Fortschrittliches HF-Leiterplattenmaterial

In der Elektronikindustrie setzt sich der Trend zu höherer Leistung und höherer thermischer Stabilität fort. Dies stellt auch höhere Anforderungen an das eingesetzte Leiterplattenmaterial. In HF- und Mikrowellenapplikationen wie Leistungsverstärkern, Subsystemen, Netzwerken, HF-Endstufen und Antennen sind geringe Verluste und geringe Varianz der dielektrischen Konstante zwei der wesentlichen Faktoren. Leiterplattenmaterial, das diese Anforderungen erfüllt, steht mit PTFE oder, noch aktueller, mit verlustarmen duroplastischen Polymeren zur Verfügung. Anwender können mit solchem Material die nutzbare Bandbreite, die durch Drift der dielektrischen Konstante auf Grund von Temperaturänderungen eingeschränkt ist, vergrößern. Bei Antennendesigns würde eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und Veränderung der Bandbreite der spezifizierten Frequenz zu einer Verminderung des Antennengewinns führen. Auch das kann mit der Auswahl eines geeigneten Materials verhindert werden.

PTFE-Laminate

Traditionell sind verlustarme Verbundwerkstoffe als gewebtes und nicht gewebtes Fiberglass verstärktes PTFE (zum Beispiel Polytetrafluoroethylen oder Teflon) erhältlich, mit dielektrischen Konstanten von 2,2 bis 2,33 bzw. von 2,2 bis >3,0. Kostenreduzierend wirkt sich ein geringerer Anteil von PTFE mit gleichzeitiger Erhöhung der mechanischen Stabilität aus. Jedoch steigt der Dielektrizitätsverlust bei 10 GHz an (Bild 1).

Keramik gefüllte Substrate

Um die dielektrische Konstante in PTFE-basierten Mikrowellensubstraten zu verändern, wird unterschiedliches Keramikfüllmaterial verwendet. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die dielektrische Konstante auf über 10 zu vergrößern. Durch entsprechende Bearbeitung des keramischen Füllmaterials erzielen diese PTFE-Substrate, entgegen dem in Bild 1 gezeigten Trend, geringere Verlustwinkel. Das reduziert gleichzeitig Signalstörungen und Wärmeverluste der Mikrowellenlaminate bei Verlustfaktoren von 0,0020 bei 10 GHz (bei Material DK3.5 und DK6.15). Im Folgenden dieses Beitrags werden weitere Vorteile dieser Materialien diskutiert, die mit der thermischen Leitfähigkeit zusammenhängen, wie verbesserte Wärmeleitung, thermische Stabilität der dielektrischen Konstante der Substrate und thermische Expansion, wie im Folgenden gezeigt.

Verbesserte thermische Leitfähigkeit

Einige HF + Mikrowellenkomponenten generieren Wärme nur durch das Anlegen der Betriebsspannung, unabhängig vom Basismaterial, auf dem sie befestigt wurden. In diesem Zusammenhang ist die PAE (Power Added Efficiency) ein wichtiger Parameter. PAE beschreibt die Effizienz, mit der ein HF-Leistungsverstärker die zugeführte Leistung in HF-Ausgangsleistung umsetzt. Typische HF- und Mikrowellenverstärker arbeiten mit einer Effizienz von 15 bis 55 Prozent. Ein hoher Prozentsatz der Leistung wird demnach in Wärme umgesetzt, die vom Substrat des Verstärkers über eine gute thermische Leitfähigkeit abgeführt werden muss.

Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit

Konventionelle Substratmaterialen für HF-Applikationen haben eine thermische Leitfähigkeit von 0,2 bis 0,25W/m-K, keramisch gefülltes Material von 0,4 bis 0,6 W/m-K, was für hohe Frequenzen und Leistungen nicht ausreichend ist. Das Material leitet die Wärme entweder in x/y Richtung (Wärmeverteilung) oder in Z-Richtung, typischer Weise auf einen Kühlkörper, ab und reduziert die maximale Temperatur des Bauteils. Insbesondere gilt dies bei Leistungsverstärkern.

Bild 2 zeigt die Wärmeverteilung und Wärmereduzierung auf einem TC Laminat mit DK 6,15 (TC = 1,1 W/m-K) verglichen mit einem 6,15 DK Laminat (TC = 0,46W/m-K). Auf beiden Proben ist derselbe HF-Leistungs-FET montiert und aktiviert. Das Bild zeigt, dass der Anstieg der thermischen Leitfähigkeit des besonders bearbeiteten Keramik gefüllten High TC Substrats die maximale Temperatur des FET Gehäuses von 82°C auf 73°C senkt und die Temperatur auf der Substratunterseite von 78°C auf 72°C. Bild 3 zeigt eine Reduktion der Maximaltemperatur am Bauteil um 8°C, wenn man anstelle Laminat mit einem TK von 0,35W/m-K ein Material mit 1,03W/m-K verwendet. Hierfür sind zwei 47 Ohm Reihenwiderstände auf unterschiedlichen Substraten derselben DK und derselben Stärke mit unterschiedlichen TK-Werten aufgebracht worden. Die Wärmeverteilungsfähigkeit des Materials wird auch durch die größere Flächenverteilung mit Temperaturen über 30°C verdeutlicht.
Demnach reduziert sich der Temperaturgradient innerhalb des Substrats.

Wie Messungen zeigen, verteilt das High TC 3,5DK Laminat, ein Keramik gefülltes PTFE Substrat, die Temperaturen auf einer über 40 Prozent größeren Fläche über das Board als das 3,5DK Laminat mit dem niedrigsten TC.

In HF-Leistungsverstärkern verringern sich Verstärkung, Wirkungsgrad und Linearität der Leistungstransistoren mit zunehmender Sperrschichttemperatur des Transistors. Die höhere Temperatur senkt die Elektronenmobilität im pn-Übergang oder der Sperrschicht. Ist ein AlGAN/GaN Leistungs HFET nicht thermisch optimal an die Leiterkarte angebunden, führt die höhere Temperatur zur Verminderung der Leistung des Bauteils. Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit wie High TC Laminat führt die Wärme vom Hotspot in AlGAN/GaN Leistungs HFET ab und ermöglicht so einen effizienteren Betrieb. Eine geringere Temperatur aktiver Komponenten führt zu höherer Effizienz, erhöhter Zuverlässigkeit und zu besserer Phasenstabilität. Außerdem wird die maximale Temperatur an den Lötstellen oder Durchkontaktierungen, welche auch kritische Bereiche bei thermischer Expansion sind, gesenkt.

Reduzierte thermische Expansion

Höhere thermische Leitfähigkeit reduziert die Temperatur des Substrats und der darauf montierten Bauteile. Diese wird durch den Einsatz von Keramik gefüllten Materialien erreicht, die gleichzeitig auch die thermische Ausdehnung verringern.
Die Koeffizienten der Ausdehnung in allen drei Achsen beeinflussen die Zuverlässigkeit. Ein niedriger CTE-Wert des Substrats, oder besser noch ein angepasster CTE-Wert der einzelnen Substratlagen, reduziert den Stress auf die Lötstellen. Niedrigere Temperaturen und ein geringer CTE-Wert der Z-Achse erhöhen nicht nur die Zuverlässigkeit und die Phasenstabilität sondern halten die charakteristische Impedanz nahezu konstant. Reduzierte Temperaturen und verringerte Expansionskoeffizienten helfen die spezifischen Eigenschaften im Betrieb zu erhalten. Die elektrische Länge ist kritisch in Übertragungsleitungen und phasenangepassten Bauteilen. Konsistente Leitungslänge ist eine Funktion der thermischen Expansion des Leiters und der thermischen Stabilität des Dielektrikums. Gleichzeitig machen sich Veränderungen in der Stärke des Boards, resultierend aus der Expansion in der Z-Achse, in einer Veränderung der Impedanz der Streifen- und Microstrip-Übergangsleitung bemerkbar. Ebenso ändert sich der Phasenwinkel in Microstrip-Leitungen durch Variation der dielektrischen Konstante.

Thermische Stabilität der Dielektrizitätskonstante

In HF-Schaltungen wirkt sich eine verbesserte thermische Stabilität direkt auf die Impedanz-, Phasen- und Frequenzstabilität über die Temperatur aus. Dies wiederum wirkt sich positiv auf Fehlanpassung von aktiven Komponenten, deren geringere Phasen- und Frequenzshift, auf eine Veränderung der Bandbreite und auf Drift im Betrieb bei erhöhter Temperatur aus. Verschiedene Füllmaterialien in HF-Substraten verringern die thermische Expansion und reduzieren die Veränderung der thermischen Konstante über die Temperatur.
Von der geringeren Ausdehnung profitiert die thermische Leitfähigkeit
in doppeltem Sinne. Die Phasenstabilität und elektrische Länge sowie die Dielektrizitätskonstante werden durch die mechanische Länge der Übertragungsleitungen beeinflusst. Gut leitende Substrate reduzieren den Betriebstemperaturbereich. Substrate, die zusätzlich über eine stabile dielektrischen Konstante verfügen, stellen außerdem eine gute Phasenstabilität über der Temperatur sicher. Bild 5 zeigt einen Vergleich der Stabilität der dielektrischen Konstante über die Temperatur von FR-4, von PTFE/Glasslaminat und DK3.5 High TC Laminat. Die Verwendung von speziellem Keramikfüllmaterial in DK3.5 High TC Laminat führt zur erhöhten thermischen Leitfähigkeit (TC=1,03W/m-K) und zu einer temperaturstabileren Dielektrizitätskonstante (TCEr = -9ppm/°C) die die Ausdehnung über der Temperatur verringern (CTEx,y = 8ppm/°C, CTEz = 17ppm/°C).

Phasenstabilität

Eine stabile thermische dielektrische Konstante ist wichtig in HF-Systemen, um Phasen- und Frequenzstabilität über die Temperatur zu erreichen, besonders bei starken Temperaturänderungen. Da die Schaltungen auf eine spezielle Frequenz optimiert werden und die verwendeten Elemente eine spezifizierte elektrische Länge besitzen, die über den Phasenwinkel gemessen wird, gehen Temperaturänderungen besonders stark ein. Überschlagmäßig kann man feststellen, dass die Veränderung der Frequenz oder Phase über die Temperatur etwa die Hälfte des Betrags der DK-Änderung oder Drift ausmacht. Die Veränderung der physikalischen Länge geht direkt in die Phasen- und Frequenzstabilität ein.
Bild 6 zeigt, wie Standard-HF-Material mit relativ hohem TCErr-Wert auf Wärme reagiert. Es zeigt einen TDR-Plot (Time Domain Reflektometer) der Impedanz über die Zeit (beziehungsweise Entfernung). Die Microstripleitung wurde in der Mitte des Boards einer Temperatur von 125°C ausgesetzt. Als Ergebnis der Erwärmung wird die dielektrische Konstante lokal reduziert und bildet einen Bereich erhöhter Impedanz (1,135 Ohm höher). Auch die elektrische Länge von 5,8ns wird um 17,68ps verkürzt.

Schlussbemerkung

Ironischerweise führen neue technische Herausforderungen bei gleichzeitigem Kostendruck Leiterplattenmaterialien an die Grenzen der thermischen Belastbarkeit. Um Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu erhöhen ist eine gute Wärmeverteilung unabdingbar. Dies trifft besonders zu, wenn passive Kühlung aus Kosten-, Zuverlässigkeits-, Wartungs- und Platzgründen gewünscht wird. Der Fokus der Entwickler bei Hochleistungsdesigns hat zu innovativen und fortschrittlichen Materialien, wie zum Beispiel zu TC600 und TC350 Substraten von Arlon geführt (Vertrieb: Globes Elektronik GmbH) mit geringem CTE, mit geringem Verlustwinkel und hoher thermischer Leitfähigkeit.

(sb)