Hohe Ansprüche

Der beim Aufbau des Substrats verwendete Isolator muss wesentlich mehr können, als nur einen hohen Widerstand zu haben. Er sollte zudem eine geringe Dielektrizitätskonstante ε haben.

Das ist wichtig, da sich nebeneinander liegende Leiter wie ein Kondensator verhalten. Dessen Kapazität hängt proportional von ε ab, ein kleiner Wert führt also zu geringer Kapazität. Um Verzerrungen von hochfrequenten Signalen zu vermeiden, muss der kapazitive Effekt minimiert werden.

Und damit ist der Anforderungskatalog noch lange nicht zu Ende. Um Leiterbahnen mit möglichst geringem Abstand fertigen zu können muss die Oberfläche glatt sein (Präsentation, PDF). Unebenheiten füllt das aufgebrachte Kupfer aus, was zu zwei Problemen führt: Einerseits sinkt durch die unebene Unterseite der effektive Leiterquerschnitt, was zu höherem Widerstand führt. Andererseits können beim Ätzprozess kleine Kupferäste stehenbleiben. Um einen bestimmten Widerstand zwischen Leitern zu garantieren, ist ein größerer Abstand erforderlich.

Zu glatt darf der Isolator allerdings auch nicht sein, sonst haftet das Kupfer schlecht. Außerdem muss er mit den in der Fertigung genutzten Lasern zu bearbeiten sein. Mit diesen werden die Löcher zur Kontaktierung zwischen zwei Leiterebenen hergestellt. Der Prozess wird Laserbohren genannt und beschädigt die Kupferschicht nicht. Die zu bohrende Schicht muss das Laserlicht ausreichend stark absorbieren - wer schon einmal mit einem Lasercutter gearbeitet hat, kennt das Problem.

Wenn es warm wird

Bei der Fertigung des Substrats ist zudem sein Temperaturverhalten wichtig. Materialien dehnen sich in Abhängigkeit von der Temperatur aus. Wer hier an die Wärmeentwicklung im Betrieb denkt, liegt nicht falsch. Noch wärmer wird es allerdings beim Verlöten des Chips, hierfür sind Temperaturen deutlich über 200 Grad Celsius erforderlich. Kommen verschiedene Materialien zusammen, kann das zum Problem werden: Dehnt eines sich wesentlich stärker aus, kann die Verbindung reißen. Elektrische Verbindungen können so teilweise oder ganz zerstört werden. Auch können dauerhafte Verformungen auftreten oder Schichten abreißen.

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Querschnitt eines mehrlagigen Substrats für Flip-Chip-Montage (Quelle: Ajinomoto Group)

Ein weiterer wichtiger Kennwert im Kontext von Verformungen ist der Elastizitätsmodul ("der" ist kein Tippfehler, Modul kommt hier vom lateinischen Modulus für Maß). Er beschreibt die elastische Verformung eines Materials unter Zug oder Druck. Je größer der Wert, desto geringer die Verformung bei gegebener Spannung.

Spannungen treten an Materialgrenzen auf, wenn diese sich unter Wärmeeinfluss unterschiedlich stark verformen. Konkret bedeutet das: Ein höherer Elastizitätsmodul führt zu geringerer Verformung. Besonders wichtig wird dies, wenn die Dicke von Bauteilen weiter reduziert werden soll. Hierzu werden dünnere glasfaserverstärkte Kerne verwendet oder ganz auf sie verzichtet - die sorgen allerdings für Stabilität. Die Folien wurden seit Markteinführung kontinuierlich weiterentwickelt.

Ist das Substrat nicht größer als das Die, schafft das die aktuelle Generation von ABF allein. Größere Substrate können mit Epoxidharz vergossen werden - oder man laminiert wieder. AFT bietet nämlich auch hierfür eine Folie mit größerer Stabilität an.