28. März 2019 Leiterplatten für Hochfrequenz- und Radar ... · Materialeigenschaften (E-Modul:...

Leiterplatten fürHochfrequenz- und Radar-Anwendungen

Webinar

28. März 2019

Johannes Schauer

ReferentenCornelia TrinkoModeratorin

Phone +43 2985 [email protected]

KSG Austria GmbH Zitternberg 1003571 Gars am Kampwww.ksg-pcb.com

Leiterplattenlayout: Tipps und Tricks vom Hersteller für ein fertigungsoptimiertes PCB-Layout | Seite 2

Johannes SchauerProjektingenieur


KSG GmbH Auerbacher Straße 3 - 509390 Gornsdorfwww.ksg-pcb.com

3

Online Seminar - Benutzeroberfläche

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Agenda

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1 KSG GmbH – wer wir sind

2 Einleitung in das Thema Hochfrequenz

3 Anwendungsfelder

4 Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen

5 Anforderungen an die Leiterplatten

6 Die 5 Erfolgs-Faktoren für HF-Leiterplatten

1. HF-Basismaterialien

2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung

5. Qualitätssicherung

7 Aktuelle Anwendungsbeispiele

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Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




Mit innovativen Produktions-technologien und erfahrenen Mitarbeitern entstehen in Gornsdorf und Gars am Kamp mehr als 350.000 m² Leiterplatten pro Jahr. Jede einzelne Leiterplatte wird dabei individuell – ganz nach den Vorgaben unserer Kunden produziert.

7Leiterplattenlayout: Tipps und Tricks vom Hersteller für ein fertigungsoptimiertes PCB-Layout | Seite

Wer wir sindDaten und Fakten

Leiterplattenproduktion in High-Tech Serien p.a

350.000 m²Kunden für

Leiterplatten und Eingabesysteme

110Jahre

Technologiegeschichte

1.000

Mitarbeiter

1000

Fertigungsfläche

45.000 m²

133Mio. Euro Umsatz in

2018

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




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Begriffserklärung Hochfrequenz


Einleitung

Die Grenze zwischen Nieder- und Hochfrequenz wird bei 10 MHz angenommen, da ab hier die typischen thermischen Wirkungen hochfrequenter Felder in Erscheinung treten.

Der Hochfrequenzbereich reicht im elektromagnetischen Spektrum bis ca. 300 GHz

Weitere speziell bezeichnete Frequenzbereiche sind die Radiowellen, die Mikrowellen sowie die Zentimeter- und Millimeterwellen.

Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz

10

Kontrollierte Impedanzen auf der Leiterplatte


Anwendungsfelder

Automotive Parking Aid 40

kHz

Electronic Car Key

433 – 868 MHz

Terrestrial TV VHF 87 – 230 MHz

UHF 470 x 862 MHz

Cable TV4 MHz – 1 GHz

Navigation Systems

1,2 – 1,575 GHz

Mobile Phone (iphone)

850 MHz – 2,2 GHz (UMTs)

Follow-up systems5 GHz

100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz

W-LAN2,4 – 5,725 GHz

NetworkingSystems

3,6 – 6,25 GHz

TV Astra13,75 – 14.0 GHz

Satellite TV10,7 – 12,75 GHz

DSL Satellite13,0 – 15,0 GHz

AutomotiveAdaptive

Cruise Control66 – 77 GHz

AutomotiveDistanceControl

24,0 GHz

Spezielle Hybridaufbauten mitHF-Materialien (keramikgefüllt, Teflon)

Spezielle Konstruktionen mitHF optimierten FR-4 Mat.

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




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Allgemeine Hochfrequenz-Übertragungsleitungen


Leiterplattenrelevante HF-Grundlagen

System A System BÜbertragungsleitung

Eine ausreichende Übertragungsqualität muss auch auf der Leiterplatte gewährleistet werden.

Bandleitung Koaxialkabel Schlitzkabel Hohlleiter Lichtwellenleiter

Zur Übertragung von Audio- oder Rundfunksignalen

Funkdienstversorgung in großen Gebäuden oder Tunnel mit UMTS, WLAN

Mikrowellenherd Richtfunkanlagen Radioteleskope

Übertragungs-medium in der Nachrichtentechnik

13Leiterplatten für Hochfrequenz- und Radaranwendungen xV 1.0 | Seite


System A

Leiterbahn verhält sich wie ein Bauteil – eine „Übertragungsleitung“

es muss eine Impedanzanpassung erfolgen, um Übertragungsfehler zu vermeiden

die gewünschte Impedanz einer Leitung ist Bauelemente- bzw. schaltungsabhängig

Quelle50 Ohm

Übertragungsleitung 50 Ohm

Abschluss50 Ohm

Übertragungselement - Leiterplatte

Impedanzkontrollierte Leiterbahnen Substrate integrated waveguide Lichtwellenleiter

Surface microstrip / edge-coupled surface microstripoffset stripline / edge-coupled offset stripline / …Impedanzberechnungssoftware SI8000, Messgerät CITS880s, Datalog Report Generator

Signalführung im Dielektrikum zwischen Masselagen

Geprägte Licht-wellenleiter im Multilayerverbund

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Übertragungselement - Leiterplatte



Hochfrequenz-Übertragungsformen in der Leiterplatte

Fingerkoppler Filter /4 Elemente Patch Antennen Ringresonatoren

Hochfrequenz-Bauelemente auf der Leiterplatte

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Hochfrequenz-Technik



Skin Effekt𝛿 =

1

𝜋∗𝑓∗µ∗𝑘

f = Frequenz

µ = Permeabilität

k = elektrische Leitfähigkeit

• Beispiele für die Eindringtiefen

• f = 100 MHz δ = 6,6 µm

• f = 1 GHz δ = 2,1 µm

• f = 10 GHz δ = 0,7 µm

• f = 77 GHz δ = 0,25 µm

Bei hohen Frequenzen wird der Stromfluss durch das magnetische HF-Feld aus dem Leiter verdrängt. Die leitende Schicht wird als Skintiefe oder Eindringtiefe δ bezeichnet.

Die Signale werden als Felder im Dielektrikum geführt

Magnetfeld

Signalstrom

Induktionsstrom

Wirbelstrom

Eindringtiefe δ

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




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Kontur


Anforderungen an die Leiterplatte

System A

Kupferdicke

Reflexion Leiterende

Störung am Imp.-leiter

Koppelstelle Messkopf

Konturabweichungen der Leiterführung können zu Signalreflexionen und Signalrauschen im Hochfrequenzbereich führen

Signalreflexion….

Quelle: istockphoto

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HF Anforderungen generell



System A

Kostenintensive HF-Materialien verlangen häufig unsymmetrische Schichtaufbauten

Klassische Prüfungen werden durch HF-spezifische Prüfungen ergänzt (Impedanzkontrolle, optische Inspektion HF-Design)

HF-relevante Zusammenhänge müssen dem Produzenten bekannt sein

Leiterbahnbreite

Bahnflanke

Kupferdicke

Isolationsdicke

Treatment

Homogenität

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Kupferfolie - Anforderungen



System A

Quelle: Onboard technology; Raymond Gales, Circuit Foil

Auswahl geeigneter Kupferfolien Reduzierung der Treatmentrauigkeit für HF-

Materialien aufgrund Signalführung an der Kupferoberfläche

Hohe Treatmentrauigkeit führt auch zu hoher Kantenrauigkeit an Leiterbahnkanten (Übergang Kupfer zu Basismaterial)

NF-30RO3003

<

Kantenrauigkeit geätzter Kupferstrukturen

RO3003: bis 4 µm NF-30: bis 2 µm

2,1 N/mm 1,4 N/mm

Kupferfolienhaftung nach 3x Reflow Simulation

Leiterbahn im Querschliff

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




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Wichtige Kenngrößen für die Materialauswahl:


HF-Basismaterialien

Dielektrizitätskonstante Dk

Verlustfaktor Df

Stabilität der HF-Kenngrößen über

relevanten Temperaturbereich

Zuverlässigkeit nach Temperatur-Feuchtebelastung

Kupferhaftfestigkeit

Dimensionsstabilität

Wasseraufnahme

Kosten

0,0

05

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Klassifizierung nach HF-Performanceund Kosten


HF-Basismaterialien

Duraver 104 IS 410 DE 117 R 1766 N4000-11

Duraver BT N 4000 2-6 FR4 08 PCL-GI 180 GETEX

IS 620 Arion 85N PCL_LD-621 N-6000-SI

Arion 25 FR Rogers 4350 I-Tera

SpeedLamRF-35

Astra MT 77

RogersRO-3003

Teflon

Tan

@ 1

0 G

Hz

< 0,0

03

0,0

03

0,0

09

0,0

20

Pre

isfa

kto

r zu

Sta

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ard

FR

-4

~6-1

0~3

1>1

0~

4-5

0,0

05

Taconic NF-30

Taconic TLE 95

Megatron 6 / X

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KSG Sortiment freigegebenerHochfrequenzmaterialien


HF-Basismaterialien

Material-gruppe

Hersteller Bezeichnung Dk @ 10 GHz Df @ 10 GHz Konstruktion

StandardHochfrequenz

Rogers Corp. RO4003C™ 3,38 + 0,05 0,0027 Hydrocarbon Harzmatrix glas- und keramikgefüllt

RO4350B™ 3,48 + 0,05 0,0037

RO4835 3,48 + 0,05 0,0037 Reduzierter Oxydationsprozess

Isola I-Tera® MT40 3,38 – 3,75 0,0028 – 0,0035 modifiziertes FR4, gefüllt

Astra® MT77 3,00 0,0017 modifiziertes FR4

Panasonic MEGTRON 6 3,55 0,0040 Glas, Keramik, PPE

PTFE Hochfrequenz

Rogers Corp. RO3203™ 3,02 + 0,04 0,0016 glas- und keramikgefüllt

RO3003™ 3,00 + 0,04 0,0013 keramikgefüllt

Taconic NF-30 3,00 + 0,04 0,0013 keramikgefüllt

RF-35 3,50 + 0,10 0,0018 glas- und keramikgefüllt

TLE-95 2,95 + 0,05 0,0019 glasgefüllt

TLC-30 3,00 + 0,05 0,0030 glasgefüllt

TLC-32 3,20 + 0,05 0,0030 glasgefüllt

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HF-Materialien


HF-Basismaterialien

mit Hydrocarbon bzw. Thermoset Harzsystemen

Vorteile:

gute Stabilität und Eigensteifigkeit aufgrund Glasmattenverstärkung (vergleichbar FR4)

Bearbeitung mit Standardprozessen

Herausforderungen:

Füllstoffabhängige Anpassung der Bohr- und Fräsparameter

Dimensionsstabilität / Zuverlässigkeit

i-Tera MT 40

RO4350

Astra MT 77

R-5515

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HF-Materialien


HF-Basismaterialien

RO3003

NF 30

TLC32

TLY5

mit PTFE Harzsystem

Vorteile:

niedriger Verlustfaktor

geringes Ausdehnungsverhalten

hohe Zyklenfestigkeit

Herausforderungen:

Sonderbohr- u. Fräsparameter erforderlich

Plasmabearbeitung zur Aktivierung notwendig

hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Oberflächenbeanspruchung

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




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Leiterbildstrukturierung von HF-Layouts


Leiterstruktur

Kontrolle der Strukturtreue durch automatische optische Inspektion relevanter HF-Layer (produktabhängig keine lokalen Konturabweichungen im µm-Bereich erlaubt)

Minimierung der Eckenverrundung einzelner Layoutelemente(< 30 µm)

Einhaltung geforderter Flankensteilheit (Differenz Kopf- zu Fußmaß< 40 µm)

Vermeidung zu hoher Kantenrauigkeiten durch verbleibende Treatmentspitzen

Eckenverrundung Flankensteilheit Vergleich Kantenrauigkeit Patch Antennenelement

Standardmaterial HF-Material

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Leiterbildstrukturierung von HF-Layouts


Leiterstruktur

Umsetzung des HF-Layouts in engen Toleranzgrenzen erfordert ggf. die Anpassung einzelner Leiterelemente in den Filmvorlagenzur Zeit +/- 15 µm in Serie

Kontrolle des Anlagenzustandes (Ätzratenbestimmung)

Messtechnische Überprüfung des ersten und letzten Produktionspanels zur Qualitätsabsicherung

HF Design

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




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Bohrbearbeitung von PTFE-Materialien mit/ohne Füllstoffe


Bohrbearbeitung

Bearbeitung häufig von Mischaufbauten (HF-Material + FR4) zur Kostenreduzierung

Optimierung der Bohrparameter in Abhängigkeit vom eingesetzten Material zwingend notwendig(Werkzeugtyp, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Rückhub)

Beachtung unterschiedlicher Materialeigenschaften (E-Modul: Glas/Epoxy 15 Gpa, PTFE 0,6 Gpa)

Ziel: gute Schnittqualität, Maßhaltigkeit, geringer Werkzeugverschleiß, Vermeidung von PTFE Fransen und Smear, vertretbare Kosten

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Back Hole Drilling


Bohrbearbeitung

Aufbohren oder Rückbohren einer Durchkontaktierung Verbesserung der HF-Performance

Signalreflexion an Durchkontaktierungen

Durchkontaktierung Standard Durchkontaktierung rückgebohrt

Vermeidung unerwünschter Signalreflexion

Signalweg

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Back Hole Drilling


Bohrbearbeitung

Stub

Signalweg

Vermeidung von Kurzschluss auf der Außenlage(z.B. Kühlkörper)

Verringerung der Verzerrungen/Störungen von Hochfrequenzsignalen

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Back Hole Drilling


Bohrbearbeitung

Wirkung auf Signalübertragung von hohen Frequenzen mittels Augendiagramm darstellbar

Durchkontaktierung rückgebohrtDurchkontaktierung

5Gb/s

10Gb/s

34

Back Hole Drilling


Bohrbearbeitung

Technologische Umsetzung

1. Galvanikprozess

2. Rückbohren / Beseitigung Stubs

3. Fotoresist strippen

Minimaler Rückbohrdurchmesser:Durchmesser Durchkontaktierung + 200 µm

Auslieferungszustand

4. Strukturierungsprozess

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




36

Fräsbearbeitung PTFE-Materialienmit/ohne Füllstoffe


Fräsbearbeitung

Bearbeitung häufig von Mischaufbauten (HF-Material + FR4) zur Kostenreduzierung

Optimierung der Fräsparameter in Abhängigkeit vom eingesetzten Material zwingend notwendig

Ziel: gute Schnittqualität, Maßhaltigkeit, geringer Werkzeugverschleiß, Vermeidung von PTFE Fransen und Smear, vertretbareBearbeitungszeiten

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Tiefenfräsen PTFE-Materialienmit/ohne Füllstoffe


Fräsbearbeitung

Erarbeitung der Parametersätze im Materialfreigabeprozess und am konkreten Produkt

Qualität der Schnittkanten (Drehzahl, Vorschub, Werkzeugtyp)

Rauigkeiten am Fräsgrund (Schneidengeometrie, Werkzeugführung)

Lage der Fräskontur zum Leiterbild (Kamerafräsen) Maßhaltigkeit in drei Achsrichtungen

Toleranz: ± 40µm(Kontakttiefenfräsen, Mapping)

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




39Leiterplatten für Hochfrequenz- und Radaranwendungen xV 1.0 | Seite

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung beginnt mit dem ersten Kontakt

kritische Begutachtung der Eingangsdaten

Klärung von Auffälligkeiten oder Abweichungen

Kontrolle Maßhaltigkeit aufgrund eingeschränkte Leiterbreitentoleranzen

geometrische Messung von HF-Strukturelementen

Prüfung Steilheit der Ätzflanke

Messung der Eckenverrundung

Überprüfung auf Konturabweichungen, Einschnürungen, lokale Ausbuchtungen

Videomes

splatz

Koordinaten-

Messanlage

Gewährleistung der HF-Funktionalität

40

Gewährleistung der HF-Funktionalität


Qualitätssicherung

Prüfung der Strukturtreue und Maßhaltigkeit Elektrischer Test Impedanzkontrolle Final AOI im Auslieferungszustand ggf. Abstimmung Fehlerbildkatalog als Prüfgrundlage

Innen- und Außenlagen AOI Impedanzmessplatz und -messung Final AOI

Agenda

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3 Anwendungsfelder





2. Leiterstruktur

3. Bohrbearbeitung

4. Fräsbearbeitung




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Füllstandmessung mit Radar


Aktuelle Anwendungsbeispiele

Füllstandssensor

von InnoSenT GmbH (24 GHz)

berührungslos (Hygienevorteil)

Durchdringung unterschiedlicher Materialien (Platzierungsvorteil)

verschmutzungsresistent (Wartungsvorteil)

Toleranzbereich 1 mm bis wenige cm

Beispiel: Erfassung Pegelstände von Flüssen

Quelle: InnoSenT GmbH

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Traffic Monitoring/Sicherheitstechnik



Traffic Monitoring

InnoSenT GmbH (24 GHz)

Messung von Geschwindigkeiten und Abständen

unabhängig von Lichteinflüssen

Sicherheitstechnik

InnoSenT GmbH (24 GHz)

Erfassung beweglicher Objekte durch Alarmanlagen, Zugangskontrollen, Kombinationen zwischen Video- und Radartechnik Quelle: InnoSenT GmbH

Quelle: istockphoto



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Bosch Umfeldsensoren



für radarbasierte Fahrerassistenzsysteme (77 GHz)

LRR 1 LRR2 LRR3 MRR Front MRR Rear

SOP: 2000 SOP: 2004 SOP: 2009 SOP: 2013 SOP: 2014

• Range: up to 150 m• GaAs Oscillator

(Gunn Diode)• Opening Angle: 8°• Dimensions (HxWxD)

124 x 91 x 97 mm• Weight: 600 g

• Range: up to 200 m• GaAs Oscillator

(Gunn Diode)• Opening Angle: 16°• Dimensions (HxWxD)

73 x 70 x 60 mm• Weight: 300 g

• Range: up to 250 m• SiGe MMICs

(bar chip)• Opening Angle: 30°• Dimensions (HxWxD)

77 x 74 x 58 mm• Weight: 285 g


(packaged chip)• Opening Angle: 45°• Dimensions (HxWxD)

60 x 70 x 30 mm• Weight: 200 g


(packaged chip)• Opening Angle: 150°• Dimensions (HxWxD)

60 x 70 x 30 mm• Weight: 190 g

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Ausblick Webinare und Veranstaltungen

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Webinare

Donnerstag, 09.05.2019

Leiterplatten für Hochstromanwendungen

Weitere Webinare für Herbst in Planung.

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KSG Technologietag

18.-20. September 2019

… aktuelle Termine finden Sie unter

https://www.ksg-pcb.com/zusammenarbeit

https://www.ksg-pcb.com/zusammenarbeit

Kontakt

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Johannes SchauerProjektingenieur


KSG GmbH Auerbacher Straße 3 - 509390 Gornsdorfwww.ksg-pcb.com

© KSG GmbH 2019

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