Hochfrequenztechnik Hochfrequenzboard: Theorie versus Prozesstoleranzen

Autor / Redakteur: C. Ranzinger, G. Fotheringham, C. Tschoban, U. Maaß, I. Ndip, Prof. K.D. Lang * / Franz Graser

Mobilität, hohe Datenraten und Frequenzen sowie die Technologietoleranzen verstärken die Herausforderungen im Systemdesign. Leiterplattenhersteller müssen ihre Fertigungstoleranzen genau kennen.

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Bild 1: Darstellung der Kompatibilität zwischen Design und Technologie
Bild 1: Darstellung der Kompatibilität zwischen Design und Technologie
(Bild: CONTAG/TU Berlin)

Prozess- und Materialtoleranzen in der Leiterplatten- und Packaging-Fertigung beeinflussen die elektrischen Eigenschaften einer Schaltung maßgeblich. Mit immer höheren Frequenzen, Bandbreiten und Datenraten der elektronischen Systeme gewinnt dieses Thema an Bedeutung.

Wissenschaftler und HF-Experten der TU Berlin und des Fraunhofer-Instituts IZM haben in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit dem Berliner Leiterplattenhersteller CONTAG AG diese Abhängigkeiten und Einflüsse untersucht. Daraus entstand eine Software, welche die resultierenden HF-Eigenschaften des Boards auf der Basis praxisorientierter Fertigungsmöglichkeiten modelliert und transparent macht.

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Die Vernetzung der Menschen untereinander und mit ihrer Umgebung spielt für heutige und zukünftige Anwendungen eine immer größere Rolle. Wo heutzutage schon 10 Milliarden Geräte übers Internet vernetzt sind, werden es im Jahr 2020 über 50 Milliarden Geräte sein [1].

Gleichzeitig steigt die Menge der Daten deutlich an (so werden mobile Daten im Jahr 2013 mit 1,6 Exabytes, auf 11 Exabytes pro Monat im Jahre 2017 ansteigen [2]). Um diese Menge an Daten vernetzen zu können, sind Systeme jenseits von 10 Gb/s unerlässlich. Dabei entstehen große Herausforderungen in den Bereichen der kabelgebundenen, drahtlosen und optischen Datenübertragung.

Bei der kabelgebundenen oder optischen Datenübertragung werden die Daten in der Regel in Glasfaserkabeln über längere Strecken transportiert. Die Herausforderung besteht in der Ein- und Auskopplung der Daten des Glasfaser-Systems. Das geschieht meistens mit hochbitratigen Signalen auf elektrischer Basis (digitale Datenübertragung).

Bei der drahtlosen Datenübertragung sind die ISM-Bänder bei niedrigen Frequenzen nur mit geringer Datenrate nutzbar (etwa bei 2,4 GHz maximal 600 Mbit/s [3]). Deshalb geht man zu höheren Frequenzbändern wie dem 60-GHz-ISM-Band über, wo Datenraten von bis zu 6 Gb/s möglich sind [4].

Durch den Übergang zu höheren Frequenzen entstehen neue Probleme im Design und bei der Herstellung solcher Systeme. Die Schwierigkeit liegt primär im Zusammenhang zwischen der Wellenlänge (limitierende Größe der klassischen Schaltungsmodelle) und der Frequenz / Datenrate.

Da Wellenlänge und Frequenz umgekehrt proportional zueinander sind, gilt: Je höher die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge. Bei 10 GHz beispielsweise beträgt sie 3 cm im Freiraum, im Dielektrikum entsprechend weniger. Damit liegt sie im Bereich der Abmessungen des Boards. Das bedeutet, dass Modellierung und Design deutlich erschwert werden.

Zusätzlich führt der Wunsch der Anwender nach mobilen Geräten zu immer größeren Integrationsdichten bei kleinem Leistungsverbrauch. Diese gegenläufigen Anforderungen können nur mit Hilfe geeigneter Techniken gemeistert werden.

Eine Technologie, die sich durch einen hohen Grad an Innovationen ausgezeichnet hat und durch ihre relativ moderaten Preise gegenüber anderen Technologien hervorsticht, ist die Leiterplattentechnik. Sie unterliegt allerdings unvermeidbaren Prozesstoleranzen. Die Ursachen hierfür liegen in den Materialeigenschaften, Toleranzen der Galvanisierungs-, Photo- und Ätzprozesse, Pressprozessen sowie in den Ungenauigkeiten der Ausrichtung vom Bohrbild zu Leiterbild bzw. von Leiterbildern zueinander.

Durch eine Kombination von Mobilität, höheren Datenraten/Frequenzen und der Technologietoleranzen verstärken sich die Herausforderungen im Bereich des System-Designs. Neuartige Modellierungsmethoden sind für den Entwurf solcher Systeme unerlässlich.

In diesem Artikel soll auf die Herausforderung des Zusammenspiels zwischen den Leiterplattenherstellern und den Designern (Abschnitt 2) eingegangen werden. Außerdem wird eine mögliche Design-Methodik vorgestellt sowie deren Nutzung für die Entwicklung neuartiger komplexer Systeme (Abschnitt 3).

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