Hochfrequenzboard: Theorie versus Prozesstoleranzen (Teil 3)

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HF-Ankontaktierung: Warum Vias wichtig sind

Eine weitere entscheidende Einflussgröße für das HF-Design sind Vias. Ein Via ist unter mehreren Aspekten interessant und damit für den Designer anspruchsvoll:

a) Das Via durchbricht die Struktur aus Signalleiter und Masselage, bei der letztere neben dem Bezugspotenzial auch den Rückstrompfad bereitstellt. Bei einem Wechsel der Metalllage eines Signalleiters durch ein Via muss unter Umstäbden auch der Rückstrompfad in einer anderen Lage fließen.

Fließt der Rückstrom hauptsächlich als Verschiebungsstrom, kann das eine hohe Einfügedämpfung zur Folge haben. Zur Vermeidung unerwünschter Effekte muss der Designer dem Strom also einen wohldefinierten Rückstrompfad anbieten. Dies kann etwa auf konventionellen Weg mittels Stützkondensatoren erfolgen, alternativ bietet sich die Verwendung der später beschriebenen Rückstromvias an.

b) Insbesondere im GHz-Bereich muss man daran denken, dass neben den gewünschten Mikrostreifen- bzw. Stripline-Feldverteilungen weitere Moden ausbreitungsfähig sind (zum Beispiel Parallelplattenmoden), die die Signalleistung absorbieren oder anderweitig stören können. So kann zum Beispiel durch ein Via eine Parallelplattenmode zwischen zwei Versorgungslagen angeregt werden.

Die hierbei auftretenden Felder entsprechen den im vorherigen Abschnitt beschriebenem Verschiebungsstrom im Rückstrompfad. Diese Sichtweise macht deutlich, dass Maßnahmen zur Vermeidung dieser Leistungsverluste unabdingbar sind.

c) Last but not least stellt eine Via-Region eine Diskontinuität dar, die zur Vermeidung von Reflexionen bezüglich ihrer Impedanz angepasst werden sollte. Dafür wurde innerhalb der bereits erwähnten Forschungsprojekte verschiedene Effekte (etwa der Einfluss des Isolationsabstandes zwischen Vias und nicht angebunden Innenlagen) untersucht.

Elektrische Kontaktierungen werden in der PCB-Technologie durch Bohrungen erzeugt, deren Wandungen anschließend in einer Prozesskette aus Reinigung, Konditionierung und Kupferabscheidung elektrisch leitfähig gemacht werden. Design- und layouttechnisch wird es bei komplexen Boards und modernen Bauelementen mit immer kleineren Rastermaßen (Pitches z.B. < 0,5mm) zunehmend schwieriger, die Entflechtung über sog. Through Holes, also Kontaktierungen durch das gesamte Board, zu realisieren. Mikro Vias, Blind Vias (Sacklöcher) und Buried Vias (vergrabene Bohrungen) sind die technischen Antworten auf diese Forderungen.

Through Holes: Kontaktierung von Top nach Bottom, Durchmesser ≥0,10mm, mechanisch erzeugt. Dabei muss das Verhältnis Bohrdurchmesser zu Leiterplattenstärke (Aspect Ratio) ≥ 1:10 betragen.

Blind Vias: Kontaktierung von einer Außenlage auf eine definierte Innenlage, Durchmesser ≥0,05mm, mechanisch oder mittels Laser erzeugt. Hier muss das Verhältnis Lochdurchmesser zu Kontaktierungstiefe aus prozesstechnischen Gründen der Metallisierungsverfahren ≥ 1:1 gewählt werden. Daher ist es notwendig, sehr tiefe Blind Vias als Through Holes in den Innenlagen zu fertigen und anschließend sequentiell, also schrittweise zum fertigen Multilayerverbund zu verpressen. Buried Vias: Im Multilayer Stack Up eingebettete Kontaktierung, im Fertigungsprozess als Through Hole oder Blind Via erzeugt.

Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, mittels Back Drill-Verfahren (Aus-/Zurückbohren von Through Holes) bei Blind Vias die Bodenmetallisierung am Landepad sowie ein Teile der Kupferhülse zu entfernen. Die resultierende Verbesserung der hochfrequenten Eigenschaften des Vias kann für spezifische Anwendungen und Layouts entscheidend sein.

CONTAG verfügt über die notwendige langjährige Erfahrung in der Fertigung komplexer Multilayer-Schaltungen für digitale Anwendungen mit höchsten Datenraten. Darüber hinaus werden Leiterplatten für integrierte analoge Schaltungen und Komponenten, wie innovative Antennen hergestellt.

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