Becker & Müller Schaltungsdruck GmbH – Prozesstrends und Messtechnik für impedanzkontrollierte Leiterplattenproduktion
Die technischen Anforderungen an Leiterplatten haben sich in den vergangenen Jahren stark verändert. Die Layouts sind feiner geworden, die Leiterplatten müssen auf weniger Platz ihre Aufgaben erfüllen und müssen elektrischen, thermischen und sogar oft statischen Vorgaben standhalten. Die Entwicklungen der Elektronik und Industrietrends geben vor, was eine Leiterplatte leisten muss. Immer mehr Anwendungen arbeiten mit Hochfrequenztechnologien, auf die der Aufbau der Leiterplatte abgestimmt werden muss. Stichwort: impedanzkontrollierte Leiterplattenfertigung.
Im Gegensatz zum elektrischen Widerstand von Materialien unter Gleichstrombedingungen, der in Ohm gemessen wird, ist die Impedanz eine Widerstandcharakteristik, die unter Wechselstrombedingungen auftritt. Auch sie wird in Ohm angegeben. Besonders bei höheren Frequenzen, ab 200 bis 300 Megahertz und mehr, gewinnt die Impedanz (Scheinwiderstand) an Bedeutung und somit wird eine impedanzkontrollierte Leiterplattenfertigung sinnvoll.
Die Komponenten einer Baugruppe und der Schaltung sollten in Ihrer Impedanz aufeinander abgestimmt sein, um Signalverluste und Verschiebungen zu vermeiden. Wird das nicht beachtet kann das mitunter fatale Folgen haben und Fehler verursachen – und somit die Funktionalität wichtiger Bauteile stark beeinträchtigen.
Ein Beispiel: Sind Komponenten in ihrer Impedanz nicht aufeinander abgestimmt, geht das Signal nicht verlustfrei durch die Verbindung. In der Leitung entsteht eine Resonanz, d. h. ein Teil des Signals wird reflektiert und zum ‚Sender‘ zurückgeschickt. Beim ‚Empfänger‘ kommt also nur ein abgeschwächtes Signal an. Mehr noch – der reflektierte Signalanteil wird vom Sender wieder reflektiert und erneut zum Empfänger geschickt. Das bedeutet, das Signal kommt zweimal zeitversetzt beim Empfänger an und überlagert sich. Bei digitalen Signalen aus 1-0-Ketten beispielsweise kann das gravierende Folgen haben und zu Fehlinformationen, bzw. Fehlfunktionen führen. Beispielsweise könnte ein Computer aufgrund solch fehlerhafter Signale einen USB 3.0-Anschluss automatisch zu einem USB 2.0 ‚downgraden‘ – ohne, dass es der Anwender merken würde.
Theorie und Praxis zeigen, dass bei Anpassung der Impedanz in der Schaltung die maximale Signalleistung übertragen wird. Sind die Impedanzen der Komponenten identisch und die Verbindungen abgestimmt, spricht man von einem sogenannten impedanz-angepassten System, in dem die maximale Signalleistung übertragen werden kann.
Um also eine einwandfreie Funktionalität eines Produktes zu gewährleisten, gerade für schnell schaltende Bauteile mit Signalanstiegszeiten von 1 – 2 ns, muss die Signalintegrität durch gute Impedanzeigenschaften der Verbindungen sichergestellt werden. Beeinflusst wird die Impedanz von dem leitenden Medium, seiner Isolation, der Leiterbahngeometrie und der Abschirmung. Je höher die Frequenz oder je länger die Verbindung zwischen Sender und Empfänger umso kleiner die Toleranz, in der sich die Impedanz bewegen darf.
In der Leiterplattenproduktion gewinnt die Impedanzkontrolle seit einigen Jahren stark an Bedeutung. Der Trend bei den Herstellern in der Elektronikbranche geht zu immer höherfrequenten komplexen Schaltungen, und damit erhöhen sich natürlich auch die Anforderungen an solch ‚kleine Details‘ wie die Impedanzen. Die Leiterbahnen müssen an die Impedanzen von Sender und Empfänger angepasst werden.
In jedem Haushalt gibt es heute schon zahlreiche Geräte, in denen impedanzkontrollierte Leiterplatten zum Einsatz kommen. DECT-Telefone, Mobiltelefone, Satelliten-Empfänger, DVD- oder BluRay-Player, PCs – die Reihe ließe sich beliebig fortsetzen. All diese Geräte arbeiten mit steilflankigen und hochfrequenten Signalen, bei denen die exakte Impedanzabstimmung wichtig für die einwandfreie Funktionalität ist. Bei Elektronikanwendungen in der Industrie sieht es natürlich genauso aus. Fachleute gehen davon aus, dass in naher Zukunft praktisch alle Leiterplatten mit impedanzkontrollierten Leiterbahnen arbeiten werden.
Leiterplattenhersteller überprüfen die Gestaltung der Lagen, das Layout und die Toleranzen in Bezug auf die Impedanzen auf Ihre Machbarkeit in der Produktion. In der Diskussion mit dem Designer können gegebenenfalls Geometrie und Abstände der betroffenen Leiterbahnen bis hin zu Laminaten angepasst und verändert werden.
In Multilayern werden die Layer durch Kupferlagen geschirmt. Die Impedanz der Leiterbahn wird durch ihre Breite und Dicke sowie durch die Abstände zu benachbarten Leiterbahnen und außerdem durch die Dicke des Materials und eine eventuelle Isolierung durch Lötstopplacke bestimmt. Die Soll-Werte, die sich berechnen lassen, müssen in der Produktion mit engen Toleranzen eingehalten werden.
Um den präzisen Anforderungen der neuen Technologie gerecht zu werden, ist in der Leiterplattenproduktion ebenfalls höchste Präzision gefordert. Nicht jeder Leiterplattenhersteller hat die impedanzkontrollierte Leiterplattenfertigung im Portfolio, benötigt sie doch feinste Präzision in der Technik – in Bezug auf Layout, Laminatauswahl, Materialstärken und Qualitätsprüfung. Die Prozesse müssen in der gesamten Fertigung – Ätzprozesse, Fotostrukturierung, Lagenaufbau, Leiterbreite und Abstände – sehr genau sein. Stimmen sie, dann sind impedanzkontrollierte Leiterplatten ohne Probleme herstellbar. Aber sie müssen stimmen, sonst wird Ausschuss produziert.
Oft genug ist nicht klar, woher Probleme, die die Funktion beeinträchtigen, bei den Endkunden der technischen Produkte her rühren. Deshalb ist es gut und macht Sinn, diese Fehlerquelle schon bei der Leiterplattenproduktion auszuschließen.
Das stellt nicht nur höhere Anforderungen an die Leiterplattenproduktion, sondern auch an die Leiterplattendesigner. Welche Lage oder Lagen des Multilayers führen impedanzkontrollierte Leiterbahnen? Welche Bauteile und welche Leiterbahn braucht welche Impedanz? Es können pro Lage auch unterschiedliche Impedanzen vorkommen. Abhängig davon muss die Breite der Leiterbahn sowie die Laminatstärke unter- und oberhalb der impedanzkontrollierten Leiterbahn festgelegt werden. Die Impedanz einer Leiterbahn verhält sich umgekehrt proportional zu ihrer Breite und Dicke. Je schmaler die Leiterbahn, umso höher ist der Einfluss des Ätzprozesses auf Breite und Profil und somit auf die Impedanz. Diese Parameter müssen genau aufeinander abgestimmt werden, um die richtigen Werte zu erreichen. Auch die geeignete Auswahl der verwendeten Prozesse und Hochfrequenzmaterialien, z. B. von Rogers sind Basis für optimale Ergebnisse. Dabei werden vom Entwickler die jeweiligen Verlustfaktoren, die elektrische Materialkonstante Epsilon und Frequenzen mit in die Gestaltung einbezogen.
Bei der Becker & Müller Schaltungsdruck GmbH in Steinach hatte man von Anfang an ein besonderes Augenmerk auf höchste Präzision in der Fertigung und in neue Verfahren. Das Machbare ist die Herausforderung. Da lag es nah, dass auch die impedanzkontrollierte Leiterplattenfertigung – nicht nur durch die Auswahl und Verwendung der bereits benutzten Hochfrequenzmaterialien, sondern durch die Integration der Messtechnik – in das Portfolio der Schwarzwälder aufgenommen wurde. Michael Becker und Xaver Müller sehen diese Erweiterung ihres Angebotes als Perspektive und strategische Investition in die Zukunft. Der Trend durch eigene Kunden, z. B. der Telekommunikation, Industrieelektronik und Luft- und Raumfahrt gab diese Entscheidung fast schon vor, wollte man den eigenen Ansprüchen gerecht werden. Becker & Müller sehen sich nicht nur als Produzenten von Leiterplatten, sondern auch als Dienstleister, die den Entwicklern und Designern mit aktuellem Know-how zur Seite stehen können.
Für die Einführung der impedanzkontrollierten Leiterplattenfertigung wurde eigens investiert. Denn ohne Vorbereitung und entsprechende Qualitätskontrolle sind die Prozesse in einer solchen Hightech-Fertigung nicht nachhaltig machbar. Becker & Müller entschied sich für ein System der Polar Instruments. Mit der Software und Messtechnik kann die Fertigung vorbereitet und abschließend kontrolliert werden.
Vor wenigen Jahren gab es für die Berechnung der Parameter für die Impedanzen noch Tabellen, mit denen die Werte ausreichend genau berechnet werden konnten. Das galt für Leiterbahnen mit Breiten von 15 mil und mehr. Für Leiterbreiten und Leiterplatten nach dem aktuellen Stand der Technik reichen solche Tabellen aber bei Weitem nicht mehr aus. Die kontrollierten Impedanzen müssen mit einem sogenannten Field Solver-Verfahren berechnet werden.
Die eingesetzte Software macht es möglich, per Zielsuchfunktion die Abmessungen der Leiterbahnen auf Basis einer vorgegebenen Impedanz zu berechnen. Auch können die Leiterbahnimpedanzen aufgrund der Layouts, der Geometrie und der Materialeigenschaften im Vorfeld der Produktion berechnet werden.
Ob die berechneten Werte so in der Produktion erreicht werden, wird im weiteren Prozess noch verifiziert. Die erreichten Werte werden mit den berechneten abgeglichen. In der Fertigung bietet das verwendete System schließlich noch die abschließende Qualitätskontrolle. Hierfür werden im gleichen Produktionslauf, wie dem der Leiterplatten, spezielle Testcoupons (1 Testcoupon je Fertigungsnutzen) gefertigt, die in ihrer dielektrischen Separation der impedanzkontrollierten Struktur auf der Leiterplatte entsprechen. Auf den kurzen Leiterbahnabschnitten im Layout auf der Leiterplatte lassen sich die Impedanzen nicht exakt messen, erst ab 150 mm sind genaue Messungen möglich. Deshalb dienen solche Testcoupons, die nach der Fertigung ausgefräst und mit dem Messgerät getestet werden, als Referenz für die erreichten Werte. Hier können entsprechende Reports (Testergebnisse) auf Kundenwunsch mit dem Produktionsauftrag ausgeliefert werden.
Ein aufwendiges Verfahren, das aber notwendig geworden ist, um den immer weiter wachsenden Anforderungen der modernen Technik gerecht zu werden. Die moderne Technik kann sich nicht weiterentwickeln, wenn sie keine Bauteile bekommt, die ihren Anforderungen genügt. Dabei halten sich die Mehrkosten für den getriebenen Aufwand für die Kunden deutlich in Grenzen. Michael Becker beziffert die Kostensteigerung bei kleinen Stückzahlen auf durchschnittlich unter 5%.
Außerdem sieht er in der Weiterentwicklung in neue Verfahren im Rückschluss einen durchaus positiven Effekt für die eigene Firma. „Können wir unsere Qualitätsstandard auch mit dem neuen aufwendigen Verfahren halten, heißt das für uns auch: man hat all diese Prozesse (Ätzprozesse, Fotostrukturierung, Lagenaufbau, etc.) stabil im Griff.“
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