Einbettung aktiver und passiver Bauelemente in mehrlagige

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e&i-0/441
originalarbeiten
Einbettung aktiver und passiver
Bauelemente in mehrlagige Leiterplatten
W. BAUER, E. MODEREGGER, A. KRIECHBAUM
Um dem Trend nach immer kleineren und leistungsfähigeren Produkten Rechnung zu tragen, werden in der
gesamten Elektronikindustrie große Anstrengungen unternommen. Platzeinsparungen ließen sich dabei in
einem ersten Schritt durch die Miniaturisierung der verwendeten Bauelemente erreichen. Diese Strategie
führte bei aktiven Bauelementen zur Entwicklung und zum Einsatz von Chip Scale Packages (CSPs) und Flip
Chips. Seitens der passiven Bauelemente erfolgte eine Größenreduktion bis zur Bauform 0201 (0,6 3 0,3 mm)
und aktuell sogar 01005 (0,4 3 0,2 mm). Eine weitere signifikante Miniaturisierung dieser Bauelemente
scheint nun aus technischen und wirtschaftlichen Gründen schwierig. Eine attraktive Lösung stellt in
diesem Bereich die Integration von aktiven und passiven Bauelementen in die Leiterplatte dar.
Neben dem offensichtlichen Vorteil der Platzersparnis auf der Oberfläche der Leiterplatte führt diese
Technologie zu geringeren Bestückungskosten, gesteigerter Ausfallssicherheit aufgrund der Reduktion der
Anzahl von Lötverbindungen und verbesserter Signalintegrität.
Ziel dieses Beitrages ist es, einen technologischen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten der
Herstellung von Leiterplatten mit eingebetteten aktiven und passiven Bauelementen zu geben. Verschiedene
Herstellungsverfahren (Siebdruck, Ätztechniken, Inkjet) und Materialien für Widerstände und Kondensatoren
werden dabei ebenso beschrieben wie die erreichbaren Toleranzen und die Langzeitstabilität dieser
Bauelemente.
Im Bereich der aktiven Bauelemente behandelt dieser Beitrag sowohl Aspekte zur Auswahl geeigneter
Vormaterialien für die möglichst stressfreie Einbettung von gedünnten Halbleiter-ICs in Multilayern als
auch die angewandte Verbindungstechnik und die damit verbundenen Anforderungen an den Halbleiter.
Weiters wird auf die erforderliche Bestückungstechnik für die Platzierung der ultradünnen ICs auf großen
Fertigungsformaten eingegangen.
Schlüsselwörter: aktive Bauelemente; passive Bauelemente; Integration; Leiterplatte; Einbetten
Embedding of active and passive components into multilayer printed circuit boards.
The common trend towards smaller and more powerful products causes great efforts in the whole electronic
industry. In a first step space savings have been realized by using miniaturized components for assembly.
In the area of active components this strategy leads to the development and the application of chip scale
packages (CSPs) and flip chips. On the part of passive components a size reduction down to housings like
0201 (0.6 30.3 mm) and actual even 01005 (0.4 30.2 mm) has been done. It does not seem to be promising to
follow up that direction because of technical and economical reasons. An attractive solution in this field
could be the integration of active and passive components into the printed circuit board (PWB). In addition
to the most obvious advantage of space savings on the surface of the PWB this technology leads to lower
assembly costs, better reliability because of the reduced number of solder joints and a better signal integrity.
In this paper the authors present a technical overview of the various ways to produce printed circuit
boards with embedded active and passive components. Various processes (screen printing, etching, inkjetting)
and materials for resistors and capacitors are described as well as reachable tolerances and the reliability
of these components. In the area of active components the paper deals with the aspects of choosing the
proper raw material to embed thinned dies as stress-free as possible into PWBs as well as the adequate
interconnection technology and also the requirements regarding the surface of the die. In addition to that the
needed assembly technology for the placement of these ultra thin dies on big production formats is mentioned.
Keywords: active components; passive components; integration; printed wiring board (PWB); embedding
BAUER, Wolfgang, Dipl.-Ing., MODEREGGER, Erik, Dipl.-Ing.,
KRIECHBAUM, Arno, Dipl.-Ing., AT&S Austria Technologie &
Systemtechnik AG, Fabriksgasse 13, 8700 Leoben-Hinterberg,
€ sterreich (E-Mail: [email protected])
O
e&i
heft 00 Month 2006 / 122. Jahrgang
1
Einbettung aktiver und passiver Bauelemente in mehrlagige Leiterplatten
1. Einbettung passiver Bauelemente
in die Leiterplatte
1.1 Eingebettete Widerstände
Bei der Einbettung von Widerständen in die Leiterplatte gibt es
mittlerweile einige technische Varianten. Die älteste und auch
am weitesten entwickelte Technologie ist die Aufbringung der
Widerstände mittels Siebdruck. Der dabei am häufigsten verwendete Pastentyp ist eine Mischung aus Karbonpartikeln und
Phenolharz, wobei durch die Einstellung des Mischungsverhältnisses der Widerstandswert der Paste in weiten Grenzen
variiert werden kann. Derartige Pasten sind heute in einem
Wertebereich zwischen 10 =sq. und 500 k=sq. kommerziell
verfügbar. Aber auch alternative Ansätze wie Dünnfilmverfahren
und vor allem das Inkjetten von Widerständen haben in der
Entwicklung gute Fortschritte gemacht und gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Durch das Einbetten von Widerständen ergeben sich in so
genannten Standardleiterplattenprozessen völlig neue Herausforderungen. Im Bereich des elektrischen Tests von Leiterplatten war es bisher lediglich notwendig zu verifizieren, ob eine
elektrische Verbindung entsprechen niederohmig vorhanden ist
oder ungewollte Kurzschlüsse bestehen (opens=shorts Test).
Eingebettete Widerstände müssen jedoch exakt geprüft werden, um sicher zu stellen, dass vordefinierte Widerstandswerte
mit zufriedenstellender Genauigkeit realisiert wurden. Zu diesem Zweck müssen die eingebetteten Widerstände über Pads
an der Oberfläche der Leiterplatte kontaktiert werden (siehe
Abb. 1). Speziell im niederohmigen Bereich (Widerstände
100 Ohm) spielt dabei der Widerstand des elektrischen
Weges zum eingebetteten Widerstand (Leiterzugslänge auf
der Leiterplatte) und der Übergangswiderstand an den Kontaktstellen der Testernadeln zum Pad eine entscheidende Rolle.
Der Zuleitungswiderstand ist konstant und kann somit rechnerisch berücksichtigt werden. Der Übergangswiderstand jedoch
ändert sich abhängig vom Zustand der Leiterplattenoberfläche,
etwaigen Staub- oder Schmutzpartikeln und dem Zustand der
Testnadelspitzen. Dieser muss deshalb durch ein adäquates
Messverfahren kompensiert werden. Zu diesem Zweck wird
hier die Technik der Vierpolmessung angewendet, bei der ein
konstanter Strom eingeprägt wird und der Spannungsabfall
am zu testenden Widerstand gemessen wird. Entsprechendes
Testequipment für den Einsatz in der Großserie befindet sich
in der Endphase der Entwicklung und wird in Kürze verfügbar
sein.
Abb. 1. Mehrlagige Leiterplatte mit eingebetteten aktiven und passiven Bauelementen
1.1.1 Dickfilmwidersta«nde
Das Standardaufbringverfahren für die Herstellung von
Dickschichtwiderständen ist der Siebdruck. Hierbei werden
Widerstandspasten mit einer Schichtdicke von etwa 15 – 25 mm
2
Abb. 2. Auf eine Leiterplatteninnenlage im Siebdruck aufgedruckte
Widerstände
auf geätzte Leiterplattenlagen aufgedruckt (siehe Abb. 2) und
im nächsten Schritt in einem Umluftofen ausgehärtet.
Der Widerstandswert ergibt sich dabei sowohl aus den geometrischen Abmessungen des Widerstands (Länge=Breite) als
auch aus dem Wert der verwendeten Paste (Ohm=square).
Die durch den Siebdruck der Widerstandspasten erreichbaren Toleranzen sind sowohl durch Schwankungen des
Widerstands der verwendeten Pasten als auch durch die Ungenauigkeiten des Siebdrucks auf 20 % begrenzt. Diese Toleranzangabe bezieht sich auf die Produktion von Widerständen
auf großflächigen Arbeitsformaten (z. B.: 18 24 Zoll) wie sie in
der Leiterplattenindustrie üblich sind. Für die Herstellung von
siebgedruckten, eingebetteten Widerständen mit geringerer Toleranz müssen diese im Anschluss an den Aushärtevorgang
mittels Laser abgeglichen werden. In diesem Prozess wird der
Querschnitt des Widerstands durch einen oder mehrere
Laserschnitte sukzessive verringert und dabei sein Wert bis
zum Zielwert hin erhöht (siehe Abb. 3). Der Widerstandswert
wird dabei während der Bearbeitung ständig gemessen und der
Laser beim Erreichen des Zielwertes sofort abgeschaltet. Die
so erzielbaren Toleranzen liegen bei 5 %.
Abb. 3. Anstieg des Widerstandswertes beim Trimmen am Beispiel
eines ,,Double Cuts‘‘
Mit der Herstellung von eingebetteten Widerständen mit
derart geringen Toleranzen gewinnt natürlich auch die Langzeitstabilität dieser Bauelemente an Bedeutung. Um Oxidation
an der Grenzfläche zwischen den Kupferpads und der
e&i elektrotechnik und informationstechnik
Tabelle 1. Widerstandsänderung nach verschiedenen klimatischen Belastungen
Reflow 1 (3 Zyklen)
Reflow 2 (3 Zyklen)
Feuchtelagerung (300 h)
Feuchtelagerung (500 h)
Temp. Umlagerung (400 Zyklen)
100 =sq.
4 k=sq.
100 k=sq.
max. Abweichung von Einzelwerten
0,03 %
0,8 %
2,2 %
2,6 %
0,1 %
0,05 %
1,9 %
3,6 %
4,2 %
1,2 %
0,01 %
3,2 %
6,1 %
7,1 %
1,7 %
jmax j < 1 %
jmax j 5 %
jmax j 9 %
jmax j 10 %
jmax j 3 %
Widerstandspaste und den damit verbundenen Anstieg des
Widerstandswertes zu verhindern, wird die Kupferoberfläche
mit einer dünnen Edelmetallschicht überzogen. Diese Bereiche
sind in Abb. 2 als weiße Flächenteile erkennbar.
Derartig hergestellte Widerstände wurden bei AT&S folgenden Tests unterzogen:
"
"
"
Reflow-Simulation (jeweils drei Durchläufe pro Profil)
"
Reflow 1: höchste Temperatur 210 C (Peak Temperature)
"
Reflow 2: Temperatur über 250 C für 30 Sekunden
Temperaturumlagerungen ( 65=þ 125 C; 400 Zyklen)
Feuchtelagerung (85 C=85 % r. H. für 300 und 500 Stunden)
Um einen Widerstandsbereich von 10 bis 300 k bei einer
maximalen Bauelementgröße von 3 mm2 pro Einzelwiderstand
zu realisieren, wurden Pasten mit 100 =sq., 4 k=sq. und
100 k=sq. verwendet. Das Driftverhalten der Widerstände bei
Durchführung der oben beschriebenen Tests ist in Tabelle 1
zusammengefasst. Die größten Auswirkungen auf den Widerstand zeigen sich nach der Feuchtelagerung, wohingegen der
Einfluss von Reflow-Simulationen und Temperaturumlagerungen weitgehend vernachlässigbar ist. Die in Tabelle 1 dargestellten Änderungen der Widerstände nach der Feuchtelagerung
sind an der Grenze dessen, was für Anwender dieser Technologie akzeptabel ist. Eine Verbesserung könnte der Einsatz von
Infrarotöfen in Verbindung mit für diese Art der Härtung optimierten Pasten bringen. Erste Tests zeigten hier bereits viel
versprechende Ergebnisse.
1.1.2 Du«nnfilmwidersta«nde
Der am häufigsten verwendete Aufbau im Bereich der Dünnfilmwiderstände ist eine mit einer Widerstandsschicht beschichtete
Kupferfolie. Die Kupferfolie wird dabei mit dünnsten Schichten
von Widerstandsmaterialien (z. B. NiP, NiCr oder NiCrAlSi)
besputtert. Dieser Aufbau wird anschließend mit einem Trägerlaminat verpresst (Widerstandsschicht auf Laminat), danach
werden die Widerstände über mehrere Ätzschritte in ihrer Geometrie definiert. Dabei wird zuerst das außenliegende Kupfer
strukturiert und danach die Widerstandsschicht außerhalb der
Widerstandsbereiche abgetragen. All diesen Materialien ist
gemeinsam, dass der maximal erreichbare Widerstandswert
im Bereich von 250 =sq. liegt. Um höhere Widerstände zu
realisieren, werden Serpentinenstrukturen eingesetzt, was
zu einem erhöhten Platzbedarf in der Leiterplatte führt. Eine
Verbesserung bietet hier das Material von Rohm & Haas
(dotiertes Platin) welches mittels CCVD (Combustion Chemical
Vapour Deposition) auf die Kupferfolie aufgebracht wird und
einen maximalen Wert von 1 k=sq. erreicht (Chinoy, 2002).
Alle beschriebenen Dünnfilmmaterialien haben den Nachteil, dass Widerstände auf verschiedenen Lagen mit verschiedenen Widerstandswerten (=sq.) realisiert werden müssen,
wenn ein weiter Wertebereich von Widerständen abgedeckt
werden soll. Dies führt zu einer erhöhten Lagenzahl der produzierten Leiterplatte und damit zu erhöhten Kosten.
Generell liegen die erreichbaren Toleranzen bei Dünnfilmwiderständen im Bereich von 10 bis 15 %. Der Grund für diese
e&i
Verbesserung gegenüber den ungetrimmten, siebgedruckten
Widerständen liegt im Ersetzen des Siebdruckprozesses durch
mehrere Ätzschritte, wodurch eine genauere Definition der geometrischen Widerstandsabmessungen ermöglicht wird. Die
Herausforderung für Materiallieferanten im Bereich der Dünnfilmwiderstände liegt zurzeit in der Herstellung einer größeren
Vielfalt von Materialien und der Realisierung von Widerstandswerten bis zu 100 k=sq. Zusätzlich ist eine, im Vergleich zu
Dickfilmwiderständen verbesserte Langzeitstabilität notwendig,
um den signifikant höheren Preis dieser Technologie zu
rechtfertigen.
1.1.3 Inkjet
Der Inkjet-Druck hat das Potenzial, in der Fertigung von elektronischen Schaltungen neue Wege zu öffnen. Die InkjetDrucktechnologie beruht darauf, dass kleinste Mengen von
Flüssigkeit (ca. 10 – 100 pl), die aus einem Reservoir ausgestoßen werden, unter dem Einfluss der Oberflächenspannung zu
kugelförmigen Tropfen zusammengezogen werden. Geschwindigkeit und Volumen der Tropfen sind dabei exakt reproduzierbar. Diese Flüssigkeit – oder Tinte – kann nun so beschaffen
sein, dass die unterschiedlichsten Funktionen realisiert werden
können. Beispiele (Calvert, 2001) im elektronischen Bereich
sind Leiter, Widerstände, Kondensatoren, aber auch FeldeffektTransistoren (Sirringhaus, 2000) und Displays.
Die Grundlagen für den Tintenstrahldruck wurden bereits im
19. Jahrhundert wissenschaftlich aufbereitet. Mitte des 20.
Jahrhunderts begann der Einzug der modernen Informationstechnologie in Industrie, Wissenschaft und Alltag und damit
auch der Wunsch, die erfassten oder berechneten Daten wieder
zu Papier zu bringen. In der Folge entwickelten sich dazu
verschiedenste Methoden wie Nadel-(Matrix-)Druck, Laserdruck
oder eben der Tintenstrahldruck.
In einer Ausformung des Tintenstrahldrucks, im so genannten Continuous-Inkjet-Prozess, werden kontinuierlich elektrisch
geladene Tropfen produziert und mit Hilfe eines elektrischen
Feldes abgelenkt, ähnlich wie die Elektronen in einer Kathodenstrahlröhre. Nicht benötigte Tropfen werden dabei in eine Ablaufrinne geleitet und dem Vorratsbehälter wieder zugeführt. Heute
wird dieser Prozess vor allem dort verwendet, wo in kurzer Zeit
große Mengen an Produkten mit variablen Daten beschriftet
werden müssen, z. B. beim Aufdruck des Verfallsdatums in
der Lebensmittel- und Pharmaindustrie.
Im Gegensatz zum Continuous-Inkjet-Verfahren werden
beim Drop-on-demand-Verfahren Tropfen genau dann produziert, wenn sie benötigt werden, also genau dann, wenn sich
die Düse über der richtigen Position auf dem Substrat befindet.
Das hat den Vorteil, dass die Tropfen nicht elektrisch geladen
sein müssen und maschinentechnisch der Aufwand des Rezirkulierens und der Ablenkung wegfällt.
Unter den Drop-on-Demand-Verfahren dominieren der
thermische Tintenstrahldruck und die Piezo-Technologie den
Markt. Andere Ansätze, wie elektrostatischer oder akustischer
Tintenstrahldruck, konnten sich bis jetzt nicht nennenswert
durchsetzen.
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Der Ausstoß des Tropfens aus der Düse wird bei diesen
beiden Verfahren durch eine Volumenänderung eines Flüssigkeitsreservoirs erreicht. Beim thermischen Tintenstrahldruck
wird die Tinte durch einen Spannungsimpuls in wenigen Mikrosekunden auf Temperaturen von ca. 300 C erhitzt. Dadurch
wird eine Dampfblase erzeugt, die die Tinte durch eine Düse
nach außen drückt. Wenn die Hitze verbraucht ist, fällt die
Dampfblase zusammen. Dadurch reißt der Tintentropfen an
der Düse ab und wird zum Substrat hin beschleunigt.
Beim Piezodruck wird die Volumenänderung mechanisch
über einen Piezokristall hervorgerufen, der sich beim Anlegen
einer Spannung verformt. Die dadurch generierte Druckwelle
pflanzt sich in Richtung der Düse fort. Unter dem Einfluss der
Oberflächenspannung beginnt sich an der Düse ein Tropfen zu
formen, der durch den verbleibenden Überdruck ausgestoßen
wird.
Thermische Druckköpfe sind wesentlich billiger in der
Herstellung, da dabei mit ähnlichen Prozessschritten gearbeitet
wird wie in der Halbleiterindustrie. Die mögliche Dichte der
Düsen ist ebenfalls höher. Ihre Lebensdauer ist jedoch kürzer
als bei Piezodruckköpfen, und die Spezifikationen für die Tinten
sind bei Weitem enger als bei Piezodruckköpfen, insbesondere
was die Wahl der Trägerflüssigkeit betrifft. Für elektronische
Anwendungen sind thermische Druckköpfe daher so gut wie
gar nicht geeignet.
Die AT&S Austria Technologie und Systemtechnik AG
begann im Jahr 2002 mit einem Forschungsprogramm mit
dem Ziel, den Tintenstrahldruck in die Fertigung von Leiterplatten einzuführen.
Als ersten Schritt auf diesem Weg entschloss man sich,
eingebettete Widerstände (Bauer, Purger, 2003) im Inkjetverfahren zu realisieren. Ziel des Projekts ist es, den Kunden eingebettete Widerstände im Bereich von 10 bis 1 M anbieten
zu können. Eine Toleranz von 5 % am Ende des gesamten
Leiterplatten-Produktionsprozesses wird dabei angestrebt, und
zwar ohne die Verwendung eines zusätzlichen Trimmprozesses.
In Abb. 4. sind Muster von inkjet-gedruckten Widerständen zu
sehen.
im selben Arbeitsschritt auf die Leiterplatte aufgebracht werden
und dann gemeinsam weiterverarbeitet werden. Im konventionell für diesen Prozess verwendeten Siebdruck müssen demgegenüber Siebe für jede Paste angefertigt und in mehreren
Schritten die einzelnen Pasten aufgebracht und gehärtet werden.
Im Projekt mussten sämtliche Eckpunkte des ,,magischen
Dreiecks‘‘ des Tintenstrahldrucks, nämlich die Tinte, der
Druckkopf und das Substrat, aufeinander abgestimmt werden.
Die Spezifikation der eigentlichen Druckmaschine sowie die
Prozessintegration stellen zusätzliche Herausforderungen.
Besondere Anforderungen stellt dabei das verwendete
Substrat: Eingebettete Widerstände werden auf Innenlagen
der Leiterplatte aufgedruckt. Die Kontaktflächen zum Rest der
Schaltung werden dabei von gegebenenfalls oberflächenbehandelten Kupferelektroden gebildet, während der Großteil des
Widerstands auf FR4 gedruckt wird. Dadurch stellt sich die
Problematik, dass das Widerstandsmaterial auf zwei unterschiedlichen Materialien haften muss. Dazu kommt noch, dass
auf Innenlagen üblicherweise eine Kupferhöhe von 17 mm
verwendet wird und die Oberflächenrauhigkeit des Substrats
3 – 4 mm beträgt (siehe Abb. 5). Die zu bedruckende Oberfläche
ist also auch geometrisch hochgradig strukturiert.
Abb. 5. Das Substrat für einen Widerstand – links Basismaterial,
rechts Elektrode
Abb. 4. Inkjet-gedruckte Widerstände
Obwohl beim Inkjet-Drucken neben der Länge und der
Breite auch die Schichtdicke zur Veränderung des Querschnitts
zur Verfügung steht, kann die Abdeckung des gesamten geforderten Widerstandsbereichs nur über die Verwendung mehrerer
Tinten mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten erreicht werden.
Analog zum Mehrfarbdruck einer Grafik können diese Tinten
4
Aufgrund von Kapillareffekten wird die Tinte an der Kante
zwischen Elektrode und Basismaterial nach außen gezogen.
Dadurch verringert sich die Materialmenge, die für den eigentlichen Widerstand zur Verfügung steht, und die Genauigkeit
des Widerstands sinkt. Als Gegenstrategie kann einerseits prozesstechnisch darauf geachtet werden, dass die Tropfen nach
dem Auftreffen so schnell wie möglich fixiert werden, andererseits kann durch eine geeignete Druckstrategie die Menge des
Materialauftrags so gesteuert werden, dass möglichst kleine
Tropfen ausgehärtet werden müssen.
Um reproduzierbar große Tropfen erzeugen zu können,
müssen Viskosität und Oberflächenspannung der Tinte genau
eingestellt werden. Für den Tintenstrahldruck einsetzbare
Tinten müssen typischerweise eine Viskosität von ca. 10 mPas
aufweisen, also nur eine Größenordnung höher als reines Wasser und vergleichbar mit Blut.
Entsprechend wenig Spielraum hat man bei der Auswahl
der Materialien für eine Tinte.
Tinten für den Widerstandsdruck stellen besonders hohe,
teils widersprüchliche Anforderungen an die Formulierung.
Tabelle 2. Basisformulierungen für eine UV-härtende Farbtinte bzw.
eine Widerstandstinte
Monomere
Oligomere
Pigmente
Photoinitiatoren
Additive
Standard Acrylattinte
Widerstandstinte
50 – 80 %
5 – 20 %
1–5%
5 – 15 %
<1%
70 – 80 %
<8 %
10 – 20 %
5 – 10 %
<1 %
Mit üblichen Farbtinten sind diese Flüssigkeiten ohnehin kaum
mehr zu vergleichen – siehe dazu Tabelle 2. Um überhaupt eine
elektronische Funktion erzielen zu können, müssen z. B. ca.
20 % der Tinte aus leitfähigen Partikeln bestehen, während für
einen farbigen Eindruck 5 % Farbstoffe mehr als ausreichen.
Dies bedingt u. a., dass der Anteil an Oligomeren, also längerkettigen Molekülen, verringert werden muss. Dies hat wiederum
negative Einflüsse auf die Härtung bzw. die Flexibilität der
gedruckten Strukturen. Dazu kommt noch die geforderte Stabilität der Widerstandswerte in den vielfältigen Prozessen, denen
eine Leiterplatte im Laufe der Produktion ausgesetzt ist, wie
z. B. Temperaturen bis 250 C und Drücke bis 20 bar.
Erst in den letzten Jahren ist es möglich geworden, ein
sauberes Druckbild auch auf nicht-saugenden Oberflächen,
wie sie z. B. im Fall der Leiterplatte vorliegen, zu gewährleisten.
Dazu ist es nötig, die Tinte möglichst schnell nach dem Auftreffen auf das Substrat zu stabilisieren. Verschiedene Mechanismen kommen in Betracht: Wachstinten werden bei erhöhter
Temperatur (ca. 70 – 130 C) gedruckt und erstarren beim Auftreffen auf das kalte Substrat. Eventuellen Haftungsproblemen
kann durch einen zusätzlichen Härtungsmechanismus, wie
UV-Härtung oder thermischer Behandlung, entgegengewirkt
werden. Für Anwendungen außerhalb des grafischen Bereichs
sind Wachstinten aufgrund der Schwierigkeit, große Mengen
an Pigmenten im Wachs stabil zu dispergieren, eher schlecht
geeignet. Bei lösungsmittelbasierenden Tinten können die
Lösungsmittel so gewählt werden, dass sich beim Drucken oder
durch die Heizung des Substrats eine Komponente schnell
verflüchtigt und die Viskosität der Tinte daher stark steigt. Bei
UV-härtenden Tinten wird durch eine starke UV-Lampe eine
Reaktion gestartet, die zum Erstarren der Tinte führt.
In diesem Fall wird meist ein so genanntes reaktives
Lösungsmittel verwendet. Diese Lösungsmittel – meist Monomere von Acrylaten – können selbst miteinander bzw. mit
beigemengten Acrylatoligomeren und -polymeren vernetzen.
Bis zu 100 % des Volumens der flüssigen Tinte liegen in diesem
Fall dann auch als Festkörper vor. Die Härtung der Acrylate
kann entweder durch UV-Härtung oder auch durch eine thermische Behandlung erfolgen. Ein Vorteil dabei ist, dass die
Tintenstabilität auch während der Lagerung bzw. im Druckkopf
selbst bedeutend höher ist als bei lösungsmittelbasierenden
Tinten und das Lösungsmittel selbst nach dem Aufdruck nicht
abgedampft werden muss, was auch ein ökologisches Plus
bedeutet. Vorsicht ist bei Acrylaten in Bezug auf eine mögliche
Hautsensibilisierung geboten, durch geeignete Behälter und die
Verwendung von Handschuhen ist das aber nicht als Problem
zu betrachten.
Die bei Acrylaten oft zu beobachtende Rissbildung ist auf
Schrumpfung des Materials zurückzuführen. Diese kann durch
eine sorgfältige Auswahl der Tintenkomponenten möglichst hintan gehalten werden.
Bei der Auswahl des Druckkopfes kamen, wie oben ausgeführt, nur Piezodruckköpfe für den industriellen Einsatz in
Betracht. Um die geforderte Genauigkeit einhalten zu können,
muss das Tropfenvolumen zwischen 10 und 30 pl liegen. Der
Druckkopf muss mit UV-härtenden und lösungsmittelbasierenden Systemen kompatibel sein und eine möglichst lange
Lebensdauer aufweisen. Weitere wichtige Gesichtspunkte sind
die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit des Druckkopfs, wie z.
B. die Fertigungstoleranzen zwischen den einzelnen Düsen in
Bezug auf Tropfenmasse und Richtung.
Abb. 6. AT&S Inkjet-Prozessentwicklungsmaschine
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Für eine möglichst effiziente Umsetzung der Forschungsergebnisse entschied sich AT&S, auf ein Stufenmodell bei der
Entwicklung der Hardware zu setzen: Prinzipielle Eigenschaften
einer Tinte können mit einem einfachen, so genannten
Single-Nozzle-Druckkopf, untersucht werden. Aufgrund seines
einfachen mechanischen Aufbaus bietet dieser Druckkopf ein
breiteres Parameterfenster und erlaubt es, schnell verschiedene Tintenformulierungen auszutesten.
Die zweite Stufe stellt ein System mit einem industriellen
Druckkopf mit 128 Düsen dar. Mit Hilfe dieses Systems können
die Druckparameter für die jeweilige Tinte festgelegt werden
und einfache Testsubstrate gefertigt werden.
Als leistungsfähigste Maschine steht der Forschungsabteilung bei AT&S ein Prozessentwicklungssystem (Abb. 6) zur
Verfügung, das es erlaubt, auf Leiterplatten voller Größe
(18 24 Zoll) bis zu zwei Tinten gleichzeitig aufzudrucken.
Mit dieser Maschine konnten Widerstände mit einer
Druckgenauigkeit um 5 % realisiert werden. Es konnte auch
gezeigt werden, dass mit Hilfe der Inkjettechnologie produzierte
Widerstände die Anforderungen an thermische Stabilität und
Feuchtelagerung erfüllen.
1.2 Eingebettete Kondensatoren
Neben den zuvor schon beschriebenen generellen Vorteilen
aller Einbettungsverfahren ergibt sich speziell für den Einsatz
von eingebetteten Entstörkondensatoren (decoupling capacitors) ein zusätzlicher Nutzen. Diese Kondensatoren können im
Idealfall genau unter einer integrierten Halbleiterschaltung in die
Leiterplatte eingebettet werden. Dadurch kann die Zuleitungslänge und damit die störende Induktivität minimiert werden.
Der Kapazitätswert (C) eines Kondensators wird bestimmt
durch seine Fläche (A), die Dielektrizitätskonstante ("r ) und die
Dicke des Dielektrikums (d).
es in der Leiterplattenproduktion notwendig, neben den passiven Komponenten (Widerstände, Kondensatoren) auch aktive
Komponenten in die Leiterplatte zu integrieren. Die Integration
aktiver Komponenten hat zusätzlich auch noch funktionelle
Gründe, wie z. B.: bessere Hochfrequenzeigenschaften durch
kürzere Signalwege, eine höhere thermo-mechanische Zuverlässigkeit und die Möglichkeit des Chip stacking.
Die hier vorgestellten Ergebnisse stammen aus dem von
der EU geförderten Projekt ,,HIDING DIES‘‘, das seit Jänner
2004 läuft. Das Konsortium in diesem Projekt besteht aus sieben Partnern, die aus fünf verschiedenen Ländern stammen.
€ sterreich),
Die Projektpartner sind IMEC (Belgien), Datacon (O
€ sterreich), CWM (Deutschland), Philips (Niederlande),
AT&S (O
Nokia (Finnland) und TU-Berlin (Deutschland).
Der prinzipielle Verfahrensablauf zur Einbettung gedünnter
Chips ist in Abb. 7 dargestellt. Im ersten Schritt wird der
gedünnte Chip (Dicke 50 mm) mit einem Kleber auf das strukturierte Innenlagencore bestückt. Anschließend wird der Chip
durch einen Verpressvorgang mit einer RCC Folie (Resin
Coated Copper Foil) in die Leiterplatte eingebettet. Der elektrische Kontakt zwischen der aktiven Komponente und der
Außenlage wird über einen Laserbohr- und Metallisierungsvorgang hergestellt. Die Außenlage wird mit einem Fotoprozess
strukturiert. In Abb. 8 ist der Aufbau einer Leiterplatte mit eingebettetem Chip dargestellt.
C ¼ "0 "r A=d
Da der Flächenbedarf von eingebetteten diskreten Kondensatoren naturgemäß so klein wie möglich sein sollte, muss zur
Erreichung eines bestimmten Kapazitätswertes ein Dielektrikum mit hohem "r verwendet werden, das durch die Auswahl
eines geeigneten Applikationsverfahrens in einer möglichst
dünnen Schicht aufgebracht wird. Eine Möglichkeit ist hier die
Verwendung eines so genannten CFP (Ceramic Filled Photodielectric) als Dielektrikum. Dieses Material verdankt sein hohes "r
einem keramischen Füllstoff und ist mittels eines Roller Coaters
in dünnen Schichten (12 – 15 mm) auftragbar. Die Aufbringung
erfolgt vollflächig. In nachfolgenden Prozessschritten wird das
fotoempfindliche Material durch entsprechende Belichtungsund Entwicklungsschritte strukturiert und so die Abmessungen
der diskreten Kondensatoren definiert. Die erreichbaren Kapazitätswerte liegen bei 17 – 20 pF=mm2. Die Toleranzen liegen je
nach Abmessungen der Kondensatoren zwischen 10 und 15 %.
Eine Alternative zu den oben beschriebenen diskreten Kondensatoren stellen flächige Kondensatorlagen dar. Diese werden in einem Aufbau Kupfer – Dielektrikum – Kupfer in der
Größe von Leiterplattenproduktionsformaten angeboten und
als zusätzliche Lage in eine mehrlagige Leiterplatte verpresst.
Die erreichbaren Kapazitätswerte liegen zwischen 1 pF=mm2
und 40 pF=mm2 . Die Dielektrikumsdicke bei den hoch kapazitiven Materialien beträgt dabei allerdings nur mehr einige wenige
mm, was das Handling dieser Lagen unter Fertigungsbedingungen extrem schwierig macht.
2. Einbettung aktiver Bauelemente
in die Leiterplatte
Um den Anforderungen der Miniaturisierung von verschiedenen
Anwendungen in der Elektronikindustrie gerecht zu werden, ist
6
Abb. 7. Prinzipieller Ablauf zur Integration gedünnter Chips
Abb. 8. Prinzipieller Aufbau eines Multilayers mit integriertem gedünnten Chip
Im Folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte zur
Integration aktiver Komponenten in die Leiterplatte im Detail
beschrieben und diskutiert.
2.1 Bestückung der Leiterplatte
Vor dem Bestückvorgang muss ein Wafer speziell für diese
Technologie vorbereitet werden. Da die herkömmlichen Kontaktpads aus Aluminium mit den üblichen Leiterplattenprozessen wie Laserbohren und Metallisierung nicht kompatibel sind,
müssen diese Pads mit einer Metallschicht, bevorzugt aus Kupfer, überzogen werden. Bei Chips mit sehr kleinem Pitch ist eine
direkte Ankontaktierung der Pads aufgrund unzureichender
Genauigkeit der derzeitigen Verfahren nicht möglich, und es
muss daher eine Umverdrahtungslage aufgebracht werden.
Mit dieser Umverdrahtungslage ist es möglich, die kleinen
Randkontakte auf dem Chip flächig zu verteilen, so dass der
Abstand und der Durchmesser der Kontakte vergrößert werden
kann und mit den derzeit verfügbaren Genauigkeiten der Leiterplattenfertigung weitergearbeitet werden kann. Nach dem Aufbringen der Kupferschicht wird der Wafer auf eine Dicke von
50 mm gedünnt und in einzelne Chips zersägt.
Zur Fixierung der Chips auf dem Substrat wird ein Flüssigkleber oder ein spezielles Klebetape verwendet. Der Flüssigkleber kann durch Siebdruck, Schablonendruck oder durch
Dispensieren aufgebracht werden. Die Schwierigkeit bei diesen
Verfahren ist es, den Kleber mit sehr geringen Schichtdicken
von 20 mm blasenfrei und konstanter Dickenverteilung aufzubringen. Das Klebetape kann vorab auf das zu bestückende
Substrat oder vor dem Zersägen direkt auf die Waferunterseite
laminiert werden. Mit dem Tape können Schichtdicken von
10 mm bei sehr guter Dickenverteilung realisiert werden.
Nach dem Aufbringen des Klebers erfolgt der Bestückvorgang und wird auf automatischen Bondern mit speziellen Tools
zur Verarbeitung von gedünnten Chips durchgeführt. Eine sehr
wesentliche Einschränkung ist es, dass zurzeit eine Bestückung
auf Substraten mit Verarbeitungsformaten (z. B.: 18 24 Zoll),
die in der Leiterplattenproduktion üblich sind, mit der geforderten Genauigkeit von kleiner 15 mm noch nicht möglich ist. Die
Bestückung erfolgt auf Substraten mit 10 cm 10 cm, diese
werden dann in einen Rahmen entsprechend der Größe des
Verarbeitungsformates eingelegt und weiter prozessiert. Damit
die geforderten hohen Bestückgenauigkeiten erreicht werden,
erfolgt die Registrierung lokal an Registriermarken, die so nahe
wie möglich am Chip angebracht sind.
imalen Druck von 20 bar und dauert 120 min. Zur Minimierung
der Verwölbung wird anschließend das Laminat unter Druck
abgekühlt.
Zur Chipeinbettung wurde eine RCC-Folie mit sehr hohem
Füllstoffanteil, hochgefüllte RCC hoher Glasübergangstemperatur und guten Fließeigenschaften verwendet. Für die Auswahl
Abb. 10. Optimale Dickenverteilung des Dielektrikums über dem
eingebetteten Chip
Abb. 11. Mit dem UV-Laser geöffnete Kupferschicht
2.2 Chipeinbettung durch Verpressen mit RCC-Folie
Die Einbettung der Chips erfolgt durch Verpressen des bestückten und strukturierten Innenlagen-Cores mit einer RCC-Folie
unter Vakuum. Das Vakuum sichert eine blasenfreie Verteilung
des Dielektrikums nach dem Verpressen. Durch einen speziellen Aufbau des Pressbuches, bestehend aus Polsterpapier,
Trennfolien und Stahlblechen, wird eine gleichmäßige Druckverteilung und in weiterer Folge eine optimale Einbettung des
Chips und eine ebene Oberfläche erzielt. Die Verpressung
erfolgt bei einer maximalen Temperatur von 235 C, einem max-
Abb. 9. Eingebetteter gedünnter Chip
e&i
Abb. 12. Laserbohrmaschine mit UV- und CO2-Bohrkopf
7
Abb. 13. Leiterplatte mit lokalen Alignmentmarken für Laserbohren und Fotoprozess
der geeigneten Basismaterialien sind verschiedene Anforderungen entscheidend. Das Basismaterial sollte für hochfrequente
Signale geeignet sein. Aufgrund der geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium-chips und Kupfer muss der
CTE (Coefficient of Thermal Expansion) des Basismaterials
auch dementsprechend niedrig sein, damit unter Temperatureinfluss die thermischen Spannungen auf ein Minimum reduziert
werden. Die Wärmeleitfähigkeit muss möglichst hoch sein, damit
die Verlustwärme des Halbleiters gut abgeführt werden kann.
Damit der Chip optimal eingebettet wird, muss das Harz während
des Verpressvorganges gute Fließeigenschaften besitzen.
Für die weitere Prozessierung (Laserbohren, Metallisierung)
sind die Dielektrikumsdicke und die gleichmäßige Verteilung
des Dielektrikums über dem Chip wichtige Einflussfaktoren.
Die Dicke des Dielektrikums beeinflusst den Durchmesser
der für die Chipkontaktierung benötigten Micro-vias, und die
Dickenverteilung ist wichtig für das Prozessfenster beim Laserbohren. Diese beiden Größen hängen von Kleberdicke bzw.
-verteilung, Chipdicke bzw. -verteilung, Chipanzahl und vom
Verpressprozess ab. Bei einem Micro-via Durchmesser von
50 mm wird eine Dielektrikumsdicke zwischen 20 und 30 mm
angestrebt. Abbildung 9 zeigt einen eingebetteten Chip.
Abbildung 10 zeigt eine optimale Dickenverteilung des Dielektrikums über dem Chip.
UV-Laser geöffnet (Abb. 11), und anschließend wird das Harz
mit einem CO2-Laser bis zu den Chippads entfernt. Der Vorteil
dieses kombinierten Systems ist, dass die Chippads nicht durch
Abb. 15. Optimal registrierter und ankontaktierter Chip in Aufsicht
2.3 Laserbohren
Für das Bohren der Micro-vias zur Ankontaktierung der Chippads wird eine Laserbohrmaschine mit einem kombinierten
Lasersystem verwendet. Das Kupfer wird zuerst mit einem
Abb. 14. Micro-via zur Ankontaktierung des Chippads
8
Abb. 16. Hohe Leiterzugsdichte im Bereich über dem eingebetteten
Chip
den CO2-Laser beschädigt werden. Bei reinen UV-Lasersystemen ist hingegen die Gefahr der Beschädigung bei
schwankenden Dickenverteilungen oder Prozessparametern
gegeben. Abb. 12 zeigt eine Laserbohrmaschine mit kombiniertem Lasersystem.
Da der Durchmesser der zu kontaktierenden Chippads in
einem Bereich von 150 mm liegt, reicht die Genauigkeit der in
der Leiterplattenproduktion üblichen Registrier- und Alignmentmethoden nicht mehr aus. Die Registrierung erfolgt daher auf
vier lokale Alignmentmarken auf der Innenlage, d. h. auf der
Lage, auf die der Chip bestückt ist. Diese Marken müssen
zuerst mit dem Laser freigelegt werden (Abb. 13).
2.4 Ankontaktierung und Metallisierung
Nach dem Bohren der Micro-vias mit dem Laser erfolgt die
Bohrlochreinigung und Metallisierung. Zuerst wird das Bohrloch
mit einer Permanganatätze, dem so genannten Desmearingschritt, von Harzrückständen befreit. Anschließend wird die
Oberfläche mit Palladium aktiviert, damit chemisch Kupfer
(Schichtdicke von 0,5 – 0,8 mm) aufgebracht werden kann. Als
letzter Schritt wird galvanisch Kupfer aufgebracht, wobei die so
genannte Pulse-Plating-Technologie verwendet wird. Abbildung
14 zeigt ein mit diesem Verfahren ankontaktiertes Chippad.
2.5 Fotoprozess auf der Außenlage
Die Strukturierung der Außenlagen erfolgt durch einen Fotoprozess mit anschließendem Sprühätzen. Damit hier die geforderten hohen Genauigkeiten von besser als 15 mm erreicht
werden, ist auch hier die Registrierung auf lokale Aligmentmarken (Abb. 13) erforderlich. Abbildung 15 zeigt einen optimal
registriert und ankontaktierten Chip von oben. Mit StandardResisten, die etwa eine Dicke von 30 mm besitzen, ist die erzielbare Feinheit des Leiterbildes nicht ausreichend (Abb. 16)
Damit Leiterabstände von 50 mm strukturiert werden können,
ist es erforderlich, Resiste mit einer Dicke von 15 – 20 mm einzusetzen, wobei auch die Kupferdicke der Außenlage in einem
Bereich von 25 mm liegen sollte.
3. Zusammenfassung
In innovativen Branchen wie z. B. der Telekommunikation und
der Automobilindustrie spielen mikroelektronische Produkte mit
e&i
hohem Integrationsgrad eine wesentliche Rolle, d. h. immer
kleinere Endgeräte (Mobietelepone, Organizer etc.) mit immer
mehr Funktionen werden nachgefragt. Damit steigt auch die
Nachfrage nach neuen Technologien, die einerseits die Miniaturisierung von Systemen und damit von Leiterplatten ermöglichen und andererseits die Erhöhung der Produktivität durch
Zusammenfügung von Subsystemen zu modulartigen Einheiten
ermöglichen.
AT&S bietet als innovativer Leiterplattenhersteller bereits
heute Technologien zur Einbettung von passiven Bauelementen
in die Leiterplatte an. Es ist absehbar, dass sich in nächster
Zukunft dieser Trend aufgrund des fortschreitenden Miniaturisierungsbedarfs massiv verstärken wird und sich im Bereich der
Einbettung von aktiven Bauelementen fortsetzt. Unter Verwendung beider Technologien wird es möglich sein, extrem hohe
Packungsdichten zu realisieren und damit den Herstellern von
Endgeräten die Möglichkeit zu geben, den nächsten Schritt in
Richtung Leistungssteigerung und Miniaturisierung zu gehen.
Danksagung
Die Autoren bedanken sich bei der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH für die Unterstützung des
Inkjet-Projekts im Rahmen der Basisprogramme, beim Team
des Christian-Doppler-Labors ,,Advanced Functional Materials‘‘
für die Zusammenarbeit, bei der Christian-Doppler-Forschungsgesellschaft für die Förderung dieses Labors und bei der Europäischen Kommission für die finanzielle Unterstützung des
Projekts ,,HIDING DIES‘‘ im Zuge des 6. Rahmenprogramms.
Literatur
Bauer, W., Purger, S. (2003): Integration aktiver und passiver Bauelemente in die Leiterplatte. e&i 2003, H.6: a11–a13.
Calvert, P. (2001): Inkjet printing for materials and devices. Chem.
Mater., 2001, 13: 3299–3305.
Chinoy, P., Langlois, M., Schemenaur, J. (2002): High ohmic value
embedded resistor material. Circuitree, March 2002.
HIDING DIES: http:==www.hidingdies.net=.
Sirringhaus, H., et al (2000): High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits. Science, 2000, 290: 2123–2126.
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Einbettung aktiver und passiver Bauelemente in mehrlagige

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