Hochfrequenztechnik Hochfrequenzboard: Theorie versus Prozesstoleranzen (Teil 2)

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

Nach der Systembeschreibung und Problemdarstellung im ersten Teil (erschienen in Ausgabe 7/2014) legt der zweite Teil den Schwerpunkt auf die Leiterbahnen, eines der wichtigen Segmente von Systemen.

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Vision und Umsetzung: Der Weg zur Realisierung eines Produkts ist mit vielen Detailproblemen gespickt.
Vision und Umsetzung: Der Weg zur Realisierung eines Produkts ist mit vielen Detailproblemen gespickt.
(Bild: CONTAG/TU Berlin)

Die Anzahl der Nutzer im Internet und die Datenraten steigen rapide an. Neuartige Kommunikationssysteme müssen diesem rasanten Anstieg (Datenraten > 10Gbps) und den dadurch gesteigerten Anforderungen an die Hochfrequenzeigenschaften des Verbindungssystems gerecht werden. Die steigenden Packungsdichten und die zunehmende Miniaturisierung führen außerdem dazu, dass (oft unvermeidbare) Material- und Prozesstoleranzen viel stärker als bisher vom Designer berücksichtigt werden müssen.

All das verlangt neue Ideen für die Herangehensweise beim Systementwurf. Die TU Berlin in Zusammenarbeit mit dem Berliner Fraunhofer-Institut IZM hat sich dieser Herausforderung gestellt. Mit dem M3-Ansatz (Methoden, Modelle, Maßnahmen) wurde eine Herangehensweise entwickelt, die auch im Höchstfrequenzbereich eine Partitionierung des elektrischen Verbindungssystems erlaubt. Mit separater Modellierung und Optimierung werden einzelne Bestandteile des sogenannten Signalpfades analysiert und bewertet.

Schematische Darstellung einer Mikrostreifenleitung
Schematische Darstellung einer Mikrostreifenleitung
(Grafik: CONTAG/TU Berlin)
Nach der allgemeinen Systembeschreibung und Problemdarstellung im ersten Teil der Artikelserie legt der zweite Teil nun den Schwerpunkt auf Leiterbahnen, eines der wichtigen Segmente von Systemen. Eine Mikrostreifenleitung ist bereits ein komplexes technologisches System: Durch Hochfrequenzeffekte wie etwa Current Crowding wird die Stromverteilung im Bereich der Mikrostreifenleitung so beeinflusst, dass die Grenzflächen zwischen Metall und Dielektrikum einen größeren Einfluss haben.

Dieser Effekt läuft konträr zur Anforderung an eine haftfeste und damit raue Kupferoberfläche. Gleichzeitig darf die Kupferoberfläche nicht frei liegen. Zum Standard einer Lötstopplackbeschichtung bietet sich dafür alternativ die vollflächige Beschichtung mit einem Oberflächenfinish an. Weitere relevante Punkte sind die Geometrie der Leiterzüge und die HF-relevanten Materialparameter und Toleranzen. All diese Details sind bei einer Hochfrequenzanalyse mit zu berücksichtigen.

Substrate und ihre Wirkung auf Leitungen

Die Übertragung elektrischer Signale erfolgt durch elektromagnetische Wellen im Substrat zwischen Signal- und Masseleiter (siehe Abbildung 1). Daher kommt der Auswahl des geeigneten Basismaterials (Dielektrikum) beim PCB-Design eine entscheidende Rolle zu. Das bei HF-Designern oftmals zu Unrecht verschmähte Standard-FR4 besitzt im Frequenzbereich bis 1GHz nach wie vor seine Berechtigung und muss nicht zwangsläufig durch teurere Sondermaterialien wie PTFE ersetzt werden. Hier gilt es, neben den benötigten HF-relevanten Eigenschaften auch andere Faktoren zu berücksichtigen. Ein ideales Basismaterial verfügt über diese Eigenschaften:

  • In weitem Frequenz- und Temperaturbereich bekannte Dielektrizitätskonstante Dk,
  • Möglich konstant über Frequenz,
  • Niedriger Verlustfaktor tanδ,
  • Hohe thermische Performance (ausreichend hohe Glasübergangstemperatur Tg, thermische Beständigkeit, Zersetzungstemperatur und Dimensionsstabilität CTEz),
  • Geringe Feuchtigkeitsaufnahme,
  • CAF-Beständigkeit,
  • Problemlos und mit Standard-FR4-Parameter kompatibel prozessierbar (mechanische Bearbeitung, Metallisierung der Hülsen, UV-Blocker- und AOI- kompatibel),
  • Geringe Kosten.

In der Realität müssen für High-Performance-Materialien insbesondere bei den letzten beiden Punkten deutliche Abstriche gemacht werden. PTFE-basierte Materialien sind reaktionsträge und kaum zu benetzen; die Abscheidungsprozesse in den Hülsen bedürfen einer speziellen und aggressiven Plasmavorbehandlung. Auch das mechanische Bearbeiten dieser Materialien ist nicht unkritisch, da sie aufgrund der thermoplastischen Materialeigenschaften stark zum Schmieren neigen. Darüber hinaus ist die Haftung der Kupferfolien deutlich geringer.

Das Basismaterial ist ein Verbundstoff, der sich grundsätzlich aus einem Harzsystem und Komponenten wie Füllstoffen und/oder Glasgeweben zusammensetzt. Jene Ergänzungen sind notwendig, um die benötigte mechanische und thermische Stabilität zu erreichen. Dies wirkt sich jedoch oftmals nachteilig auf die elektrischen Eigenschaften aus: Glasgewebe-gestützte Epoxydharz-Materialien (der Standard in der Leiterplattenfertigung) besitzen keinen homogenen Aufbau. Auf der Board-Oberfläche gibt es Schwankungen der dielektrischen Eigenschaften. Da Glas eine höhere Permittivität als die verwendeten Organika besitzt, „spürt“ eine sensible Leitung ihre Positionierung gegenüber den Glasfasern. Technische Antworten des Materialherstellers wie spezielles E-Glas und gespreizte Gewebe werden immer mit erhöhten Kosten erkauft.

Für den Bereich zwischen 1 GHz und 30 GHz gibt es Alternativsysteme aus modifiziertem FR4 sowie Materialien aus Hydrocarbon-Harzsystemen, die in den Verarbeitungseigenschaften näher an den konventionellen Epoxydharz-Materialien sind. Neben den Spezialanbietern Rogers, Arlon, Neltec und Taconic haben mittlerweile auch die etablierten PCB-Standardmateriallieferanten wie Panasonic und Isola eine Vielzahl an HF-geeigneten Basismaterialien im Angebot. Hier steht erneut der Leiterplattenhersteller in der Pflicht, gerade unter Kostenaspekten geeignete Alternativen vorzuschlagen.

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Grundsätzlich kann man die verfügbaren HF-Substrate in folgende vier Hauptgruppen unterteilen (siehe Tabelle 1):

  • Standard-FR4
  • Modifiziertes FR4
  • Hydrocarbon
  • PTFE.

Tabelle 1: Die verfügbaren HF-Substrate lassen sich in vier Hauptgruppen unterteilen.
Tabelle 1: Die verfügbaren HF-Substrate lassen sich in vier Hauptgruppen unterteilen.
(Quelle: CONTAG/TU Berlin)

Für das Design spielen die dielektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Frequenz eine zentrale Rolle. Datenblätter geben meist nur einen Wert bei einer relativ niedrigen Frequenz an. Das Fraunhofer IZM hat daher einen Messplatz zur dielektrischen Materialcharakterisierung von einigen MHz bis in den Bereich über 100 GHz aufgebaut.

Während bei dem Verlustfaktor eine Abschätzung nach oben ausreicht, ist bei der Dielektrizitätskonstante Dk die Kenntnis des genauen Wertes zur Gewährleistung eines konstanten Wellenwiderstandes unerlässlich. Gerade im Hochfrequenzbereich ist dies zur Vermeidung von Reflexionen entscheidend. Neben den Toleranzen von Dk und tanδ und deren fehlender Gleichmäßigkeit auf der Oberfläche bei Glasgewebe-gestützten Materialen zeigen die Dickentoleranzen den größten Einfluss auf die elektrische Performance von Mikrostreifenleitungen.

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