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Einige verfügbare Materialien für HF-Leiterplattensubstrate.
Einflussfaktoren bzw. Auswirkungen auf die Impedanz einer Microstrip-Leitung mit einem Epsilon-r von 3,0, einer Isolationsdicke von 130 µm und einer Leiterbreite von 100 µm.
Typische Impedanzmessleitung.
Ein Ringresonator.
Realisierbare Toleranzbereiche KSG-Fertigung.
Querschnitte typischer EHF-Leiterbahnen.
Metallisierte Bohrung durch FR4-Material.
Metallisierte Bohrung durch RO3003-Material.
Microvia durch RO3003-Material.
Toleranzbereiche beim Laserbohren in RO3003 in der KSG-Fertigung.
Fräskante ohne Optimierung.
Fräskante mit Optimierung.
Fräskante ohne Optimierung.
Fräskante mit Optimierung.
Topographie einer Tiefenfräsung.

Für Anwendungen im Frequenzbereich bis 77 GHz kommt bei der KSG Leiterplatten GmbH vorrangig das RO 3003, ein gefülltes Teflonmaterial (PTFE), zum Einsatz. Dabei erfordert insbesondere die leichte plastische Verformbarkeit dieses Materialtyps, verursacht durch das fehlende unterstützende Glasgewebe sowie einen niedrigen Festigkeitswert, ein besonderes Erfahrungspotenzial in der Verarbeitung.

Konstruktive Merkmale

Oftmals ist die Verstärkung höchstfrequenter Signale mit einer beträchtlichen Verlustleistungsabgabe der ICs verbunden. Aus diesem Grund werden Lagenaufbauten mit einer Kombination von höchstfrequenztauglichen Materialien und dicken Kupferlagen zur Wärmespreizung gewählt. Bekannt sind u. a. Aufbau- und Verbindungstechnologien, welche eine Direktmontage von Bare-Dies auf einem vergrabenen Kupferträger bei gleichzeitiger Drahtbondkontaktierung der IC-Anschlussflächen zu dem auf gleicher Ebene befindlichen Leiterbild vorsehen. Aufgrund der hohen Frequenzen im EHF-Bereich (Extremely High Frequency) sind hierbei nur sehr kurze Bonddrahtlängen möglich.

Realisierung von EHF-Strukturen

Zur EHF-Simulation dienen Berechnungsprogramme wie die Finite-Elemente-Analyse oder Field-Solver-Tools, mit deren Hilfe sich relevante Einflussfaktoren bewerten lassen. Unterschiedliche Testlayouts dienen zur Kontrolle der Impedanz sowie der Materialeigenschaften. So ermöglicht die Zeitbereichsreflektometrie (TDR) die Impedanzkontrolle anhand von Testcoupons und die Bestimmung der Resonanzfrequenz Rückschlüsse auf die Dielektrizitätskonstante.

Impedanzmessungen im Bereich 0 bis 150 Ohm erfolgen mit dem TDR-Verfahren an allen Fertigungspanels unter folgenden Randbedingungen:

  • Frequenzspektrum 40 MHz bis 1,8 GHz,
  • Impulsanstiegszeit 190 ps,
  • 8 Durchgänge von 256 Impulskolonnen und
  • Mittelung über Fourieranalyse.

In Kooperation mit regionalen Forschungsinstituten ist die Bestimmung der Streuparameter über die 4-Tor-Netzwerkanalyse bis 50 GHz oder mittels 2-Tor-Netzwerkanalyse bis 100 GHz möglich.

Signalleitungen im höherfrequenten Bereich verlangen die Umsetzung des geforderten Schaltungslayouts in engen Toleranzbereichen. Um diesen erhöhten Anforderungen gerecht zu werden, setzt die KSG Höchstfrequenz-Basismaterialien mit einer gleichmäßig niedrigen Treatmentstruktur der Kupferfolien und einer geringen Schwankung der Dielektrizitätskonstante ein.

Des Weiteren haben die langjährigen Fertigungserfahrungen gezeigt, dass neben der Beherrschung einer hohen Prozesssicherheit entlang der Fertigungskette auch ein angepasstes System von Produktprüfungen erforderlich ist. Schwerpunkte bilden hier neben den mechanischen Prozessen die chemischen Fertigungsschritte.

Ein gleichmäßig galvanischer Kupferaufbau mit reduzierter Schwankungsbreite, ein kontrollierter Ätzabtrag in allen Regionen des Fertigungspanels sowie eine Nickelabscheidung ohne Fußbildung oder Wildwuchs (sofern Ni/Au Oberfläche vorgesehen) werden von der KSG-Fertigung prozesssicher beherrscht.

Mechanische Bearbeitung

Eine besondere Herausforderung stellt die mechanische Bearbeitung von gefüllten Teflonmaterialien dar. Hier verweist KSG aufgrund des hohen Fertigungsanteils und der langjährigen Fertigung dieser Produkte auf ein erhebliches Erfahrungspotenzial. Nur die im Ergebnis umfangreicher Testreihen gefundenen Parameteranpassungen verhindern, dass die im PTFE eingeschlossenen Füllstoffe zu einem überdurchschnittlich hohen Werkzeugverschleiß und dementsprechend hohen Prozesskosten führen.

Gleichfalls wurden technologische Lösungen gefunden, welche trotz der sehr niedrigen mechanischen Festigkeit des Materials und der Neigung zur „plastischen Verformung“ die Oberflächenqualität der Schnittkonturen gewährleistet.

Mechanisch bohren

Hybridaufbauten aus PTFE, FR4 und Kupferauflagen stellen den Leiterplattenfertiger vor anspruchsvolle technologische Aufgaben. Den sich darstellenden Widerspruch zwischen einer hohen Bohrlochqualität und einer wirtschaftlichen Fertigung konnte die KSG lösen.

Durch die Anpassung der technologischen Rahmenbedingungen (Paketierungen, Schnittparameter, Werkzeugstandzeiten und Werkzeugtyp) konnte die Produktqualität, hinsichtlich Grundrauigkeit und Oberflächengüte (Ein- bzw. Austrittsbereich des Bohrers), vergleichbar zum FR4-Standardmaterial erreicht werden:

  • Kein Bohrgrat,
  • Glasfaserausbrüche ≤ 20 µm und
  • Dochteffekt (Eindringtiefe Elektrolytkupfer in die Glasmatte) ≤ 20 µm.

Laserbohren

Laminate aus gefüllten Teflonmaterialien verlangen vom Materialhersteller bzgl. der Laserbearbeitbarkeit eine homogene Füllstoffzusammensetzung und ein begrenztes Spektrum an zulässigen Partikelgrößen. Um die Laserbearbeitung auch bei geringen Material- und Prozessschwankungen sicher zu beherrschen, wurde abweichend zum konventionellen Laserbohren von FR4-Materialien ein optimierter, meist mehrstufiger Laserbohrprozess in der KSG-Fertigung integriert.

Mechanische Fräsbearbeitung

Ähnlich wie beim mechanischen Bohren kommen bei der frästechnischen Verarbeitung von Hybridaufbauten sowohl Sonderbearbeitungsparameter als auch Werkzeuge mit einem geeigneten Anschliff zum Einsatz. Nur dadurch lassen sich Frässpuren mit sauberen Schnittkonturen ohne Materialdeformierung oder Fransenbildung am weichen PTFE-Material erzeugen.

Gleiches gilt auch für Aussparungen durch das HF-Material bis zu den darunter liegenden, wärmeabführenden Kupferlagen, die – frästechnisch freigelegt – zur Direktmontage von Nacktchips dienen können. Kritisch wirken sich hier kleinste, an der Fräskontur verbleibende Partikel aus, die durch unkontrolliertes Ablösen die Bestückungsqualität negativ beeinflussen könnten.

Daneben werden für die Direktmontage von ungehäusten Chips – abgesenkt in Tiefenfräsungen – erhöhte Anforderungen an die Dimensionstoleranzen und die Topografie der erzeugten Fräsoberflächen gestellt. Dementsprechend werden bei KSG für derartige Konstruktionen geringste Fräsrauigkeiten und Verkippungen der Tiefenlage entsprechend der jeweiligen Erfordernisse realisiert.

Erst die sichere Einhaltung vorgegebener Grenzwerte ermöglicht schließlich eine störungsfreie Serienfertigung und damit eine erfolgreiche Markteinführung neuer Produkte.