Hochfrequenzboard: Theorie versus Prozesstoleranzen (Teil 3)

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Beta LAYOUT GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

CONTAG AG

Welche Via-Konfiguration zeigt die beste Performance?

Der Platzbedarf für die Rückstrom-Vias wirkt sich nachteilig auf die mögliche Schaltungsdichte aus. Bei Schaltungen mit hoher Packungsdichte muss dies bei der Wahl der geeigneten Design/Technologievariante berücksichtigt werden.

In einem erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojekt von CONTAG AG und TU Berlin wurden die drei Ausführungsvarianten unter den Gesichtspunkten HF-Eigenschaften, Designfreiheit und Kosten ausführlich untersucht und bewertet.

Dabei zeigte das Koaxial-Via bezüglich der ersten beiden Kriterien die besten Ergebnisse, diese Variante ist aufgrund des deutlich höheren Prozessaufwandes allerdings auch die teuerste Lösung.

Der Grund für die guten Übertragungseigenschaft liegt in der Homogenität der Koaxial-Vias, die eine exakte Anpassung an die charakteristische Impedanz der Zuleitung ermöglicht.

Koaxial-Vias und ihre Möglichkeiten

Im letzten Abschnitt wurde schon gezeigt, dass Koaxial-Vias Vorteile gegenüber der Anwendung mehrerer Return Vias habe. Dies liegt daran, dass für das Dielektrikum der Koaxial-Vias verschiedene Pasten verwendet werden können, die geringe dielektrische Verluste (im Vergleich zu FR4) aufweisen. Darüber hinaus ist die Anpassung der Via-Region an die charakteristische Impedanz der Leitung bis in den hohen GHz-Bereich (je nach Abmessung bis etwa 50 GHz) mit Hilfe einfacher Koaxialleiter-Berechnungen möglich. Dabei ist das Ziel, Innen- und Außenradius so auszulegen, dass die Impedanz 50 Ohm beträgt.

Hinsichtlich der technischen Machbarkeit sind Koaxial-Vias limitiert durch den nicht beliebig verkleinerbaren Innenradius in der Kombination mit der Forderung nach 50 Ohm Wellenwiderstand, da dass Dielektrikum nicht unendlich dünn gewählt werden kann.

Die Energie wird als elektromagnetische Welle in der Via-Region übertragen. Im Bereich der Grenzfrequenz höherer Moden, teilt sich die eingespeiste Leistung in ver-schiedene Feldverteilungen (Moden) auf. Wobei nur die Leistung der TEM-Mode (Grundwelle) für die Leistungsübertragung einen Beitrag leistet. Die restliche Leistung geht in der Regel verloren.

Zusammenfassung der Artikelserie

Leiterplatten für hohe Frequenzen und Datenraten bedeuten komplexe Herausforderungen an das Design und die Fertigung. Diese Herausforderungen sind nur erfolgreich lösbar, wenn die theoretischen elektrotechnischen Betrachtungen und Simulationen auf die realistischen Möglichkeiten der Leiterplattentechnologie korrekt abgebildet werden. Dazu sind umfangreiche Kenntnisse der Fertigungsprozesse und Materialien nötig.

CONTAG hat sich unter anderem in Forschungsprojekten mit der TU Berlin und dem Fraunhofer Institut IZM die technische Expertise erarbeitet, wie auszugsweise in der Artikelserie vorgestellt wurde. Für weitergehende Informationen kontaktieren Sie bitte die Autoren der Artikel.

* 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 Abteilungsleiter am Fraunhofer IZM in Berlin.

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

* Kai Löbbicke arbeitet bei Rohde & Schwarz in Teisnach und entwickelt neue Verfahren in der Leiterplattenfertigung für HF-Applikationen

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