Hochfrequenzboard: Theorie versus Prozesstoleranzen

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Bei heutigen Designs werden die Herausforderungen meist mit Hilfe von nummerischen Simulationen und Teststrukturen gelöst. Dabei wird ein kritischer Signalpfad oder das gesamte System simuliert oder vermessen. Das Design wird dann anhand von Erfahrungswerten erstellt, kritische Punkte werden angepasst und neue Simulationen oder Messungen finden statt. Dies wiederholt sich, bis das Design alle Grenzwerte des Systems einhält. Dies hat einen hohen Zeitaufwand sowie beträchtliche Entwicklungskosten zur Folge.

Ansätze für eine Lösung

Die Herausforderungen zeigen, dass ein methodisches Vorgehen für das Design eines solchen Systems unerlässlich ist. Das Fraunhofer IZM, insbesondere die Arbeitsgruppe um Dr. Ivan Ndip, hat dafür ein spezielles Verfahren entwickelt, den sogenannten M3-Ansatz (Methoden, Modelle, Maßnahmen).

Im ersten Schritt werden der Signalpfad in verschiedene elektrische Segmente zerlegt und die einzelnen Schnittebenen zwischen den Segmenten definiert. Damit jedes dieser Segmente für sich modelliert werden kann, ist es wichtig, dass die Segmente elektrisch voneinander unabhängig sind (keine Beeinflussung über die Schnittebenen hinweg). Das bedeutet, dass die höheren Modi, die an jeder Diskontinuität entstehen, abgeklungen sein müssen.

Für jedes dieser Segmente wird ein Modell entwickelt. Dafür können verschiedene Methoden (analytisch semi-analytisch, nummerisch, messtechnisch) verwendet werden. Anhand der Modelle wird ein Verständnis für jedes einzelne Segment erzeugt und eine Optimierung vorgenommen. Anschließend werden die verbesserten Segmente zusammengeschaltet und man erhält einen optimierten Signalpfad. Anhand dieses Modells werden Maßnahmen abgeleitet, die in zukünftigen Designs wieder verwendet werden können.

Auf dieser Basis haben die TU Berlin und das IZM zusammen mit CONTAG mehrere Forschungsprojekte realisiert. Ziel eines dieser Projekte war es, das Verständnis der PCB-Technologen für die HF-Frequenzparameter zu erweitern sowie die Technologietoleranzen in HF-Toleranzen zu übertragen. Diese Übertragung erfolgte mit grundlegenden Segmenten eines HF-Pfades mit Hilfe von erweiterten analytischen Modellen (betrachtet wurden Durchkontaktierungen, HF-Leitungen und Spannungsversorgungslagen). Die Modelle berücksichtigen alle relevanten Prozess- und Materialparameter.

Durch eine zusätzliche statistische Auswertung der Modelle kann nun ein Toleranzraum der wichtigsten HF-Parameter dargestellt werden (siehe Abbildung 4). Mit Hilfe des ermittelten Toleranzraumes kann der Designer den Einfluss der PCB-Parameter auf die resultierenden HF-Eigenschaften schaltungsbezogen abschätzen. Mit dieser Information kann die optimale Technologie- und Materialauswahl schon im Vorfeld gesichert werden.

Ausblick auf weitere Artikel der Reihe

In weiteren Artikeln wird auf die verschiedenen Modelle und Prozessparameter der Segmente eingegangen. Teil 2 und Teil 3 der Artikelreihe „Herausforderung Hochfrequenz-Board – Theorie vs. Prozesstoleranzen“ mit den Schwerpunkten Oberflächenfinishing, Toleranzen in den Leiterzügen, Charakterisierung von Durchkontaktierungen, Materialeinfluss etc. beleuchten konkrete HF-relevante Technologie-Schwer-punkte. Hierbei werden die technischen Inhalte und Anforderungen von Schaltungs- und Boardspezifikation weiter zusammengeführt – ein absolutes Muss für das HF-Design von morgen.

Literaturhinweise:

[1] J. B. D. H. J. Bradley, „Embracing the Internet of Everything to Capture Your Share of $14.4 Trillion,“ CISCO, 2013.

[2] http://www.eucap2013.org/files/EuCap2013%20Gianesello.pdf, 08.02.2014

[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Wireless_Local_Area_Network

[4] IEEE P802.11ad/D0.1

* Christian Ranzinger ist Leiter Entwicklung und Technologie beim Berliner Leiterplattenhersteller CONTAG.

* Gerhard Fotheringham beschäftigt sich am Berliner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) mit dem HF-Verhalten von Materialien.

* Christian Tschoban ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität Berlin.

* Uwe Maaß ist an der TU Berlin in den Bereichen HF-Anwendungen und HF-Layouts tätig..

* Ivan Ndip ist Gruppenleiter am Fraunhofer IZM in Berlin.

* Professor Klaus-Dieter Lang ist Institutsleiter des Fraunhofer IZM in Berlin.

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