Highspeed. Was sonst? Funktionssicheres Design von Highspeed-Baugruppen

Autor / Redakteur: Gerhard Eigelsreiter, Hermann Reischer, Arnold Wiemers* / Johann Wiesböck

Die fachgerechte und funktionssichere Konstruktion von Highspeed-Baugruppen unter spezieller Berücksichtigung der Signal- und Powerintegrität ist eine Kunst. Dieser Beitrag erklärt Physik, Bauplan und Teststrategie.

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Bild 1: Komplexe Baugruppe für die Steuerung von Funktionen des ESA-Satelliten OPS-Sat
Bild 1: Komplexe Baugruppe für die Steuerung von Funktionen des ESA-Satelliten OPS-Sat
(Bild: Gerhard Eigelsreiter)

Eine Alternative gibt es nicht. Anwendungsorientierte Konzepte hochwertiger elektronischer Baugruppen für die Kommunikation, Industrie 4.0, Big Data und IoT in den vornehmlichen Einsatzbereichen KFZ- und E-Mobilität, Satellitenkommunikation und Internet sind ohne Highspeed-Baugruppen nicht umsetzbar. Die fachgerechte und funktionssichere Konstruktion von Highspeed-Baugruppen unter spezieller Berücksichtigung der Signal- und Powerintegrität muss in den Vordergrund unserer Aufmerksamkeit rücken. Doch das reicht noch nicht aus. Wir müssen die höhere funktionale Qualität der Hard- und Software auf elektronischen Baugruppen mit einer Analyse der Kostenstruktur flankieren.

Kommunikation wird lebensentscheidend: Eine zentrale Aufgabe für die Wirksamkeit softwaregesteuerter autonomer Systeme ist die sichere und zweifelsfreie interaktive Kommunikation. Der Transfer sensorischer Informationen kann nur über Kommunikationsnetze erfolgen. Die Steuerung und Auswertung der Informationen und die Kontrolle über die durchzuführenden Aktionen muss in absoluter und gleichzeitig zuverlässiger Höchstgeschwindigkeit erfolgen. Die unangreifbare Stabilität von Funkverbindungen wird lebensentscheidend. Damit rücken die EMV-Eigenschaften elektronischer Baugruppen in den Fokus.

Die Erwartungen an die Leistungsfähigkeit der globalen Strategien sind hoch. CAD, Leiterplatte, Baugruppe und Test müssen den mutig formulierten Anforderungen folgen. Die KFZ- und Elektromobilität stellt die höchsten Anforderungen an die Kommunikation. Die Sensorik eines Fahrzeuges muss ein unglaubliches Datenvolumen erzeugen, analysieren und bewerten. Alle Bewegungen und Situationen rund um das Fahrzeug müssen sofort, vollständig und irritationsfrei erkannt werden.

Die Aufgabe für den Transfer sensorischer Informationen über Kommunikationsnetze obliegt elektronischen Baugruppen, die ihrerseits auf Highspeed-Leiterplatten aufsetzen. Die Fahrzeuge müssen zu Dutzenden untereinander per Funk kommunizieren. Damit wird die Stabilität von Funkverbindungen lebensentscheidend und das verlangt ein stabiles EMV-Verhalten. Ein Signalverlust oder ein Spannungseinbruch auf einer nicht fachgerecht konstruierten, gebauten und getesteten Leiterplatte wird dramatische Folgen haben.

Ohne Positionserkennung bis auf wenige Zentimeter genau ist zuverlässiges autonomes Fahren undenkbar. Die Übermittlung der Position muss sehr genau und sehr schnell erfolgen. Voraussetzung für einen stabilen und unterbrechungsfreien Informationstransfer per Funk ist die fehlerfreie Kommunikation von hunderten elektronischer Baugruppen. Satelliten und bodennahe Verkehrsteilnehmer müssen erhebliche Datenvolumina untereinander austauschen. Das setzt eine elektronische Identität der Teilnehmer voraus. Weg, Ziel, Geschwindigkeit und Habitus müssen bewertet werden. Ein einzelnes Fahrzeug kann das, isoliert für sich, allein nicht leisten.

Es wird nicht genügen, Kraftfahrzeuge auf- und auszurüsten. Auch Drohnen, E-Bikes, Sozialroboter und nicht zuletzt wir Menschen werden in dieser Welt unterwegs sein. Die angedachten Strategien fordern nicht mehr und nicht weniger als eine allumfassende Erneuerung der bestehenden Strukturen, die bereits heute eine hohe Komplexität erreicht haben.

Die ganzheitliche Betrachtung der Leistung elektronischer Baugruppen konzentriert sich nicht nur auf die HARDWARE. Die verlässliche logische Arbeit von Betriebs- und Anwendungssoftware wird auch durch eine vorausschauende Schaltungskonstruktion, ein kompetentes CAD-Design und eine physikalisch leistungsfähige Leiterplatte gewährleistet.

Seminar-Tipp für Highspeed-Entwickler

Die Autoren dieses Fachartikel führen auch Seminare für Entwickler durch. Am 8. und 9. Juni referieren Gerhard Eigelsreiter (Unitel) und Arnold Wiemers (LeiterplattenAkademie) auf den Technologietagen Leiterplatte und Baugruppe:

www.leiterplattentag.de

Gemeinsam mit Hermann Reischer (Polar Instruments) kommen sie vom 21. bis 23. September 2021 auch nach Wien und bieten dort das Technologieseminar Highspeed-Baugruppen an. Bitte kontaktieren Sie bei Interesse für Wien Arnold Wiemers via awi@leiterplattenakademie.de

Die Konzeptionierung elektronischer Baugruppen muss ebenfalls die Analyse der Produktionskosten mit einbeziehen. Revisionen verzögern ein Projekt, provozieren unnötige Kosten und blockieren den zeitlichen Spielraum für den wirtschaftlich attraktiven Marktzugang. Die Lösung der Aufgabenstellung beginnt auf dem Level der Schaltplankonstruktion. Und schon zu diesem Zeitpunkt müssen die Schaltungssimulation, die Erstellung des CAD-Layouts sowie die Optionen der Leiterplattentechnologie und der Teststrategien bedacht werden.

Die Physik als Partner

Gerhard Eigelsreiter, Unitel: Die Vorstellung, einen Partner zu haben, auf den man sich unter allen denkbaren Umständen verlassen kann, der „per se“ absolute und uneingeschränkte Glaubwürdigkeit besitzt und an dem Zweifel an seiner Funktionalität bis dato einfach haltlos „abperlten“, besäße eigentlich eine unwiderstehliche Attraktivität.

Um es gleich vorwegzunehmen: Ein solcher Partner im gewohnten herkömmlichen Sinn existiert natürlich nicht. Aber es gibt indirekte Möglichkeiten, sich so einem Wunschpartner zumindest auf der Hardware-Entwicklungsseite hinsichtlich der Konstruktion elektronischer Baugruppen anzunähern oder gewissermaßen zu erschaffen.

Die Anforderungen an Hardware-Entwickler hinsichtlich Entwicklung und Konstruktion funktional stabiler elektronischer Geräte haben besonders in den letzten beiden Jahrzehnten ein Ausmaß an Komplexität erreicht, die eine Zusammenarbeit unterschiedlicher Disziplinen unumgänglich werden ließ. Auch große Unternehmen waren und sind weiterhin in steigendem Maße gezwungen, sich externem Knowhow zu bedienen, respektive zuzukaufen oder sich Firmen und auch Konkurrenten einzuverleiben.

Eine attraktive Möglichkeit besteht darin, sich Teile dieses Wissen in Form von Beratungen und Seminaren in den nächsten Jahren selbst zu erarbeiten und zu ergänzen.

Aber was hat es eigentlich mit der „Physik als Partner“ auf sich? Das „in den Markt bringen“ von neuen elektronischen Geräten und Baugruppen ist untrennbar mit der Kostenfrage verbunden. Jedes Unternehmen, das sich im Markt etablieren will oder schon etabliert hat, ist laufend gezwungen, Gewinne zu machen oder zumindest zeitweise kostendeckend zu arbeiten. Gewinne sind eine unabdingbare Voraussetzung, um langfristig in die Forschung und Entwicklung neuer Produkte zu investieren.

Bild 2: Signal-Routing im CAD-Design für eine Highspeed-Baugruppe
Bild 2: Signal-Routing im CAD-Design für eine Highspeed-Baugruppe
(Bild: Gerhard Eigelsreiter)

Elektronische Baugruppen bestehen zumeist aus einer Anzahl verschiedener Leiterplatten, die mit hochkomplexen Halbleiter-Komponenten weitgehend beidseitig bestückt sind. Eine aufwendig erstellte Software wahrt die eigentliche Funktion der Baugruppe oder sollte es zumindest.

Die Software funktioniert, wenn die Hardware funktioniert

Anders gesagt: Funktional stabile Software ist von einer klaglos funktionierenden, stabilen Hardware abhängig. Ist dies nicht der Fall, dann kommt es immer wieder zu seltsamen Fehlererscheinungen oder kompletten „Abstürzen“ des gesamten Systems, die sich nicht eindeutig der Software oder der Hardware zuordnen lassen. Ein Alptraum für jeden Entwickler!

Instabile Hardware ist fast immer auf das Ignorieren physikalischer Gesetzmäßigkeiten während der Entwicklung der Leiterplatte (Lagenaufbau, Anzahl der Lagen usw.) zurückzuführen.

Wird aber der dafür zuständigen Physik genüge getan, entsteht eine funktional äußerst stabile Baugruppe, die derartige Fehlererscheinungen weitestgehend ausschließt. Die Fehlersuche kann wieder konkret auf die Softwareebene oder die Hardware-Baugruppe reduziert werden.

Firmen und Unternehmen, die sich diese Vorgehensweise zunutze gemacht haben, berichten von erheblichen Gewinn- und Umsatzsteigerungen sowie wesentlichen Steigerungen ihrer Kundenzufriedenheit. Die Physik als Partner, ein erstrebenswertes und vor allem finanziell lohnendes Ziel.

Die Leiterplatte ist gefragt

Arnold Wiemers, LeiterplattenAkademie: Leiterplatten und Baugruppen sind sehr spezielle und variantenreiche Produkte. Die Qualität der Baugruppe hängt von der Qualität der Leiterplatte ab, die wiederum das Ergebnis des CAD-Designprozesses ist. Wir müssen verstehen und akzeptieren, dass sich die Disziplinen CAD-Layoutkonstruktion, Leiterplattenfertigung und Baugruppenproduktion gegenseitig gleichwertig und partnerschaftlich bedingen.

Bild 3: Starrer 14-Lagen-Multilayer, Megtron 6-Material. Umsetzung diverser Varianten für single-ended und differentielle Impedanzen
Bild 3: Starrer 14-Lagen-Multilayer, Megtron 6-Material. Umsetzung diverser Varianten für single-ended und differentielle Impedanzen
(Bild: LeiterplattenAkademie)

Das CAD-Layout liefert die Fertigungsdokumente für die Produktion der Leiterplatte und der Baugruppe. Die Leiterplattentechnologie liefert die Konstruktionsvorgaben für die Erstellung des CAD-Layouts und stellt die Leiterplatten für die Baugruppenproduktion bei. Die Baugruppentechnologie definiert die Anforderungen an die Qualität der Leiterplatte und an die Konstruktion des Layouts.

Die Leiterplatte vermittelt zwischen der CAD-Konstruktion und der Produktion der Baugruppe. Wir benötigen Designregeln, deren Formulierung nur über die Analyse der Fertigungsbedingungen für die Leiterplatten- und Baugruppenproduktion möglich ist.

Der Schlüssel für die technischen und physikalischen Eigenschaften einer Leiterplatte (…und einer Baugruppe) ist die Dokumentation des Lagenaufbaus. Das eingesetzte Basismaterial und die Geometrien der Leiterbahnen und Lagenabstände definieren die Signal- und Powerintegrität sowie das EMV-Verhalten. Der Multilayer muss die sichere Aufbau- und Verbindungstechnik während der Baugruppenproduktion gewährleisten.

Die minimalen Leiterbahnbreiten und -abstände, die Kontaktierungsstrategie und die Lötflächen der komplexesten elektromechanischen Komponenten müssen auf der Leiterplatte korrekt und passgenau umgesetzt werden.

Ohne Bauplan geht nichts

Für Highspeed-Baugruppen muss der Lagenaufbau des Multilayers bereits vor Abschluss der Schaltplankonstruktion vorliegen, damit die Funktionssimulation auf bekannten Parametern (…Epsilon-R, Signallaufzeit, Faraday’sche Räume, Powermoduln) aufsetzen kann und damit die wesentlichen Constraints für die Erstellung des CAD-Layouts festgelegt werden können.

Bild 4: 16-Lagen-Multilayer, Meteorwave-Material (Park). Geometrien für den impedanz-definierten Signaltransfer. Dual-Core-Aufbaustrategie.
Bild 4: 16-Lagen-Multilayer, Meteorwave-Material (Park). Geometrien für den impedanz-definierten Signaltransfer. Dual-Core-Aufbaustrategie.
(Bild: LeiterplattenAkademie)

Das Potential von Leiterplatten hinsichtlich ihrer elektrophysikalischen Qualität muss wahrgenommen werden. Der Raum in einer Leiterplatte muss für eine ausgezeichnete Signal- und Powerintegrität individuell und dynamisch genutzt werden. 4 oder 6 Lagen eines Multilayers können das nicht leisten. Minimal sind 8 Lagen erfolgreich, besser sind 10 Lagen, viel besser 12 bis 16 Lagen. Die Investition in höherwertigere Multilayer lohnt sich. Die Kosten sind deutlich geringer, als der Aufwand für zusätzliche Komponenten und deren Montage, damit EMV- und Hochgeschwindigkeitsanforderungen erfüllt werden.

Die Bestückung von Komponenten auf dem Top- und Bottomlayer wird um „Embedded Components“, der zusätzlichen Bestückung auf den Innenlagen eines Multilayers, ergänzt werden. Ein Multilayer, konstruiert nach dem Multicore-Prinzip, kann diese Aufgabenstellung sehr gut lösen.

Wir wissen, dass sich die Geometrien elektromechanischer Komponenten in den letzten Jahren erheblich reduziert haben. Dieser Evolution folgt auch die Leiterplattentechnologie. Die Enddurchmesser der Vias liegen bei 100µm, das Ziel sind 50µm. Leiterbahnbreiten und -abstände von 100µm sind in Europa Standard, 75µm werden angestrebt. Die minimalen Lagenabstände innerhalb eines Multilayers liegen heute bei 50µm. Für bereits existierende BGAs mit einem 400µm-Pitch sind Leiterbilder zwischen 50 und 60µm notwendig.

Die Leiterplattenhersteller werden diese Herausforderung annehmen.

Kluge Teststrategien sichern die Qualität

Hermann Reischer, Polar Instruments: Elektronische Baugruppen in der Medizin, der Raumfahrt, der KFZ-Mobilität und der IT, um nur die Wichtigsten zu nennen, übernehmen für uns Menschen tagtäglich Entscheidungen. Das verpflichtet uns, Leiterplatten, insbesondere Multilayer, mit einer individuellen und komplexen Kontaktierungsstrategie vorausschauend auf ihre zuverlässige Funktion zu prüfen.

Bild 5: Mögliche Fehlerquellen auf Leiterplatten hervorgerufen durch thermische Belastungen
Bild 5: Mögliche Fehlerquellen auf Leiterplatten hervorgerufen durch thermische Belastungen
(Bild: Polar Instruments)

Die eingesetzten Basismaterialien und die Produktionsschritte für die Fertigung von Leiterplatten haben eine hohe Dynamik. Die Intensität der Wärmeentwicklung hat auf die Leiterplatte während der Herstellung und erst recht im späteren Betrieb der Baugruppe einen massiven Einfluss. Lokale Delaminationen des Lagenaufbaus, Hülsenrisse und deformierte Kupferverbindungen müssen mit größtmöglicher Sicherheit ausgeschlossen werden können, damit keine Komplikationen auftreten.

Der klassische Temperaturwechseltest liefert die statistischen und zeitrelevanten Erkenntnisse nicht. Deshalb hat sich der IST Interconnect Stress Test der PWB Corp. mit Sitz in Kanada, seit der europäischen Markteinführung 2005 zum Standard-Prüfverfahren in der Leiterplattenindustrie entwickelt. Ausgehend von Anwendungen im Raumfahrtsektor und in der Medizintechnik zählt der IST aufgrund verschärfter Zuverlässigkeits-Anforderungen auch in der Automotive-Industrie zur bevorzugten Testmethode.

Konventionelle Temperaturwechseltests benötigen aufgrund der begrenzten Umlade-Zyklen mehrere Wochen zur Erreichung der geforderten 1000 Testzyklen für eine Produktfreigabe.

Bild 6: Hülsenriss eines Vias, hervorgerufen durch thermische Überlastung
Bild 6: Hülsenriss eines Vias, hervorgerufen durch thermische Überlastung
(Bild: Polar Instruments / PWB Corporation)

Diese Zeitspanne steht in einer ablaufoptimierten Zulieferkette nicht mehr zur Verfügung. Mit dem IST Testverfahren kann der Zeitbedarf für 1000 Temperaturzyklen auf 4 Tage reduziert werden. Erreicht wird dies durch die Verwendung eines speziell konstruierten Prüfcoupons, welcher mit dem Leiterplatten-Fertigungsnutzen mitproduziert wird. Beim IST erfolgt der Wärmeeintrag nicht mehr extern über Konvektion, sondern über interne elektrische Heizkreise. Über Sense-Kreise werden die in Kette geschalteten Durchkontaktierungen überwacht und jede kleinste Widerstandsänderung wird registriert.

Der IST ist in der IPC TM650 2.6.26 dokumentiert und definiert als Fehlerkriterium eine Widerstandserhöhung von 10% in einem der Sense-Kreise. Bei Ausfall eines Coupons erfolgt eine exakte Fehlerlokalisierung mittels Thermographie und einer anschließenden Schliffbildanalyse.

Der IST Tester kann bis zu 8 Coupons gleichzeitig aufnehmen und im Fehlerfall werden einzelne, ausgefallene Coupons sofort ersetzt, wodurch immer der maximale Testdurchsatz gewährleistet ist.

Entscheidend für die Aussagekraft des Tests ist das korrekte Coupondesign, welches an den jeweiligen Lagenaufbau und an die Durchkontaktierungstechnologie angepasst werden muss. Durch die auf den Lagenaufbau abgestimmte Teststrategie ist eine verbindliche Interpretation der funktionalen Qualität der Leiterplatte sichergestellt.

Im Bereich Raumfahrt und Medizintechnik wird IST seit Jahren für die Prüfung von Produkten mit höchsten Zuverlässigkeitsanforderungen genutzt. Mit weltweit über 250 installierten Systemen zählt der IST zum Standard in der Leiterplattenindustrie, ist auch als Testdienstleistung verfügbar und wird von namhaften OEMs zur Produktqualifizierung spezifiziert.

Die technologische Vielfalt an Varianten für die Konstruktion einer Leiterplatte für Highspeed-Baugruppen hat die Notwendigkeit einer klugen Teststrategie in den Blickpunkt gerückt. Unser Vertrauen in die verlässliche Funktion einer elektronischen Baugruppe wird gestärkt. Und damit führt die Akzeptanz für die partnerschaftliche Kooperation zwischen Physik, Technologie und Qualitätsmanagement auch zum technischen und wirtschaftlichen Erfolg.

* Gerhard Eigelsreiter (Unitel), Arnold Wiemers (LeiterplattenAkademie) und Hermann Reischer (Polar Instruments) sind erfahrene Leiterplattenexperten, die ihr immenses Wissen gerne mit Entwicklern und Entwicklerinnen in den vielfältigen Anwendungsbranchen teilen.

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