SAP und mSAP in der Fertigung flexibler Schaltkreise

Frage: Was ist SAP und mSAP?

Dies ist eine ausgezeichnete Frage. Diese Akronyme erhalten in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit und sind relativ neu für die PCB-Industrie, die ironischerweise dafür berüchtigt ist, sie zu benutzen. SAP und mSAP sind keine neuen Begriffe für die Elektronikindustrie. Es handelt sich um gängige Prozesse bei der Herstellung von IC-Substraten; im PCB-Fertigungssegment stellen sie jedoch eine aufstrebende Technologie dar.

Nachdem ich gesagt habe, dass dies eine neue Technologie für die Herstellung von Leiterplatten ist, werde ich daran erinnert, dass die meisten unserer Smartphones Leiterplatten mit dieser Technologie enthalten. Aber auch außerhalb des hochvolumigen Smartphone-Marktes fängt der Rest von uns langsam an, diese Technologie für flexible Schaltungen, Rigid-Flex und Rigid-PCBs kennen zu lernen und anzuwenden.

Beginnen wir mit ein paar Definitionen:

Subtraktives Ätzverfahren: Dies ist die traditionelle Technik zur Herstellung flexibler Schaltungen. Ausgehend von einem Laminat aus Polyimid und Kupfer, typischerweise ¼ Ounce oder größer, wird das Schaltungsmuster durch Strukturierung und Wegätzen des unerwünschten Kupfers gebildet.

SAP: Semi-additiver Prozess – Dieser Prozess verwendet additive Prozessschritte, um das Schaltungsmuster zu erzeugen, und nicht subtraktive Prozesse. Kupfer wird hierbei zum Basis-Dielektrikum hinzugefügt. 

mSAP: Modifizierter semi-additiver Prozess – Dieser Prozess verwendet ebenfalls additive Prozessschritte anstelle von subtraktiven Prozessen, um das Schaltungsmuster zu erzeugen.

Was ist der Nutzen von SAP und mSAP?

Das subtraktive Ätzverfahren ist die vorherrschende Methode zur Herstellung von PCBs. Diese Technologie ist typischerweise auf Feature-Größen von 3 mil Line/Space und größer beschränkt. Einige wenige Unternehmen mit modernsten Technologien können Line/Space bis zu 2 mil anbieten, aber hierbei handelt es sich um hochspezialisierte Technologien. Die immer mehr ausgefeilte und anspruchsvollere Elektronik von heute kommt bei dieser Technologie an ihre Grenzen.

Die additive Verarbeitung hingegen ist bei der Herstellung von IC-Substraten vorherrschend und spielt in der PCB-Fertigungsumgebung erst seit kurzem eine Rolle. Die additive Verarbeitung ermöglicht Line/Space-Abstände von 5 um und darunter. Die Fertigung integrierter Schaltkreise ist typischerweise auf viel kleinere Plattengrößen beschränkt, als wir sie in der PCB-Fertigung sehen. Da sich dieser Prozess weiterentwickelt und an die PCB-Herstellungsumgebung angepasst wird, hat er das Potenzial, die Lücke sowohl in der Featuregröße als auch in der Plattengröße zu schließen.

Was ist der Unterschied zwischen SAP und mSAP?

Beide folgen dem gleichen grundlegenden Herstellungsprozess; der Hauptunterschied liegt in der Keimschicht aus Kupfer. SAP-Prozesse beginnen mit einer dünnen Keimschicht aus stromlosem Kupfer, weniger als 1,5 um, und mSAP-Prozesse beginnen mit einer dünnen laminierten Kupferfolie, die mehr als 1,5 um Kupfer enthält. Zuerst wird eine dünne Kupferlage auf das Substrat aufgetragen, gefolgt von einem negativen Design. Anschließend wird Kupfer auf die gewünschte Dicke galvanisiert und die Keimschicht aus Kupfer entfernt.  

Ein Beispiel: Bei einem Verfahren zur Herstellung mit einem halb-additiven Prozess wird eine ALD-Vorläufertinte verwendet, die die horizontalen Abmessungen der Linienbreite und des Abstands steuert. Die vertikale Dicke wird hingegen durch einen additiven Prozess gesteuert, der Metall nur auf dem durch die Vorläufertinte definierten Muster abscheidet.

Grundlegende Prozessschritte:

1. Bohren Sie mit mechanischen oder Laserbohrern Durchkontaktierungen in das Substrat.
2. Bereiten Sie das Substrat für die Verarbeitung vor. Dies ist in der Regel ein einfacher Reinigungsschritt und die Montage in das entsprechende Materialhandlingsystem.
3. Beschichten und härten Sie das Substrat mit einer katalytischen Vorläufertinte, was zu einer Subnanoschicht (<1nm dick) aus katalytischem Material führt.
4. Legen Sie stromloses Kupfer auf den Vorläufer. Die Kupferdicke reicht von 0,1 um bis 1 um.
5. Bebildern Sie eine Fotolackschicht mit fotolithografischen Techniken, um das Muster zu erzeugen, mit dem die Kupferlagen abgeschieden werden sollen. Die Geometrie der Strukturweiten, die an diesem Punkt erzeugt werden können, ist größer als 5 um. 
6. Die elektrolytische Verkupferung vervollständigt das Schaltungsmuster, gefolgt vom Entfernen des restlichen Resists und dem Blitzätzen der Kupferlage.  

Mögliche Anwendungen für die additive Herstellung

Wie ich bereits erwähnt habe, ist der Smartphone-Markt der Vorreiter für die Einführung von mSAP-Prozessen bei der Herstellung von Leiterplatten in großen Stückzahlen. Aktuelle Designs kombinieren sowohl die subtraktive Ätzverarbeitung als auch die mSAP-Verarbeitung. Diese Kombination war ausschlaggebend für das dünnere, kleinere Design der Hauptplatine, das Platz für die leistungsfähigere Batterie schafft, die wir alle genießen. Die Technologie im iPhone X Teardown zeigt Line/Space von 30 um, und Vorhersagen für zukünftige Designs erwarten Features von 10 um.

Andere Kandidaten für diese Technologie sind alle Anwendungen, die extrem dünnes Kupfer erfordern, bei denen Platz und Gewicht eine Rolle spielen, sowie Anwendungen, bei denen die subtraktiven Ätzverarbeitung an ihre Grenzen stößt.  

Der medizinische Markt ist ein Beispiel. Hier wird das SAP-Verfahren zur Herstellung einer doppelseitigen flexiblen Schaltung mit 20 um Line/Space verwendet, die in einer implantierbaren Anwendung eingesetzt werden soll. Aus Gründen der Biokompatibilität erfordert dieses Beispiel Gold als Leitmetall und nicht Kupfer.

Anwendungen, die Pin-Belegungen mit hoher Dichte benötigen, experimentieren mit Lagen und dem Blended-Layer-Ansatz, der sich auf dem Smartphone-Markt bewährt hat. Dieser Ansatz ist erfolgreich, wenn Lagen mit subtraktiver Ätztechnologie und Lagen mit SAP-Verarbeitung kombiniert werden. Die Gesamtzahl der Lagen und die Anzahl der in HDI-Designs erforderlichen Laminierungszyklen wird hierdurch reduziert. 

Um die ursprüngliche Frage zu beantworten:

mSAP und SAP sind keine neuen Begriffe in der Elektronikindustrie, aber es sind neue Begriffe für das PCB-Fertigungssegment der Branche. Modifizierte semi-additive Verarbeitung und semi-additive Verarbeitung sind neue Schlagworte und gewinnen an Bedeutung als potenzielle Lösung für Anwendungen, die beim subtraktiven Ätzprozess durch Begrenzungen der Feature-Größe eingeschränkt sind. Diese Prozesse haben das Potenzial, die Lücke zwischen Designs im PCB-Maßstab und im IC-Maßstab zu schließen.

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