Hochfrequenztechnik

Entwicklung und Herstellung von Hochfrequenz-Leiterplatten

| Autor / Redakteur: Volker Feyerabend * / Franz Graser

Leiterplattenprototypen: Es gehört viel Wissen und Erfahrung dazu, die Fertigungstoleranzen so klein wie möglich zu halten.
Leiterplattenprototypen: Es gehört viel Wissen und Erfahrung dazu, die Fertigungstoleranzen so klein wie möglich zu halten. (Bilder: Becker & Müller)

Die immer kleiner, schneller und leistungsfähiger werdenden Geräte verlangen neue Technologien – nicht nur bei Bauteilen, sondern auch bei Leiterplatten und beim Prototypen-Herstellungsprozess.

Zulieferer müssen sich den schnellen Entwicklungszyklen der Elektronikindustrie konsequent stellen, um am Puls der Zeit zu bleiben. Für den Schaltungsdruck-Spezialisten Becker & Müller aus Steinach im Schwarzwald nimmt die Zukunftsorientierung deshalb einen hohen Stellenwert ein. Auch die Herausforderung bezüglich HF haben sie bereits in ihrem Portfolio integriert: die impedanzkontrollierte Leiterplattenproduktion.

Damit wird der Weiterentwicklung auf dem Elektronikmarkt und im HF-Prozess Rechnung getragen. Die weiterhin immer kleiner, schneller und leistungsfähiger werdenden Geräte verlangen neue Technologien nicht nur bei den Bauteilen, sondern auch und vor allem bei Leiterplatten und beim Prototypen-Herstellungsprozess. Die impedanzkontrollierte Leiterplatte sorgt für saubere Signale zwischen den Bauteilen.

Jedes Bauteil und die Leiterplatten unterliegen engen Fertigungstoleranzen, die wesentlichen Einfluss auf Funktionsweise und Haltbarkeit des fertigen Produkts haben. So muss die Leiterplatte neben mechanischen auch bestimmte elektrische Qualitätskriterien und Funktionseigenschaften aufweisen. Nur so lassen sich solide und sichere Geräte bauen.

Applikationsingenieure und Elektronikentwickler der Bauteilehersteller arbeiten Hand in Hand, um den Herausforderungen bezüglich Miniaturisierung und Steigerung der Arbeitsfrequenzen Herr zu werden. Steigende Frequenzen und kleinere Abstände zwischen den Leiterbahnen führen unweigerlich zu einer größeren gegenseitigen Beeinflussung. Parallel verlaufende Leiterbahnen wirken wie Kapazitäten, deren Blindwiderstände umgekehrt mit der Signalfrequenz abnehmen.

Außerdem gilt: je länger die Leitungen parallel verlaufen, desto größer wird die Kapazität. Auf der anderen Seite gilt für immer schmälere Leiterbahnen eine Zunahme der Induktivität. Je größer Kapazität und Impedanz werden, desto niedriger wird die Grenzfrequenz. Damit nimmt die Dämpfung hoher Frequenzen immer stärker zu.

Aus einem sauberen Rechtecksignal macht der Tiefpassfilter, der dabei entsteht, ein mehr oder weniger verschliffenes Signal. Im Extremfall bleibt eine Sinusgrundwelle übrig. Bei der Fourier-Analyse lässt sich jedes beliebige Signal in einzelne Sinus- und Cosinusschwingungen zerlegen. Dabei variieren die Amplituden und Phasenverschiebungen je nach Signal.

Fügt man am Ende der Übertragungsstrecke diese einzelnen Schwingungen wieder zusammen, sollte normalerweise wieder das Originalsignal entstehen. Fehlen jedoch auf Grund des Tiefpassverhaltens der Übertragungsstrecke die eine oder andere Schwingung oder sind deren Amplituden beziehungsweise Phasenlagen verändert, sind Abweichungen vom Originalsignal die zwingende Folge.

Wie groß diese Abweichung sein darf, hängt von vielen Faktoren ab. Zum einen muss der Signaleingang der integrierten Schaltung das empfangene Signal natürlich so weiterverarbeiten, als sei es das Originalsignal. Zum anderen müssen zwei gleichzeitig generierte Signale an unterschiedlichen Eingängen auch wieder gleichzeitig ankommen (Laufzeit). In der Signalform und der zeitlichen Abfolge der Signale steckt letztlich die Information, die durch das System verarbeitet werden soll.

Der Hersteller ist für die korrekte Signalweiterleitung innerhalb der integrierten Schaltung verantwortlich. Er definiert in seinem Datenblatt die Spezifikationen, mit denen jedes Bauteil betrieben werden muss, damit keine Fehlfunktionen auftreten.

Der Layouter und Elektronikentwickler, der viele dieser Bauteile miteinander verschaltet, muss jetzt dafür Sorge tragen, dass auch der Signalweg – das, was mit dem Signal zwischen den Bauteilen passiert – in der geforderten Spezifikation liegt. Damit beispielsweise ein Schaltkreis die Dauer eines Eingangsimpulses auch richtig an seinem Ausgang ausgeben kann, sind entsprechend steile Flanken an seinem Eingang notwendig.

Angenommen, die vorherige Funktionsstufe liefert einen absolut sauberen Rechteckimpuls aber die Übertragungsstrecke dämpft die hohen Signalanteile zu stark, dann ist die Anstiegsflanke des Signals dadurch deutlich flacher, was ein verspätetes Durchschalten der Eingangsstufe zur Folge hat. Damit ergibt sich bereits ein zeitlicher Versatz zwischen den Signalen.

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