Hochfrequenzboard: Theorie versus Prozesstoleranzen

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Herausforderungen: HF-gerechtes Design und Prozessierung

In der Praxis erlebt man immer wieder die Situation, dass weder der Schaltungsentwickler noch der Leiterplattenhersteller die Brücke zwischen der eigentlichen Schaltungsspezifikation (Arbeitsfrequenz/Datenraten, geforderte Signalintegrität, Impedanzen, Vorgaben EMV, Kosten und Ähnliches) und der resultierenden Board-Spezifikation schlagen kann.

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Dies liegt primär daran, dass die Prozesse und Toleranzen in der PCB-Herstellung und die daraus resultierenden Einflüsse auf die HF-Eigenschaften auf beiden Seiten einfach nicht ausreichend genug bekannt sind oder in der Komplexität des Zusammenspiels durch den Entwickler nicht richtig bewertet werden können.

Wenn der Leiterplattenhersteller als unkritischer Dienstleister folglich eine nicht optimale Vorgabe vom Entwickler/Designer umsetzt, gibt es im günstigsten Fall eine technisch funktionierende, aber möglicherweise trotzdem nicht kostenoptimale Lösung. Im ungünstigsten Fall werden über Iterationsschleifen von Musterbauten empirisch technisch funktionale Lösungen erarbeitet – zu noch höheren Kosten für den Entwickler.

Für einen Leiterplattenhersteller mit technischer Kompetenz und Kundennähe sollte ein anderer Anspruch gelten. So wird etwa häufig ein spezielles (und teures) Sondermaterial anstelle von FR4 gewählt, obwohl das möglicherweise für die konkrete Anwendung gar nicht nötig wäre. Die Board-Spezifikation sollte jedoch vor allem unter Berücksichtigung des Kostenaspektes (Materialwahl, Stack Up, zulässige Leiterzugtoleranzen und Ähnliches) bei aller technischen Funktionalität natürlich möglichst wenig vom Fertigungsstandard des PCB-Herstellers abweichen.

Für eine belastbare Analyse und Anpassung muss der Leiterplattenhersteller seine Fertigungstoleranzen nicht nur genau kennen, sondern auch gezielt beeinflussen können. Dabei ist die Frage zu beantworten, welche Prozesse und Fertigungstoleranzen maßgeblichen Einfluss auf die HF-Eigenschaften und Tauglichkeit einer Schaltung haben.

Das lässt sich am besten am Beispiel einer Mikrostreifenleitung darstellen, bei der eine Vielzahl von technischen Parametern existieren. Diese lassen sich unterteilen in Leiterzug-Parameter (Leiterzugbreite, Leiterzugform, Leiterzugdicke, Rauigkeiten), Oberflächenausführung (Metallische Endoberfläche wie ENIG – Electroless Nickel/ Immersion Gold, HAL, chem. Silber etc., Lötstopplacke) und in Dielektrikumsparameter (HF-Eigenschaften des Materials, Homogenität, Dickentoleranzen). Ein typisches Schliffbild einer Mikrostreifenleitung ist in Bild 2 dargestellt.

Die Auswahl der Design-Parameter ist für die Eigenschaften der HF-Komponenten essenziell. So kann etwa eine nicht optimale Auswahl des Oberflächen-Finishings die Performance des gesamten Systems erheblich verschlechtern. Wie in Bild 3 deutlich wird, führt zum Beispiel der Einsatz von chemischem Silber trotz der Verwendung von Lötstopplack zu besseren Resultaten als das ungeeignete ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ohne Lötstopplack.

Um diese Informationen gezielt nutzen zu können, muss der Designer eine Methode haben, die dieses Wissen berücksichtigt.

Für eine gute Performance des Systems sind in der Regel eine stabile Spannungsversorgung (PI) sowie eine gute Signalqualität (SI) nötig. Dabei steigen die Herausforderungen der Signalqualität mit der Frequenz/Datenrate und mit dem Miniaturisierungsgrad an.

Durch die reduzierten Abstände entsteht zum Beispiel eine verstärkte Kopplung zwischen benachbarten Leiterzügen. Infolge der hohen Frequenzen steigt gleichzeitig der Einfluss von Diskontinuitäten (Durchkontaktierungen, Knicke etc.), wodurch zusätzliche Reflexionen entstehen. Diese können zu einem Verrauschen des Signals führen, das die Funktionsfähigkeit stören können.

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