Arnold Wiemers Technologische Aspekte zukünftiger elektronischer Baugruppen ...

41 Pages·2017·6.02 MB·German

smthybridpackaging
16.-18. Mai 2017 in Nürnberg
Arnold Wiemers
n
e
p
p
u
Technologische Aspekte zukünftiger gr
u
a
B
elektronischer Baugruppen r
e
g
nfti
ü
Betrachtung der Verknüpfungen zwischen dem CAD-Design, k
u
z
der Leiterplattentechnologie, der Baugruppenproduktion und e
der Funktion einer elektronischen Baugruppe. ekt
p
s
A
e
h
c
s
gi
o
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LeiterplattenAkademie hn
c
e
T
1
Stand 14.05.2017 / Arnold Wiemers / LA-LeiterplattenAkademie GmbH
…eine kleine Reise durch die Zeit…
1948 Die Grundlagen der Leiterplattentechnik
waren wenige Jahre vorher gelegt worden.
Üblich war aber noch lange Zeit die freie
händische Verdrahtung der Komponenten
eines Gerätes.
n
e
p
Bildquelle ELEKTRONIKPRAXIS 12-2015 p
u
r
g
1965 Elektronische Getriebesteuerung. u
a
B
Transistorsteuerung, die das Kuppeln und die r
e
g
manuelle Gangwahl übernommen hat. nfti
Entwickelt von Hermann Scholl für Bosch als kü
u
z
Alternative zum Automatikgetriebe. e
kt
e
Bild-und Textquelle ELEKTRONIKPRAXIS 18-2015 p
s
A
2014 MCU eines Controllerboards für die e
h
c
Steuerung einer Industrieanlage. s
gi
o
Die Komponenten der Baugruppe sind in ol
n
h
SMT-Technik ausgeführt. Die Verbindung der c
e
T
Bauteile mit der Oberfläche der Leiterplatte
2
wird durch Reflowlöten hergestellt.
Entrèe
Die Konstruktion elektronischer Bau-
gruppen muß mehr denn je bereits
im Vorfeld des Schaltplan- und CAD-
Designs die Produktion der Leiter-
platten und Baugruppen beachten.
n
e
p
p
Die technologische Vielfalt der Anwen- u
r
g
u
dungen sowie der Variantenreichtum a
B
von Basismaterialien, Lagenaufbauten, er
g
elektronischen Komponenten und Ver- nfti
ü
bindungsstrategien entscheiden über uk
z
die Qualität und den Preis. e
kt
e
p
s
A
Doch welche Konstruktionsregeln e
h
c
führen zu effektiven und bezahlbaren s
gi
Geometrien auf der Leiterplatte ? olo
n
h
Wie ist eine Baugruppe im internationalen Wettbewerb zu bewerten ? c
e
T
Können wir den Einfluß der Physik bereits ausreichend berücksichtigen ?
3
Können wir Highspeed-Baugruppen überhaupt beherrschen ?
Was kommt…
IoT, Industrie 4.0, IT-Sicherheit, Big Data, autonome Systeme, Cloud
Computing, Smart Home, heterogene Netzwerke und kollaborierende
Roboter :
Diese Strategien und Aufgaben sind nur auf der Basis
funktionierender elektronischer Baugruppen möglich.
n
e
p
p
u
Das erfordert vorausschauendes Wissen. gr
u
a
B
r
Bildquelle Siemens / Internet März 2017 ge
nfti
ü
k
u
z
e
kt
e
p
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A
e
h
c
s
gi
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ol
n
h
c
e
T
4
Vernetzte Spinnenroboter arbeiten zusammen als mobiler 3D-Drucker.
Vom CAD-Layout zur Baugruppe
Schaltplankonstruktion
Bauteillogistik
n
e
p
CAD-Bibliothek p
u
r
g
u
CAD-Design a
B
r
e
g
Leiterplattentechnologie nfti
ü
k
Basismaterial u
z
e
kt
Designregeln pe
s
A
e
Physik h
c
s
gi
o
Dokumentation ol
n
h
c
Baugruppenproduktion e
T
5
Schulung + Ausbildung
Vom CAD-Layout zur Baugruppe
Das CAD-Layout liefert die Konstruktions-
vorlage für die Fertigung der Leiterplatte.
Die Bauteilgeometrien werden aus der Biblio-
thek eingefügt.
Die Verbindungen der Bauteile werden dem
n
Schaltplan entsprechend geroutet. e
p
p
u
r
Die Leiterplatte ist der Träger der elektri- g
u
a
schen und mechanischen Komponenten auf B
r
e
der Baugruppe. g
nfti
Die Leiterbahnen verbinden die Bauteile mit- ü
k
u
einander. Lagenwechsel werden bei Bedarf z
e
über Vias ermöglicht. kt
e
p
s
A
Die Baugruppe sorgt dafür, daß die Bauteile e
h
c
durch geeignete Montagestrategien stabil s
gi
o
montiert werden können. ol
n
h
Aus den im CAD-Layout virtuell geplanten c
e
T
Funktionen wir der real einsetzbare Teil eines
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komplexeren Gerätes oder einer Maschine.
Layout, Leiterplatte und Baugruppe
Regel (Layout, Leiterplatte, Baugruppe)
Die Disziplinen CAD-Layouterstellung, Leiterplattenfertigung und
Baugruppenproduktion bedingen sich gleichwertig gegenseitig.
CAD Das CAD-Layout liefert die Fertigungsdokumente für
n
die Produktion der Leiterplatte und der Baugruppe. e
p
p
u
r
g
Leiterplatte Die Leiterplattentechnologie liefert die Konstruktions- u
a
B
vorgaben für die Erstellung des CAD-Layoutes und stellt r
e
g
die Leiterplatten für die Baugruppenproduktion bei. nfti
ü
k
u
Baugruppe Die Baugruppentechnologie definiert die Anforderungen e z
kt
an die Qualität der Leiterplatte und an die Konstruktion e
p
s
des Layouts. A
e
h
c
s
gi
o
ol
n
h
Regel (Formulierung von Designregeln) ec
T
Die Formulierung von Designregeln ist nur möglich über die Analyse der
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Fertigungsbedingungen für die Leiterplatten- und Baugruppenproduktion.
Vom CAD-Layout zur Baugruppe
Schaltplankonstruktion
Bauteillogistik
n
e
p
CAD-Bibliothek p
u
r
g
u
CAD-Design a
B
r
e
g
Leiterplattentechnologie nfti
ü
k
Basismaterial u
z
e
kt
Designregeln pe
s
A
e
Physik h
c
s
gi
o
Dokumentation ol
n
h
c
Baugruppenproduktion e
T
8
Schulung + Ausbildung
Schaltplankonstruktion
Constraints
Die Dokumentation der "reinen" Verdrahtung der elektronischen
Komponenten untereinander ist die notwendige Aufgabe eines
Schaltplanes.
Darüber hinaus müssen heute Schaltplan für "meltemi" (~ LP2010). n
e
p
ausführliche Informationen zur p
u
r
Funktion der Baugruppe bereits g
u
a
mit dem Schaltplan geklärt sein B
r
e
und dort vorgegeben werden. g
nfti
ü
Die Zuordnung von Signallayern uk
z
zu Powerlayern definiert die e
kt
e
Integrität der Baugruppe. p
s
A
Impedanz, Stromtragfähigkeit e
h
c
und Entwärmung müssen er- s
gi
mittelt und für das CAD-Design olo
n
verbindlich festgelegt werden. h
c
Quelle Gerhard Eigelsreiter / Unitel 2008 e
T
Das erfordert bereits sehr stabile
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Kenntnis über die Leiterplatten- und Baugruppenproduktion.
Vom CAD-Layout zur Baugruppe
Schaltplankonstruktion
Bauteillogistik
n
e
p
CAD-Bibliothek p
u
r
g
u
CAD-Design a
B
r
e
g
Leiterplattentechnologie nfti
ü
k
Basismaterial u
z
e
kt
Designregeln pe
s
A
e
Physik h
c
s
gi
o
Dokumentation ol
n
h
c
Baugruppenproduktion e
T
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Schulung + Ausbildung
SMD : Bauteilauswahl
In der Konstruktions- und Entwicklungsphase ist die Wahl der geeigneten
Bauteile entscheidend, weil deren Footprints einen massiven Einfluß auf
das CAD-Design haben.
Aluminium-Elektrolytkondensator im
n
e
Metallgehäuse für die Oberflächen- p
p
u
montage. gr
u
a
B
Unterseite mit Lötanschlüssen r
e
g
Aufsicht mit Angabe des Bauteilwertes nfti
ü
Seitenansicht auf den Gehäusekörper k
u
z
e
kt
e
p
Diode der Bauform minimelf in einem As
e
runden Glasgehäuse. h
c
s
gi
o
Glaskörper ol
n
h
c
Lötanschluß e
T
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Kennung der Anodenseite
SMD : Bauformen
Elektronische Bauteile mit unterschiedlichster Funktion sind als SMD
verfügbar und müssen auf Leiterplatten verarbeitet werden können.
Die Vielfalt der Bauformen führt zu einer Vielfalt an Lötflächengeometrien.
Im Zuge der Erstellung des CAD-Layouts legt die Plazierung der Bauteile
auch den Aufwand (…und die Kosten) für die Bestückung fest.
n
e
p
p
u
SMD-Bauformen r
g
u
a
IC so16 r B
e
g
Transistor sot23 nfti
ü
k
Widerstand 0402 zu
e
kt
Quarz hc49 pe
s
A
Kondensator 0805 e
h
c
s
Diode minimelf gi
o
ol
n
Kondensator 1208 h
c
e
T
Kondensator Typ C
12
Vom CAD-Layout zur Baugruppe
Schaltplankonstruktion
Bauteillogistik
n
e
p
CAD-Bibliothek p
u
r
g
u
CAD-Design a
B
r
e
g
Leiterplattentechnologie nfti
ü
k
Basismaterial u
z
e
kt
Designregeln pe
s
A
e
Physik h
c
s
gi
o
Dokumentation ol
n
h
c
Baugruppenproduktion e
T
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Schulung + Ausbildung
Leiterplatten und spezielle Multilayersysteme…
…finden sich heute in allen Bereichen unseres täglichen Lebens :
Medizinische Geräte, Flugzeuge, Raumfahrt, Sicherheitseinrichtungen,
Automotive, Industriesteuerungen, Unterhaltungselektronik, Film und
Fernsehen, im Transportwesen, als Hauselektronik und in allen
Bereichen der Kommunikationen. n
e
p
p
u
r
g
u
a
Hohe Datenraten (> 4GBit/s) B
r
e
g
Bildbearbeitung nfti
ü
k
u
Digitales Fernsehen z
e
LVDS kt
High definition TV (HDTV) e
p
s
A
e
h
Hohe Frequenzen (> 15 GHz) c
s
gi
o
Sensor Technologie ol
n
h
c
Fahrerassistenzsysteme e
T
Abstandsradar in Autos/LKWs 14
Differential Microstrip
Strategische Anforderungen an Leiterplatten
Es müssen etliche Anforderungen bei der
Konstruktion einer Leiterplatte für eine High-
speed-Baugruppe berücksichtigt werden.
Impedanz Si
gn n
Signalqualität Edge metallizingali pe
nt p
u
eg gr
EMV rit au
Abschirmung ät r B
e
g
Powerintegrität nfti
ü
k
Funktionale Stabilität Cooling zu
e
kt
e
Kapazitive Powerplanes p
s
A
Breitbandige Entkopplung e
h
c
s
Entwärmung ogi
ol
Funktionale Stabilität n
h
c
e
T
Signalintegrität
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Funktionale Stabilität ML-System
Aspekte moderner Produktionsverfahren 1
Die Technologie für die Fertigung von Leiter-
platten muß die Konstruktion hochleistungs-
fähiger Baugruppen unterstützen.
Die wichtigsten Prozeßtechniken sind :
n
e
p
MicroVia p
u
Microvias r
g
u
Laser / Mechanisch gebohrt a
B
r
Enddurchmesser bis minimal 50µm e
g
nfti
ü
k
Laserschnitt der Kontur u
z
Kanalbreite bin minimal 30µm e
kt
e
Laser cut p
s
A
Hybridmultilayersystems e
h
Kombination unterschiedlicher sc
gi
Basismateriallaminate o
ol
n
h
c
e
Laser direct imaging (LDI) für MFT T
Leiterbahnbreiten bis minimal 50µm 16
CCD-milling
Aspekte moderner Produktionsverfahren 2
Von Bedeutung sind neue Verfahren, die eine höhere Verdrahtungsdichte
ermöglichen. Das zielt in Richtung Miniaturisierung der Leiterbahnbreiten
und -abstände sowie der Viadurchmesser.
Die wichtigste Aufgabe der Leiterplattentechnik ist jedoch, fertigungs-
bedingte Toleranzen zu reduzieren.
n
e
p
p
CNC Bearbeitung ru
g
u
Bohren und Fräsen mit a
B
CCD-Kamera registrieren er
g
nfti
Selektive Kontaktierungen kü
u
z
BlindVias / BuriedVias e
Blind-und Buried Vias kt
e
p
Pluggen s
A
e
ViaInPad h
c
s
Entwärmung gi
o
ol
n
Partielles Verpressen ch
e
T
Starrflexible Aufbauten
Höhenniveaus / Hohlräume 17
Gepluggte Vias
Bohrungen : Bohrklassen in einem Multilayer
In einem Multilayer können die verschiedenen Kontaktierungsoptionen
miteinander kombiniert werden. Dadurch ergeben sich viele mögliche
Strategien für die Stromversorgung einer Baugruppe und für die Ver-
drahtung der erforderlichen Signalwege.
Der Lagenaufbau des Multilayers muß auf die Kontaktierungsstrategie
n
abgestimmt sein. Dementsprechend muß der Lagenaufbau vor Beginn e
p
p
der Arbeiten am CAD-System verbindlich vorliegen. u
r
g
u
a
B
Beispiel (Kontaktierungsoptionen) r
e
g
Kontaktierungen an einem nfti
ü
k
12-Lagen-Multilayer u
z
e
kt
e
p
BlindVia s
A
(gelasert) e
h
c
s
gi
BuriedVia o
ol
n
(gebohrt) h
c
e
T
Durchkontaktierung
18
(gebohrt)
Bohren : Schliff durch ein Microvia
Bohrungen mit einem Enddurchmesser LY-Top
von 200µm sind bei einer Leiterplatten-
dicke von bis zu 1.60mm Standard. LY-2
Enddurchmesser von 100µm sind
möglich. Das Problem ist weniger das LY-3
n
mechanische Herstellen der Bohrung. e
p
p
LY-4 u
Entscheidend ist die gleichmäßige gr
u
a
Durchflutung der Hülse im Galvanobad B
LY-5 r
während des Kontaktierungsprozesses. ge
Oberflächenspannung und Kapillareffekt nfti
ü
LY-6 k
wirken einer Durchflutung entgegen. u
z
e
kt
e
Metallisierte Hülse LY-7 sp
A
25µm Kupferdicke e
h
c
s
LY-8 gi
Enddurchmesser oder olo
n
100µm Lochdurchmesser h
c
e
T
LY-9
Viabohrung 19
150µm Bohrwerkzeug LY-Bot
Basismaterial : Chemische Stoffgruppen
Gruppe Zusammensetzung Tg [°C] (cid:304) [100MHz]
r
BT Bismaleimid-Triazinharz 180 - 220 3.9 - 4.9
mit Quarzglas
CE Cyanatester mit Quarzglas 230 3.6
n
CEM1 Hartpapierkern mit 130 4.7 e
p
p
FR4-Außenlagen u
r
g
CEM3 Glasvlieskern mit 130 5.2 u
a
B
FR4-Außenlagen r
e
g
FR2 Phenolharzpapier 105 4.7 nfti
ü
FR3 Hartpapier 110 4.9 k
u
z
FR4 Epoxid + Glasgewebe 135 - 170 4.5 e
kt
FR5 Epoxid + Glasgewebe 160 4.6 e
p
s
PD Polyimidharz 260 4.2 - 4.6 A
e
h
PTFE Polytetrafluoräthylen 240 - 280 2.2 - 10.2 c
s
gi
mit Glas oder Keramik o
ol
CHn Vernetzte Kohlenwasser- 300 4.5 - 9.8 hn
c
e
stoffe mit Keramikfüllung T
20
Standardmaterial Hochwertiges Material