Erforschung von semi-additiven Prozessen (SAP) in der Ultra-HDI-PCB-Herstellung

Tara Dunn
|  Erstellt: September 25, 2024
SAP in der Ultra-HDI-Leiterplattenfertigung

Während die PCB-Technologie weiter fortschreitet, eröffnen neue Herstellungsverfahren wie die Ultra-High-Density Interconnect (UHDI) PCB-Fertigung unglaubliche Möglichkeiten. Zu den transformativsten Fortschritten gehören semi-additive Prozesse (SAP) und modifizierte semi-additive Prozesse (mSAP), die die Erstellung feinerer Leiterbahnen und Abstände ermöglichen, die über das hinausgehen, was mit traditioneller subtraktiver Ätzung erreichbar ist. Diese Innovationen verschieben die Grenzen des PCB-Designs und machen es möglich, komplexe Schaltungen mit beispielloser Präzision zu fertigen.

Im Kontext der PCB-Fertigung bieten semi-additive Prozesse (SAP) eine Abkehr von traditionellen subtraktiven Methoden, indem sie Leiterbahnen und Abstände ermöglichen, die zuvor unerreichbar waren – weit unterhalb der mit subtraktiver Ätzung möglichen 2-Mil-Schwelle. SAP-Prozesse ermöglichen es den Herstellern, leitfähiges Material wie Kupfer hinzuzufügen, um Schaltkreise zu formen, anstatt es wegzuätzen. Diese Technik, gepaart mit fortschrittlichen Materialien, öffnet die Tür zu ultrafeinen Feature-Größen, die die nächste Generation der Elektronik unterstützen, einschließlich leistungsstarker, miniaturisierter Geräte.

Wesentliche Vorteile semi-additiver Prozesse in der PCB-Fertigung

Extreme Miniaturisierung

Eine der aufregendsten Möglichkeiten mit SAP und mSAP-Technologien ist die Fähigkeit, den PCB-Fußabdruck drastisch zu reduzieren. Mit bis auf submikronische Ebenen schrumpfenden Leiter- und Abstandsbreiten können Designer die Größe des gesamten elektronischen Systems dramatisch verringern oder alternativ den freigewordenen Platz nutzen, um zusätzliche Komponenten zu integrieren, wie größere Batterien oder erweiterte Funktionalitäten. Dies ist besonders kritisch für Geräte, bei denen Platz äußerst wertvoll ist, wie Smartphones, Wearables und IoT-Geräte.

Vereinfachte Schichtung und verbesserte Routing-Effizienz

Ein weiterer bedeutender Vorteil dieser Prozesse ist die potenzielle Reduktion der Anzahl an Schichten, die in einem PCB-Design erforderlich sind. Für Komponenten mit engen Ball Grid Arrays (BGAs) oder sogar Standarddesigns ermöglicht die Fähigkeit, komplexe Signale auf weniger Schichten zu routen, eine Reduzierung sowohl der Kosten als auch der Komplexität. Weniger Schichten bedeuten auch weniger Mikro-Vias und Laminierzyklen, was zu kürzeren Herstellungszeiten und höheren Gesamtausbeuten führt. Die Möglichkeit, die Schichtstruktur zu vereinfachen, während die Funktionalität beibehalten oder verbessert wird, ist ein großer Gewinn in Bezug auf Zuverlässigkeit und Leistung.

Verbesserte Signalintegrität und Präzision

Während Miniaturisierung und Schichtreduktion greifbare Vorteile sind, verbessern SAP-Prozesse auch signifikant die elektrische Leistung. Eine der kritischsten Verbesserungen ist in der Signalintegrität. Da sich semi-additive Prozesse auf präzise Abbildungstechniken statt auf den breiteren subtraktiven Ätzprozess verlassen, ermöglichen sie eine feinere Kontrolle über Leiterbahnbreite und -abstand. Dies führt zu einer strafferen Impedanzkontrolle und reduziertem Signalschwund, was diese Technologien ideal für Hochgeschwindigkeits-Digital- und RF-Anwendungen macht.

Semi-Additiv vs. Subtraktiv Ätzen: Ein kurzer Überblick

Traditionelle subtraktive Ätzprozesse beginnen mit einem kupferbeschichteten Laminat, und das Schaltungsmuster wird durch Wegätzen des unerwünschten Kupfers gebildet. Der Prozess ist zwar effektiv, hat aber Grenzen bei der Erreichung feiner Leiterbahnen und Abstände aufgrund der Kupferdicke und der verwendeten Ätzmethoden.

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Im Gegensatz dazu beginnen semi-additive Prozesse mit einer sehr dünnen Kupferschicht oder gar keinem Kupfer im Fall reiner additiver Methoden. Kupfer wird dann selektiv hinzugefügt, um das gewünschte Muster zu erstellen, wobei nur eine dünne Saatschicht entfernt werden muss. Diese Präzision ermöglicht viel feinere Merkmale, mit Leiterbahnen so schmal wie 25 Mikron (oder darunter), abhängig von den Abbildungsfähigkeiten des Herstellers.

Modifizierte Semi-Additive Prozesse (mSAP)

Modifizierte semi-additive Prozesse (mSAP) sind eine Erweiterung der SAP, die oft in der Massenproduktion von Verbraucherelektronik wie Smartphones verwendet werden. Der Schlüsselunterschied liegt in der Ausgangskupferschicht – mSAP beginnt mit einer etwas dickeren Folie, was zu etwas weniger verfeinerten Leiterbahnenprofilen führt. Obwohl mSAP ausgezeichnete Feature-Größen ermöglicht, liegen diese typischerweise im Bereich von 30 Mikron für Spur/Abstand, wobei die Spuren aufgrund der dickeren Ausgangskupferschicht eine eher trapezförmige Form haben.

Trotz dieser Unterschiede ermöglicht mSAP immer noch viel feinere Merkmale als traditionelle subtraktive Methoden und wird als Brücke zwischen standardmäßigen PCBs und fortschrittlichen Substratfertigungstechniken betrachtet. Dieser Ansatz ist kritisch in kostenempfindlichen, hochvolumigen Anwendungen.

Substratähnliche PCBs (SLP) und die Zukunft von Ultra HDI

Ein Begriff, der in diesem Bereich häufig verwendet wird, ist "substratähnliche PCBs" (SLP), die sich auf Leiterplatten beziehen, die mit additiven oder semi-additiven Prozessen hergestellt werden. SLPs ermöglichen Feinmerkmalsfähigkeiten, die sich der Präzision von Halbleitersubstraten annähern, jedoch auf viel größeren PCB-Panels. Dies ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die Miniaturisierung erfordern, ohne die Kosten- und Skalierbarkeitsvorteile der traditionellen PCB-Herstellung zu opfern.

Typischer SAP- und mSAP-Prozessablauf

Für beide, SAP und mSAP, folgt der Prozessablauf ähnlichen Schritten:

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  1. Photoresist-Auftrag – Eine Schicht Photoresist wird aufgetragen, um das Schaltungsmuster zu definieren.
  2. Photoresist-Belichtung – Der Photoresist wird UV-Licht ausgesetzt, welches die Bereiche definiert, wo Kupfer hinzugefügt wird.
  3. Elektrolytische Kupferbeschichtung – Zusätzliches Kupfer wird selektiv auf die gemusterten Bereiche aufgebracht.
  4. Photoresist-Entfernung – Der verbleibende Photoresist wird entfernt, wobei die Kupferspuren zurückbleiben.
  5. Ätzen – Für mSAP wird die Kupfer-Seed-Schicht geätzt, um den Prozess abzuschließen, während SAP nur minimales Ätzen erfordert.

Da SAP mit einer ultradünnen Kupferschicht beginnt (so dünn wie 1,5 Mikron oder weniger), haben die endgültigen Leiterbahnen vertikale Seitenwände, was extrem feine Strukturen ermöglicht, während mSAP typischerweise Leiterbahnen mit eher trapezförmigen Profilen hinterlässt, aufgrund seiner dickeren Ausgangskupferschicht.

Partnerschaft mit Ihrem Leiterplattenhersteller für den Erfolg

Der Schlüssel zur Nutzung dieser fortschrittlichen Fertigungsmethoden liegt in der engen Zusammenarbeit mit Ihrem PCB-Hersteller. Wie John Johnson, Direktor für Qualität bei American Standard Circuits, anmerkt, „müssen Designer mit den Herstellern zusammenarbeiten, um die Kompromisse und Fähigkeiten verschiedener semi-additiver Prozesse vollständig zu verstehen. Ein 'es kommt darauf an'-Ansatz bei den Designregeln ist üblich, und das gemeinsame Arbeiten stellt optimierte Leistung, Fertigbarkeit und Kosten sicher, was den Designern ermöglicht, das Potenzial der Ultra-HDI-Technologie maximal auszuschöpfen." In diesem kooperativen Ansatz spielen sowohl Designer als auch Hersteller eine wesentliche Rolle bei der Optimierung von Designs für die einzigartigen Fähigkeiten von SAP und mSAP, was letztendlich zu effizienteren, leistungsfähigeren und zuverlässigeren elektronischen Systemen führt.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Tara ist eine anerkannte Branchenexpertin mit mehr als 20 Jahren Berufserfahrung in der Zusammenarbeit mit: PCB-Ingenieuren, Designern, Herstellern, Beschaffungsorganisationen und Anwendern von Leiterplatten. Ihre Fachkenntnisse liegen in den Bereichen Flex und Starrflex, Additivtechnologie und Schnelldrehungsprojekte. Sie ist eine der besten Ressourcen der Branche, um sich auf ihrer technischen Referenzseite PCBadvisor.com schnell über eine Reihe von Themen zu informieren. Sie trägt regelmäßig als Rednerin zu Branchenveranstaltungen bei, schreibt eine Kolumne in der Zeitschrift PCB007.com und ist Gastgeberin von Geek-a-palooza.com. Ihr Unternehmen Omni PCB ist bekannt für seine Reaktion am selben Tag und die Fähigkeit, Projekte auf der Grundlage einzigartiger Spezifikationen zu erfüllen: Vorlaufzeit, Technologie und Volumen.

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