INFOCUS:

A topic from NCAB Group about integrated PCB Production

No 2 2022

Ultra HDI -piirilevy asettaa suuria vaatimuksia teknologialle ja valmistukselle

MORE ARTICLES RELATED TO THE TOPIC:

Elektroniikkateollisuudessa on vallalla voimakas miniatyrisoinnin trendi. Piirilevylle asennettavat komponentit pienenevät koko ajan, mikä asettaa uusia vaatimuksia piirilevyjen rakenteelle. NCAB Group on sitoutunut vahvasti erittäin tiheitä Ultra HDI -piirilevyjä koskevien IPC-standardien kehitystyöhön ja pystyy itse toimittamaan tällaisia piirilevyjä asiakkaille vuonna 2023.

Miniatyrisointi lisää jatkuvasti elektroniikan käyttösovellusten määrää. Esimerkiksi nykyiset BGA (Ball Grid Array) -komponentit edellyttävät erittäin pieniä johdinleveyksiä ja minimaalisia eristevälejä, jotta niitä voi käyttää HDI-levyjä (High Density Interconnect) tiheämmissä rakenteissa. Näitä levyjä pidettiin ennen hyvin tiheinä jopa 50 µm:n dielektrisen paksuuden ja eristevälien takia.

Jan Pedersen | NCAB Group Norway

”NCAB saa päivittäin kyselyjä piirilevyistä, joissa on vaatimuksena pienemmät johdinleveydet ja eristevälit kuin HDI-levyissä.”

Jan Pedersen, Director of Technology, NCAB Group

”Uusia pitkälle miniatyrisoituja komponentteja on käytetty muun muassa 5G-tietoliikenneteknologiassa, antureissa ja useimpien suurten valmistajien korkealuokkaisissa älypuhelimissa. Teknologia alkaa nyt levitä teollisuuden muille segmenteille.  NCAB saa päivittäin kyselyjä piirilevyistä, joissa on vaatimuksena pienemmät johdinleveydet ja eristevälit kuin HDI-levyissä, esimerkiksi lääketieteellisen teknologian ja autoteollisuuden käyttösovelluksia varten”, kertoo Jan Pedersen, NCAB Groupin Director of Technology.

Mikä on Ultra HDI -piirilevy?

Ultra HDI -piirilevyksi määritellään levy, jolla on seuraavat ominaisuudet:

  • johdinleveys ja eristeväli alle 50 µm
  • dielektrinen paksuus alle 50 µm
  • mikroläpivientien halkaisija alle 75 µm
  • tuotteen ominaisuudet ylittävät IPC 2226 -standardin C- tason.

Ultra HDI -levyjen standardit puuttuvat

Näiden piirilevyjen rakennetta ja niiden suoritus- ja laatuvaatimuksia määrittävien standardien puuttuminen aiheuttaa ongelmia. Ultra HDI -piirilevyjen valmistuksesta tähän asti vastanneet tuottajat saivat sopimuksia aikaisemmassa vaiheessa suuryrityksiltä kuten Apple, Intel ja Samsung. Nämä toimijat ovat investoineet merkittävästi kyseisiin tehtaisiin, minkä takia muille on vaikeaa päästä käsiksi teknologiaan.

Ultra HDI PCB - printed circuit board | NCAB Group
Ultra HDI -piirilevyt määritellään tuotteiksi, joiden johdinleveydet, eristevälit ja dielektriset paksuudet ovat alle 50 µm, mikroläpivientien halkaisijat pienempiä kuin 75 µm ja ominaisuudet ylittävät nykyisen IPC 2226 -standardin C-tason.

On tehtaita, jotka osaavat valmistaa dielektriseltä paksuudeltaan ja eristeväleiltään jopa alle 50 µm:n piirilevyjä mutta eivät pysty saavuttamaan nykyisin vaadittavia todella pieniä, esimerkiksi 20–25 µm:n eristevälejä.  Tilanteen korjaamiseksi ja tarkoituksenmukaisen, huolellisesti valmisteltavan standardin laatimiseksi IPC-järjestö perusti työryhmän käsittelemään tätä uudentyyppistä teknologiaa, jolle työryhmä antoi nimeksi Ultra HDI. Jan Pedersen on ryhmän puheenjohtaja.

”Olin IPC:n lääketeollisuuskomitean puheenjohtaja, jossa keskustelimme uusien vaatimusten ja parametrien ongelmasta. Keskustelu edistyi vähitellen ja johti lopulta tämän työryhmän perustamiseen. Viimeisen kolmen vuoden aikana työryhmä on kehittänyt uutta, nyt siis Ultra HDI -levyiksi kutsuttuja piirilevyjä koskevaa IPC-standardia. Olemme laatineet asiakirjan oppaaksi näiden levyjen rakennesuunnittelu- ja tuotantostandardeista”, sanoo Jan Pedersen.

”Uusia pitkälle miniatyrisoituja komponentteja on käytetty muun muassa 5G-tietoliikenneteknologiassa, antureissa ja useimpien suurten valmistajien korkealuokkaisissa älypuhelimissa.”

Jan Pedersen, Director of Technology, NCAB Group

Suuria investointeja tarvitaan

Ultra HDI -piirilevyt määritellään tuotteiksi, joiden johdinleveydet, eristysvälit ja dielektriset paksuudet ovat alle 50 µm, mikroläpivientien halkaisijat pienempiä kuin 75 µm ja ominaisuudet ylittävät nykyisen IPC 2226 -standardin C-tason. Jotta tehtaat pystyisivät valmistamaan Ultra HDI -levyjä, tarvitaan suuri määrä uudistuksia. Se edellyttää investointeja valmistukseen, niin laitteistoon kuin prosesseihin.

Kehitystä kuvattiin aikaisemmin ”kana vai muna” -ongelmaksi. Tehtaat eivät luonnollisestikaan voineet valmistaa tuotetta, josta asiakkaat eivät tienneet, miten se suunnitellaan, eivätkä asiakkaat voineet tilata komponentteja, joita piirilevytehtaat eivät pystyneet valmistamaan. Voidakseen rakentaa kapasiteettia tehtaat tarvitsevat ensin piirilevyjä koskevan standardin, jonka pohjalta ne voivat kehittää tuotantoaan. IPC-työryhmän syksyllä julkaistavan oppaan ansiosta teollisuudenala saa yhteisen standardisuunnitelman työskentelyn perustaksi.

Audit in one of the PCB factories NCAB Group work with.
Jotta tehtaat pystyisivät valmistamaan Ultra HDI -levyjä, tarvitaan suuri määrä uudistuksia. Se edellyttää investointeja valmistukseen, niin laitteistoon kuin prosesseihin.

Tehtaita tukeva työ yrityksen sisällä

”NCAB:n teknisen neuvoston erikoisryhmä auttaa tehtaita rakentamaan kapasiteettia Ultra HDI -vaatimusten täyttämiseksi. Eräs tärkeä menetelmä on niin kutsuttu mSAP (modified Semi-Additive Processing), jossa kuparia lisätään ohuelle alkukerrokselle sen sijaan, että sitä syövytettäisiin pois paksusta kerroksesta. Se on myös parempi ympäristön kannalta, sillä kuparia kuluu vähemmän. Jotkut tehtaat pystyvät jo tähän tiettyyn rajaan asti”, sanoo Jan Pedersen.

Suurempi miniatyrisointi edellyttää, että kuvion voi siirtää piirilevylle riittävän suurella resoluutiolla, joten tehtaalla täytyy olla huippuluokan LDI-laitteisto (Laser Direct Imaging). Lisäksi ympäristön on oltava äärimmäisen puhdas likaantumisen ja pölyn välttämiseksi, mikä vaatii merkittäviä investointeja. Testausprosessit ja automatisoitu optinen tarkastuslaitteisto (AOI) on päivitettävä, jotta mahdolliset levyviat havaitaan ja vältetään, ja myös kuparipinnoituksessa käytettäviin laitteisiin ja kemiaan on kiinnitettävä huomiota. Lisäksi miniatyrisointi edellyttää puhtaampia ja tasalaatuisempia materiaaleja.

”NCAB:n tehtaita tukevan työn kannalta on luonnollisesti hyödyllistä, että olen vetänyt IPC:n työryhmää ja saanut laajalti tietoa Ultra HDI:n tuomista haasteista. Tehtaamme, etenkin Kiinassa sijaitsevat tehtaat, ovat sitoutuneet täysin kapasiteetin lisäämiseen, ja odotamme niiden aloittavan Ultra HDI -levyjen toimitukset vuonna 2023”, kertoo Jan Pedersen.

Ultra HDI -piirilevyjen valmistuksen vaatimat uudistukset

Piirilevytehtaiden, jotka haluavat valmistaa Ultra HDI -levyjä, on täytettävät tiukemmat laitteistoa ja valmistusympäristöä koskevat vaatimukset.

  • Huipputekniikan LDI-laitteisto
  • Erittäin puhdas ympäristö
  • Perusteellisempi testaus
  • Uusin automatisoidun optisen tarkastuksen laitteisto
  • Uusin kuparipinnoituslaitteisto ja -kemia
  • Uudet menetelmät, kuten mSAP
  • Uudet puhtaammat ja tasalaatuisemmat materiaalit.
Discussion between technical experts at NCAB Group.
Bengt Boström, PCB Engineer, ja Luisa Lindstrand, Quality Manager (NCAB Sweden) ovat jäseniä NCAB:n sisäisessä teknisessä neuvostossa, joka kokoaa yhteen kaikki organisaation asiantuntijat.


Mikä on NCAB Groupin teknisen neuvoston tehtävä?

Yrityksen teknologiajohtajana Jan Pedersen vetää NCAB:n sisäistä teknistä neuvostoa. Se kokoaa yhteen 60 teknistä asiantuntijaa organisaation paikallisyrityksistä.

Neuvoston sisällä on muodostettu pienempiä fokusryhmiä – 13 tähän mennessä – lisäämään esimerkiksi eri teknologioita koskevaa asiantuntemusta ja vastaamaan alan erilaisiin tarpeisiin. Yksi näistä fokusryhmistä on Ultra HDI -ryhmä, joka työskentelee parhaillaan NCAB:n piirilevytehtaiden kanssa, jotta nämä pystyisivät täyttämään miniatyrisoinnin asettamat vaatimukset. Jan Pedersen tuo esiin kaksi muuta ryhmää, jotka voivat tuoda huomattavaa lisäarvoa NCAB:n asiakkaille.

”Toinen niistä kerää ja dokumentoi yleisiä teknisiä kysymyksiä, joita yhteistyökumppaninamme toimivat piirilevytehtaat esittävät. Kysymykset on suunnattu asiakkaillemme ja koskevat yleensä sellaisia asioita kuten rakenteita, jotka tehtaat ovat havainneet valmistukseen sopimattomiksi. Laadimme kysymysten pohjalta parhaillaan koulutusasiakirjaa, josta voivat oppia sekä asiakkaat, tehtaat että me NCAB:llä. Asiakirjan ansiosta asiakkaat voivat oppia enemmän piirilevyjen rakenteista ja me toimittajana voimme oppia käsittelemään erilaisia ongelmia paremmin”, Jan toteaa.

Teknologia- ja prosessivalinnat voivat pienentää ympäristövaikutusta

Toinen Janin mainitsema fokusryhmä perustettiin äskettäin ja keskittyy kestävään kehitykseen. Ryhmä tutkii, missä määrin on mahdollista ottaa huomioon ja selvittää piirilevytuotantoon liittyvien eri teknologia- ja prosessivalintojen vaikutus kestävään kehitykseen.

”Kestävä kehitys on NCAB:lle hyvin tärkeää. Sen innostamana haluamme auttaa asiakkaita tekemään tietoon perustuvia päätöksiä, joissa otetaan huomioon myös kestävän kehityksen näkökulma. Se voi esimerkiksi tarkoittaa sitä, että asiakkaalle kerrotaan ympäristövaikutuksista, joita siirtyminen 6-kerroksisesta levystä 12-kerroksiseen levyyn aiheuttaa. Pyrimme parhaillaan löytämään keinoja näiden seikkojen määrittämiseen ja tekemään niistä mitattavia, mikä olisi jotain täysin uutta teollisuudenalallamme”, päättää Jan Pedersen.