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Die heutige Elektronikbranche wird von einem starken Miniaturisierungstrend bestimmt. Die Komponenten werden immer kleiner, was auch neue Anforderungen an das Design der Leiterplatten mit sich bringt, auf denen sie montiert werden. Die NCAB Group befasst sich umfänglich mit der Arbeit der IPC zur Entwicklung von Standards für Ultra-HDI-Leiterplatten. Wir werden bereits im Jahr 2023 in der Lage sein, unsere Kunden mit derartigen Leiterplatten zu beliefern.

Die Anzahl der Elektronikanwendungen, in denen Miniaturisierung stattfindet, wächst kontinuierlich. So gibt es inzwischen BGA-Komponenten (Ball Grid Array), die extrem kleine Leiterbahnbreiten und -abstände auf der Platine erfordern. Die Designs, in denen sie zum Einsatz kommen, weisen eine noch höhere Dichte auf als bisherige HDI-Leiterplatten (High Density Interconnect). Mit Dielektrikumsdicken und Isolationsabständen bis hinunter zu 50 µm galten diese Leiterplatten bisher als sehr dicht.

„NCAB erhält inzwischen täglich Anfragen zu Platinen, bei denen kleinere Leiterbahnbreiten und -abstände als bei HDI-Leiterplatten gefordert sind.“

Jan Pedersen, Director of Technology, NCAB Group

„Diese hoch miniaturisierten neuen Komponenten wurden unter anderem in Telekommunikationstechnik für 5G, Sensoren und den High-End-Smartphones der großen Hersteller eingesetzt. Jetzt beobachten wir, dass diese Technologie in weitere Segmente der Branche vordringt. Die NCAB erhält inzwischen täglich Anfragen zu Platinen, bei denen kleinere Leiterbahnbreiten und- abstände als bei regulären HDI-Leiterplatten gefordert sind. Dies gilt zum Beispiel für Anwendungen aus der Medizintechnik und dem Automobilbau“, erläutert Jan Pedersen, Director of Technology bei der NCAB Group.

Fehlende Industriestandards für Ultra-HDI

Das Problem entsteht durch den Mangel an Industriestandards für das Design derartiger Leiterplatten und die Leistungs- und Qualitätsanforderungen, welche sie erfüllen müssen. Die Hersteller, welche bisher für die Produktion von Ultra-HDI-Leiterplatten zuständig waren, wurden bereits in einer sehr frühen Phase von Großunternehmen wie Apple, Intel, Samsung und ähnlichen beauftragt. Diese haben umfangreiche Investitionen in die zuständigen Fabriken getätigt, wodurch andere es schwer haben, Zugang zu neu entwickelten Technologien zu erlangen.

Es gibt bereits Fabriken, die Leiterplatten mit einer Dielektrikumsdicke und Isolierabständen unter 50 µm herstellen können. Diese sind jedoch noch nicht in der Lage, bis hin zu den wirklich kleinen Abständen von 20–25 µm zu arbeiten, welche heutzutage an manchen Stellen benötigt werden. In der Absicht, die Probleme zu lösen und einen geeigneten, gut durchdachten Industriestandard zu schaffen, hat das IPC-Industriegremium eine Arbeitsgruppe für die neuartige Technologie eingesetzt, die letztendlich die Bezeichnung „Ultra HDI“ erhielt. Jan Pedersen führt den Vorsitz dieser Arbeitsgruppe.

„Ich war Vorsitzender des IPC-Ausschusses für Medizintechnik, wo wir die Ausgabe neuer Anforderungen und Parameter diskutierten. Mit der Zeit ging diese Diskussion immer weiter ins Detail, was schließlich zur Bildung der Arbeitsgruppe führte. In den letzten drei Jahren hat die Gruppe an der Entwicklung einer neuen IPC-Norm für das gearbeitet, was wir nun als Ultra-HDI-Leiterplatte kennen. Wir haben ein Dokument erstellt, das als Richtlinie zur Festlegung von Design- und Fertigungsstandards für diese Platinen dient“, erzählt Jan Pedersen.

„Diese hoch miniaturisierten neuen Komponenten wurden unter anderem in Telekommunikationstechnik für 5G, Sensoren und den High-End-Smartphones der großen Hersteller eingesetzt.“

Jan Pedersen, Director of Technology, NCAB Group

Größere Investitionen notwendig

Als Ultra-HDI-Leiterplatten werden Produkte bezeichnet, bei denen Leiterbahnbreiten, Isolationsabstände und Dielektrikumsdicken unter 50 µm und der Microvia-Durchmesser unter 75 µm liegen und deren Eigenschaften den bestehenden Standard IPC-2226 Level C übertreffen. Es sind umfangreiche Modernisierungen notwendig, um Fabriken die Herstellung von Ultra-HDI-Leiterplatten zu ermöglichen. Dazu sind Investitionen in der Fertigungsstufe erforderlich, welche sowohl die Ausrüstung als auch den Produktionsprozess betreffen.

Die bisherige Entwicklung wurde „Henne-Ei-Problem“ verlangsamt. Die Fabriken konnten nichts produzieren, von dem die Kunden nicht wussten, wie sie es entwickeln sollten, und die Kunden konnten wiederum keine Leiterplatten bestellen, welche die Fabriken gar nicht herstellen konnten. Damit die Fabriken Kapazitäten aufbauen können, benötigen sie zuerst einen Leiterplattenstandard, auf den sie ihre Fertigung ausrichten können. Mit der Richtlinie, welche die Arbeitsgruppe der IPC im Herbst freigeben wird, verfügt die Branche über einen gemeinsamen Standardentwurf, auf dem sie aufbauen kann.

Interne Arbeit zur Unterstützung der Fabriken

„Bei der NCAB arbeitet eine spezielle Gruppe unseres internen technischen Beirats daran, unsere Fabriken beim Aufbau von Kapazitäten zu unterstützen, welche den Anforderungen von Ultra HDI entsprechen. Ein wichtiges Verfahren ist die sogenannte mSAP (modifizierte semi-additive Verarbeitung), bei der Kupfer auf eine dünne Ausgangslage aufgetragen wird, statt es von einer dickeren Lage wegzuätzen. Dies ist auch besser für die Umwelt, da weniger Kupfer benötigt wird. Einige Fabriken beherrschen dies bereits bis zu einem gewissen Grad“, so Jan Pedersen.

Die höhere Stufe der Miniaturisierung erfordert auch eine ausreichend hohe Auflösung bei der Übertragung des Leiterbilds auf die Leiterplatte. Daher muss die Fabrik über modernste LDI-Ausstattung (Laser Direct Imaging) verfügen. Zusätzlich muss die Fertigungsumgebung extrem rein sein, um Verschmutzungen und Staub zu vermeiden, was ebenfalls mit erheblichen Investitionen verbunden ist. Auch Testprozesse und die Geräte zur automatischen optischen Inspektion (AOI) müssen aktualisiert werden, um potenzielle Platinenfehler zu erkennen und zu vermeiden. Ebenso muss die Ausstattung und die Chemie des Aufkupferungsprozesses modernisiert werden. Daneben entsteht durch die Miniaturisierung auch Bedarf an reineren und homogeneren Basismaterialien.

„Für die Unterstützungsarbeit, die NCAB den Fabriken leistet, ist es natürlich von Vorteil, dass ich die IPC-Arbeitsgruppe geleitet habe und daher einen guten Überblick über die Herausforderungen besitze, die Ultra HDI mit sich bringt. Unsere Fabriken, insbesondere diejenigen in China, arbeiten jetzt mit Hochdruck am Ausbau ihrer Fähigkeiten, und wir erwarten den Beginn der Auslieferung von Ultra-HDI-Leiterplatten im Jahr 2023“, berichtet Jan Pedersen.

Welche Aufgabe hat der technische Beirat der NCAB Group?

Als Director of Technology leitet Jan Pedersen den internen technischen Beirat (Technical Council) der NCAB. Darin sind 60 Techniker aus den örtlichen Unternehmen der Gruppe vereint.

Innerhalb des Beirats wurden mehrere kleinere Schwerpunktgruppen gebildet – bisher 13 an der Zahl – um Spezialwissen zum Beispiel zu verschiedenen Technologien aufzubauen und die vielfältigen Bedürfnisse der Branche bedienen zu können. Eine dieser Schwerpunktgruppen ist die Ultra-HDI-Gruppe, die gegenwärtig mit den Leiterplattenfabriken von NCAB arbeitet, um diesen die Erfüllung der Miniaturisierungsanforderungen zu ermöglichen. Jan Pedersen nennt zwei weitere Gruppen, die den Kunden von NCAB einen großen Mehrwert bieten können.

„Eine sammelt und dokumentiert häufige technische Fragen, die unsere Abteilung für Fabrikmanagement (Factory Management) von den Leiterplattenfabriken erhält, mit denen wir zusammenarbeiten. Die Fragen sind an unsere Kunden gerichtet und betreffen üblicherweise Themen wie Designs, welche sich in den Fabriken als für die Produktion ungeeignet erwiesen haben. Wir fassen all das nun in einem Schulungsdokument zusammen, aus dem sowohl Kunden als auch wir bei der NCAB lernen können. Mit diesem Dokument erfahren Kunden mehr zu Platinendesigns, und aufseiten der Lieferanten trägt es dazu bei, Probleme verschiedener Art besser behandeln zu können“, erläutert Jan.

Auswahl von Technologie und Prozess kann die Umweltauswirkungen reduzieren

Die zweite von Jan erwähnte Schwerpunktgruppe nahm erst kürzlich ihre Arbeit auf. Sie konzentriert sich auf die Nachhaltigkeit. Diese Gruppe untersucht, in welchem Umfang die Auswirkungen der verschiedenen Technologien und Prozesse bei der Leiterplattenherstellung auf die Nachhaltigkeit ermittelt und berücksichtigt werden können.

„Nachhaltigkeit ist bei der NCAB ein sehr wichtiges Thema. Dadurch können wir unsere Kunden dabei unterstützen, informierte Entscheidungen zu treffen, die auch Nachhaltigkeitsaspekte einschließen. So können wir zum Beispiel einem Kunden erläutern, welche Umweltauswirkungen der Umstieg von einer Leiterplatte mit sechs Lagen auf zwölf Lagen hat. Wir suchen jetzt nach Möglichkeiten, diese Faktoren zu quantifizieren und messbar zu machen, was in der Branche etwas völlig Neues darstellt“, schließt Jan Pedersen.