den Entwurfsspezifikationen entsprechen.

Mechanische Belastungsprüfung: Die mechanische Robustheit der Mikrovias kann durch Biege- und Flexibilitätstests bewertet werden, um sicherzustellen, dass sie den mechanischen Belastungen in realen Anwendungen standhalten.

Zuverlässigkeitsprüfung: Die Langzeit-Zuverlässigkeit unter verschiedenen Umweltbedingungen, einschließlich thermischer Wechsel, Feuchtigkeit und Vibration, sollte bewertet werden, um die Haltbarkeit der starren-flexiblen PCBs zu garantieren.

Häufige Herausforderungen bei der Herstellung

Haftungsprobleme: Die Verbesserung der Haftung zwischen der gesinterten Paste und dem Substrat ist entscheidend für zuverlässige Vias. Oberflächenbehandlungstechniken, wie Plasma-Reinigung oder das Auftragen von Haftvermittlern, können die Bindungsstärke erhöhen.

Bildung von Hohlräumen: Hohlräume in der gesinterten Paste können die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Vias beeinträchtigen. Die Optimierung der Pastenformulierung und der Sinterparameter, zusammen mit dem Anwenden von Druck während des Sinterns, kann die Bildung von Hohlräumen minimieren.

Risse und Delamination: Mechanische Ausfälle wie Risse und Delamination können durch sorgfältige Materialauswahl und die Optimierung des Designs zur gleichmäßigen Verteilung der Spannungen gemildert werden. Die Verwendung von flexiblen Klebstoffen und Substraten mit angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann ebenfalls helfen.

Am Ende des Tages sind gesinterte Pasten in der PCB-Design, insbesondere bei HDI-Bauten, nichts Neues. Dieser Ansatz wurde verwendet, um sehr hohe Schichtzahlen mit feinen Feature-Abständen neben der Herstellung von gesinterten Paste-Vias zu erreichen. Um mehr zu erfahren, schauen Sie sich die Podcast-Episode unten mit dem Experten Chris Hunrath an:

Sinterpaste-Mikrovias bieten ein weiteres Werkzeug im Werkzeugkasten des PCB-Designers. Die Zusammenarbeit und das Verständnis der Fähigkeiten Ihres PCB-Herstellers sind ein Schlüsselelement für den Erfolg mit dieser Technologie. Die Vorlieben für Materialien und Prozesse variieren stark zwischen den Herstellern, und eine frühzeitige Zusammenarbeit im Designprozess kann sowohl Zeit und Kosten sparen als auch die Zuverlässigkeit des Endprodukts verbessern.