SAP (Halbadditives Leiterplattenverfahren): Die Grundlagen

Was sind halbadditive Leiterplattenfertigungsprozesse und welche Vorteile bieten sie?

Es gibt viele Begriffe, die verwendet werden, wenn es um neue Fertigungsprozesse geht, die Leiterplattenherstellern die Möglichkeit geben, Leiterbahnen und Abstände nicht nur unterhalb der typischen drei Mil Linien und Abstände, sondern sogar unterhalb der fortschrittlichsten subtraktiven Ätzprozesse, die 2 Mil Linien und Abstände bewältigen können, zu formen.

Aus Designperspektive ist diese neue Fähigkeit aufregend. Es gibt viele Möglichkeiten, diese neuen Fähigkeiten anzuwenden. Der offensichtlichste Vorteil ist die Möglichkeit, den Fußabdruck der Leiterplatte zu miniaturisieren, um entweder die gesamte elektronische Einheit zu miniaturisieren oder wertvollen Platz für andere Elemente wie eine verbesserte Batterie freizumachen.

Ein weiterer klarer Vorteil ist die Möglichkeit, die Anzahl der Routing-Layer, die im PCB-Design mit diesem engen Pitch oder sogar nicht so engen Pitch BGA’s benötigt werden, zu reduzieren. Eine reduzierte Schichtanzahl ist immer ein Vorteil sowohl für die Kosten als auch für die Zuverlässigkeit, aber dieser Vorteil wird besonders vergrößert, wenn dies dem PCB-Designer ermöglicht, die Anzahl der Mikro-Via-Layer und die Anzahl der Laminierzyklen, die während der Fertigung benötigt werden, zu reduzieren. Dies wird eine Ausbeuteverbesserung bei der Fertigung bieten, die Vorlaufzeit der Leiterplatte verkürzen und folglich sowohl die Kosten als auch die Zuverlässigkeit verbessern.

Vielleicht ist die Verbesserung der Signalintegrität ohne ein Verständnis dieser semi-additiven PCB-Prozesse weniger intuitiv. Ich werde später in diesem Blog einen Überblick über die Unterschiede zwischen subtraktiven Ätzverfahren und semi-additiven Verfahren geben. Aber auf einer 10.000-Fuß-Ebene haben semi-additive Prozesse eine viel strenger kontrollierte Leiterbahnbreite und -abstand, gesteuert durch Bildgebungsfähigkeiten anstatt des Kupferätzprozesses, der heute die Fähigkeiten der meisten Hersteller bestimmt. Diese strenge Kontrolle führt zu einer verbesserten Impedanz, unter anderem Fortschritten, die wir in zukünftigen Blogs erkunden werden.

Lassen Sie uns mit einigen grundlegenden Begriffen beginnen:

Subtraktiver Ätz-PCB-Prozess: Diese traditionelle PCB-Fertigungstechnik beginnt mit Laminat, einem Basis-Dielektrikum, das auf beiden Seiten mit Kupfer beschichtet ist. Dieses Kupfer ist typischerweise ¼ Unze oder mehr. Das Schaltungsmuster wird durch Musterung und Ätzen des unnötigen Kupfers gebildet.

Semi-additiver PCB-Prozess: Dieser Prozess ist in der Elektronik nicht neu, aber neu in der PCB-Fertigung. Bei semi-additiven Prozessen wird anstatt unerwünschtes Kupfer zu entfernen, elektrolytisches Kupfer zu einer dünnen, stromlosen Kupferschicht hinzugefügt und dann blitzgeätzt, um diese sehr dünne Schicht stromlosen Kupfers zu entfernen.

Modifizierter semi-additiver PCB-Prozess: Die mSAP-Technologie ist das, was wir in Bezug auf den Markt für Smartphones in großen Stückzahlen hören. Dieser Prozess beginnt mit einer sehr dünnen Schicht Kupferfolie, und das Schaltungsmuster wird gebildet, indem zusätzliches Kupfer hinzugefügt wird, um das Schaltungsmuster zu erstellen und dann diese Saatschicht wegzuetzen.

SLP (Substratähnliche PCBs): Dieser Begriff bezieht sich auf gedruckte Schaltungen, die mit additiven oder semi-additiven Prozessen hergestellt werden. Die Fähigkeiten für feinere Merkmale beginnen, Substrat-Niveau-Merkmalsgrößen zu ähneln, werden jedoch auf den traditionell größeren Paneelgrößen bei PCB-Herstellern gebaut.

Was sind die Schlüsselunterschiede zwischen dem SAP-Prozess und dem mSAP-Prozess?

Obwohl SAP-Prozesse und mSAP-Prozesse ähnlich sind, besteht der Schlüsselunterschied in der Ausgangskupferschicht. SAP hat eine dünnere Ausgangskupferdicke, oft zehnmal dünner, sodass das Ätzen zur Entfernung der Saatschicht viel schneller erfolgt, mit sehr geringen Auswirkungen auf die Struktur der Leiterbahn selbst. mSAP ist eine Kupferfolie und wird tendenziell eine etwas trapezförmigere Form haben und nicht ganz so feine Leiterbahn- und Abstandsmerkmalsgrößen aufweisen. Die Kupferdickenspezifikation zwischen SAP und mSAP ist typischerweise als 1,5 Mikrometer Kupfer und darunter für SAP.

Als Übersicht über die grundlegenden Verarbeitungsschritte zur Formung dieser feinen Merkmale:

Der SAP-Prozess beginnt mit nacktem Dielektrikum und trägt eine sehr dünne Schicht chemisch abgeschiedenen Kupfers auf. Zum Vergleich: Der A-SAP™-Prozess von Averatek beginnt mit 0,2 Mikron chemisch abgeschiedenem Kupfer. Die mSAP-Technologie beginnt typischerweise mit einer Kupferfolie, oft 2 Mikron oder etwas dicker. Von dort sind die Prozessschritte ähnlich:

• Photoresist-Auftrag
• Photoresist-Belichtung
• Elektrolytische Kupferbeschichtung
• Photoresist-Entfernung
• Ätzen von chemisch abgeschiedenem Kupfer oder dünner Kupferfolie.

Dieser Ätzprozess ist der Punkt, an dem die Unterschiede in den Prozessen am bemerkenswertesten sind. Da mSAP mit einer dickeren Folie beginnt, ist der Hersteller typischerweise irgendwo in der Nähe von 30-Mikron Leiterbahn/Abstand begrenzt, und die Leiterbahn wird eine leicht trapezförmige Form haben.

Da SAP-Prozesse eine so dünne Basis aus chemisch abgeschiedenem Kupfer haben, hat das Ätzen keinen wirklichen Einfluss auf die Leiterbahn, was gerade Leiterbahnseitenwände hinterlässt und die Möglichkeit bietet, Leiterbahnen weit unter 25 Mikron (1 mil) zu formen, vorausgesetzt, der Hersteller verfügt über Bildgebungsausrüstung, die in der Lage ist, diese feinen Merkmalsgrößen aufzulösen.

Nach diesem Kupferfolienätzprozess folgen sowohl der mSAP- als auch der SAP-Prozess den typischen PCB-Herstellungsprozessen.

Wie man mit Ihrem Leiterplattenhersteller zusammenarbeitet:

Ich habe Dr. Meredith LaBeau, CTO von Calumet, kontaktiert, um ihre Meinung dazu zu erfragen, wie man mit Herstellern zusammenarbeitet, wenn man die Vorteile dieser semi-additiven PCB-Technologie erlernt und anwendet. Mit ihren Worten, „Am meisten fällt auf, wie dringend eine Technologie benötigt wird, die feine Linien und Abstände erreichen kann, während sie einige der fortschrittlichsten HDI-Funktionen nutzt, zusammen mit extrem verlustarmem Material. Diese Kunden müssen oft für die Fertigung ins Ausland schauen, was mit Kosten verbunden ist: lange Lieferzeiten oder das Neudesign der Platinen, um der aktuellen inländischen Technologie zu entsprechen, oft unter Vereinfachung des Rückgrats des Elektroniksystems. Die Nutzung dieser innovativen und transformativen Fertigungsmethode erfordert einen neuen Ansatz im Design: mit der Fertigung statt für die Fertigung. Gemeinsam können der Designer und der Hersteller einen kollaborativen Ansatz entwickeln, um den SWAP zu reduzieren - während die Zuverlässigkeit und Robustheit der PCB für elektronische Systeme der nächsten Generation erhöht wird.“

In den folgenden Blogs über additive PCB-Technologie werden wir tiefer in die Vorteile für PCB-Designer eintauchen, Fragen und Antworten zur vorläufigen Designprüfung diskutieren und reale Anwendungen besprechen. Bitte kommentieren Sie mit spezifischen Fragen, die Sie gerne adressiert sehen möchten!

Die Designwerkzeuge in Altium Designer® enthalten alles, was Sie benötigen, um mit neuer Technologie Schritt zu halten. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.