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Die Rauheit und ihre Wirkung auf die HF-Performance

Im Kontext mit HF-relevanten Eigenschaften einer Schaltung wird immer wieder die Minimierung der Rauheit der Leiterzüge gefordert. Zugleich bringt uns nur eine differenzierte technische Betrachtung weiter: Welche Prozesse bestimmen überhaupt die Flanken- und Bodenrauheit? Welche Rauheit kann der PCB-Hersteller beeinflussen und welche Rauheit ist bei welchem Design und welchem Oberflächenfinish relevant?

Im Fertigungszyklus von Leiterplatten und Packages erfolgen diverse Laminier- und Pressprozesse. Dazu gehören das Aufbringen von Resisten für die fotolithografische Strukturierung, das Beschichten mit Lötstopplacken und das Zusammenfügen von vorstrukturierten Innenlagen zu einem Multilayer-Verbund. Bei allen Prozessen sind hohe Haftfestigkeiten gefordert, die primär durch eine Vergrößerung der aktiven Oberfläche (Aufrauen) sichergestellt werden. Dazu werden nass-chemische Mikroätzprozesse oder mechanische Verfahren angewandt.

Marktübliche chemische Mikroätzverfahren weisen, abhängig von der Ätzrate mit Ra = 0,2 – 0,5µm und Rz = 2,5 – 5µm, vergleichbare Oberflächentopografien auf. In der Marktentwicklung und Einführung befinden sich Prozesse für chemische Haftvermittlerschichten (Primer), die die Flankenrauheit extrem minimeren können.

Die Bodenrauigkeit führt dazu, dass bei Frequenzen > 1 GHz die Ohmschen Verluste der Leitungen deutlich steigen. Die Wellen dringen bei diesen Frequenzen nur wenig in die Leiterbahnen ein (Skineffekt). Die Rauheit verlängert die Wege, die der Strom nehmen muss. Somit steigen auch die Ohmschen Verluste. Daher bieten immer mehr Kupferfolienhersteller Low-Profile-Folien an, bei denen die Bodenrauheit zum Substrat von Rz = 7 – 10µm auf Rz < 5µm verringert ist.

Die Wirkung des Oberflächenfinish auf die HF-Performance

Ähnlich wie bei den Basismaterialien gibt es auch bei den Oberflächenfinishs Anforderungen, die nicht immer optimal miteinander vereinbar sind:

• Ideale elektrische Eigenschaften (hohe Leitfähigkeit, geringe Leitungsverluste),

• Universell bondfähig (Aluminium- und Golddrahtbonden),

• Mehrfach lötfähig,

• Planarität der Anschlussflächen,

• Lange Lagerfähigkeit,

• Umweltgerecht,

• Geringe Kosten.

Bei den vielen Varianten am Markt zeigt sich schnell, dass es keine universelle Lösung für alle Anforderungen gibt. Die preislich attraktivsten Varianten im einfachen bis mittleren Technologiebereich sind nach wie vor HAL (Hot Air Leveling), chemisch Zinn und OSP (Organic Surface Passivation).

Bei Fine Pitch-Applikationen mit Bondoberflächen dominieren die teureren Prozesse ENIG (Electroless Nickel + Immersion Gold; Aludraht-bondbar) bzw. ENEPIG (Electroless Nickel + Electroless Palladium + Immersion Gold; universell bondbar). Dabei ist die phosphorhaltige Nickelschicht dieser Varianten problematisch. Der Grund liegt am hohen Ohmschen Widerstand im Vergleich zu anderen Oberflächenveredelungen.

Derzeit stehen drei weitere alternative Oberflächenfinishs im Fokus der HF-Entwickler: chemisch Silber (Aludraht-bondbar), ASIG (Autocatalytic Silver + Immersion Gold; universell bondbar) und EP (Electroless Palladium; universell bondbar).

Generell gilt, dass das Oberflächenfinish nur dort Einfluss nimmt, wo sich kein Lötstopplack befindet: die Leiterbahnen unter dem Lötstopplack bestehen aus reinem Kupfer. Alternativ verzichtet man auf den Lötstopplack und beschichtet vollflächig.

In Teil 3 der Artikelreihe erwarten Sie weitere Untersuchungsergebnisse zu HF-relevanten Fertigungseinflüssen, Toleranzen in den Leiterzügen und die Charakterisierung von Durchkontaktierungen.

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* 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 der Technischen Universität Berlin. Uwe Maaß ist an der Technischen Universität Berlin in den Bereichen HF-Anwendungen und HF-Layouts tätig. Ivan Ndip ist Gruppenleiter am Fraunhofer IZM in Berlin. Klaus-Dieter Lang ist Institutsleiter des Fraunhofer IZM in Berlin. Kai Löbbicke arbeitet bei Rohde & Schwarz in München und entwickelt neue Verfahren in der Leiterplattenfertigung für HF-Applikationen.

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