Fertigung von Leiterplatten mit definierten Impedanzen in der Jenaer Leiterplatten GmbH

Transkript

1 Fertigung von Leiterplatten mit definierten Impedanzen in der Jenaer Leiterplatten GmbH Impedanzen sowie impedanzgefertigte und -geprüfte Leiterplatten bestimmen seit geraumer Zeit in steigendem Maße die Anforderungen an die Leiterplattenhersteller. Immer häufiger werden konkrete Forderungen nach impedanzkontrollierten Leiterzügen mit sehr engen Toleranzgrenzen gestellt. Aus diesem Grund beschäftigt sich auch die JENAER LEITERPLATTEN GMBH seit inzwischen fast 1,5 Jahren intensiv mit dem Thema Impedanzen und impedanzkontrollierten Leiterplatten. In diesem Beitrag soll ein Überblick über das Thema Impedanzen, die theoretischen Forderungen und die praktische Umsetzung gegeben werden. Eine Impedanz wird als das Verhältnis von Spannung zu Strom eines Impulses mit kurzer Anstiegszeit, der sich entlang des Leiters ausbreitet charakterisiert und auch Wellenwiderstand genannt. Die Impedanz wird durch das induktive und kapazitive Verhalten von Leitern und dessen Umgebung bestimmt und sie ist längenunabhängig. Weiterhin beschreibt die Impedanz eine Wechselspannungscharakteristik, welche bei höheren Frequenzen typisch ab 300 Megahertz an Bedeutung gewinnt. Die folgende Übersicht veranschaulicht die unterschiedlichen Klassen, Typen und Varianten von Impedanzen, aus deren Kombination sich viele verschiedene Strukturen ergeben können.

2 Warum werden Leiterplatten mit Impedanz überhaupt benötigt? In Bereichen der Telekommunikation, bei der Video-Signalverarbeitung und Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung, bei Anwendungen mit Echtzeit-Grafik sowie bei der Prozesssteuerung werden stetig steigende Übertragungsfrequenzen und Taktraten gefordert. Weiterhin muss die maximale Signalleistungen zwischen den Bauteilen gewährleistet werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, dass beispielsweise Impedanzanpassungen bei den Schnittstellen hergestellt werden müssen. Dadurch kann eine maximale Signalleistung übertragen werden. Bei Impedanz-Fehlanpassungen wird keine maximale Leistungsübertragung erzielt. Die fehlende Signalleistung wird durch Reflexionen hervorgerufen und es kann ebenso zu einer vollständigen Unterbrechung der Übertragung kommen. Im Ergebnis führt dies dazu, dass die theoretisch entwickelte Leiterplatte hergestellt und bestückt wird, aber die Schaltung letztendlich nicht funktioniert. Diese Kostenaspekte und weitere Gründe sprechen dafür, dem Thema Impedanzen und impedanzkontrollierter Leiterplatten mehr und mehr Beachtung zu schenken. Die Betrachtung der Impedanzzusammenhänge von Schaltungen und die Schaffung von Möglichkeiten um die theoretisch errechnete Funktion der Schaltung zu gewährleisten ist somit unerlässlich. Die Forderung nach kontrollierten Impedanzen bei der Herstellung von Leiterplatten besteht schon seit geraumer Zeit. Auf die Prüfung wurde allerdings seitens der Kunden bisher kaum Wert gelegt. Die notwendige Veränderung dieser Sichtweise wurde in der Jenaer Leiterplatten GmbH zum Anlass genommen, sich der Materie Impedanzen, einschließlich der Einhaltung der vorgegebenen Parameter aus dem Design und der Umsetzung in der Fertigung, intensiver zu widmen. Impedanzmessgerät von der Firma Polar

3 Am Anfang stand die Frage, welche Einflussgrößen sich auf die Impedanz auswirken und wie diese fertigungstechnisch behandelt werden müssen. Eine Auswahl an Impedanz bestimmenden Faktoren ist in der folgenden Übersicht dargestellt. Weiterhin ist aus dieser Darstellung ersichtlich, bei welchen Faktoren eine Anpassung von Seiten des Leiterplattenherstellers notwendig ist und nach Kundenrücksprache vollzogen wird. Die Berechnung kontrollierter Impedanzen erfolgt in der Jenaer Leiterplatten GmbH mit Hilfe der Field Solver Software der Firma Polar. Häufig vorzufindende Formeln zur Bestimmung der Leiterbahnabmessungen für bestimmte Impedanzwerte bringen nur Näherungswerte und ermöglichen keine genauen Ergebnisse für Leiterplatten nach heutigem Stand der Technik. Den Ausgangspunkt für eine Fertigung von impedanzkontrollierten Leiterplatten stellt eine Berechnung der Nominalwerte für Leiterbreite und Laminatstärke für einen spezifischen Impedanzwert dar. In den ersten Testphasen wurden somit tatsächlich realisierte Impedanzen mit den theoretisch errechneten verglichen. Um die Abweichungen der Fertigungsergebnisse den Berechnungen anzunähern, ist es notwendig Schritt für Schritt die relevanten Kompensationswerte zu eruieren. Als die wichtigsten Impedanz beeinflussenden Faktoren sind die Leiterzugsbreite und die Laminatstärke bzw. der Lagenabstand, welcher als Isolator fungiert, zu nennen. Die Dielektrizitätskonstante ε R ist von Kernmaterial zu Kernmaterial unterschiedlich. Es werden von den Laminatherstellern für ein Kernmaterial gleichbleibende Eigenschaften zugesichert. Jedoch werden die Fertigungsergebnisse nicht nur allein von diesen Faktoren bestimmt. Hinzu kommen noch der Kupferaufbau und auch der Lötstopplack bei bestimmten Varianten der Impedanzen. Ausschließlich durch eine Vielzahl von Testdurchläufen konnten die verschiedenen Kompensationswerte in die Berechnung der theoretischen Impedanz aufgenommen werden. Dadurch konnte der Fertigungsprozess dementsprechend spezifiziert

4 werden und es ließen sich reproduzierbare Verhältnisse für die Fertigung von impedanzkontrollierten Leiterplatten ableiten. Doch allein die Kenntnis über die Impedanz beeinflussenden Parameter garantiert noch nicht die Funktionsfähigkeit einer Schaltung und die Erreichung der gewünschten bzw. geforderten Impedanz. Durch die fertigungstechnischen Varianzen und Toleranzen bei der Herstellung von Leiterplatten und vor allem durch die vom Hersteller nicht zu beeinflussenden Toleranzen ist eine standardisierte Fertigung von impedanzkontrollierten Leiterplatten nicht möglich. Diese zwangsläufigen Besonderheiten bringen erhebliche Abweichungen von Standardabläufen mit sich. Messplatz für impedanzkontrollierte Leiterplatten Die interne Organisation für Kundenaufträge mit Impedanzforderungen unterliegt in der Jenaer Leiterplatten GmbH einer besonderen Behandlung. Im Vorfeld der Fertigung sind besondere Prüfungen und Abstimmungen notwendig. Die Kundenanforderungen hinsichtlich Messung und Berechnung der Impedanz, die Forderung eines Prüfprotokolls, die Behandlung des Messcoupon sowie besondere Anforderungen bestimmen schon zum Zeitpunkt der Kundenanfrage den Fertigungsdurchlauf. Anhand der Vorgaben des Kunden wird die geeignete Materialauswahl aus den vorhandenen oder beschaffbaren Materialbeständen getroffen und der realisierbare Lagenaufbau (Stack-Up) ermittelt. Eine entscheidende Besonderheit bei dem Basismaterial stellt die Dielektrizitätskonstante ε R dar. Bei gleichem Material können sich unterschiedliche Ergebnisse für das ε R ergeben.

5 Zum einen sind unterschiedliche Werte bei verschiedenen Chargen möglich und zum anderen gibt es ebenso Differenzen bei Kernen und Prepregs. Anhand der Datenblätter der Materialhersteller gibt es zum Teil große Unterschiede zwischen Theorie und Praxis. Weiterhin verändert sich die Dielektrizitätskonstante bei unterschiedlichen Frequenzen. Ein anderes Problem ist noch die Toleranz bei der Materialqualität und Maßhaltigkeit des Basismaterials. Somit führen schon geringfügige Toleranzen bei der Veränderung des Stack- Up zu Varianzen der Impedanz. Eine Korrektur der Parameter durch den Leiterplattenhersteller ist somit unumgänglich um die gewünschte Impedanz zu erzielen. Die Toleranzen des Kern- bzw. Basismaterials sind durch Leiterplattenhersteller generell nicht zu beeinflussen. Allein durch die Korrektur von verschiedenen Einflussgrößen und durch Erfahrungswerte werden die geforderten Ergebnisse erzielt. Weitere Überprüfungen im Vorfeld der Fertigung erfolgen in den Bereichen Leiterzugsbreiten, Separation, Dielektrikumsabstände sowie Line and Space. Unter Beachtung der Produktions- und Materialtoleranzen müssen gegebenenfalls Anpassungen in Form von Weitungen oder Korrektur des Layouts und Stack Up vorgenommen werden. Nur durch diese Anpassungen, welche Resultate des kontinuierlichen Lernprozesses sind, können für jede Leiterplatte reproduzierbare Fertigungsverhältnisse geschaffen werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist zum einen, das auf dem Fertigungspanel überall gleiche Verhältnisse vorliegen müssen und zum anderen spielt die Panelauslastung eine entscheidende Rolle. Dieser nicht zu unterschätzende Punkt spiegelt sich auf der Kostenseite und auch im Bereich der Qualität wieder. Denn die Leiterplatten sollten unter gleichen Verhältnissen hergestellt werden und zusätzlich muss auch der Testcoupon integriert werden. Ein Testkupon ist die Nachbildung der geforderten Impedanz mit entsprechenden Leiterzugbreiten und Lagenabständen. Er bietet die einzige Möglichkeit die simulierte Impedanz der Leiterplatte zu messen. Ein anderer bereits erwähnter Einflussfaktor auf die theoretisch berechnete Impedanz ist die Lötstoppmaske. Diese kann je nach Lackart eine Veränderung der Dielektrizitätskonstante hervorrufen. Je nach Dicke der Lötstoppmaske sind Impedanzverluste über mehrere Ohm möglich. Ebenfalls ein nicht zu unterschätzender Faktor ist die Schichtdickenverteilung nach dem Aufkupfern. Ein Vorteil für die Jenaer Leiterplatten GmbH stellt hier die angewendete Tenting - Technologie mit dem Panelplating dar. Es können Schichtdickentoleranzen von ± 5 µm realisiert werden. Bei der Erstellung des Leiterbildes spielen ebenfalls Toleranzen durch den Ätzprozess eine wichtige Rolle. Der Zusammenhang von Schichtdicke, Ätzgeometrie und Grad der Unterätzung muss verstanden und beherrscht werden. Vor diesem Hintergrund wird im

6 Sinne einer permanenten Qualitätskontrolle in der Jenaer Leiterplatten GmbH bei allen Innen- und Außenlagen eine 100 % - Prüfung der Leiterzugsbreiten und abstände mit Hilfe eines Laser AOI der Firma Orbotech durchgeführt. Nicht zu unterschätzen sind weiterhin die Toleranz der theoretischen und praktischen Prepregstärke und die daraus resultierenden Dickentoleranzen nach dem Verpressen, mit wiederum Auswirkungen auf die Dielektrikumsabstände. In der folgenden Abbildung die verschiedenen Toleranzanteile an einem Beispiel nochmals anschaulich verdeutlicht. Toleranzanteile am Beispiel Substratdicke 100 µm ± 10 µm 44 % ε r 4,2 ± % Leiterbahnbreite 150 µm ± 15 µm 34 % Leiterbahndicke 35 µm ± 3,5 µm 8 % Surface Microstrip 52,01 Ohm ± ca. 7 Ohm S-Dicke εr Lz-Breite Lz-Dicke In der Jenaer Leiterplatten GmbH kann auf Kundenwunsch eine 100% - Panelprüfung und eine 100% - Couponarchivierung erfolgen. Dies garantiert eine sichere Rückverfolgbarkeit. Anhand dieser kurzen Abhandlung zu dem Thema Impedanzen und impedanzgeprüfte Leiterplatten lässt sich schnell erkennen, dass Kompromisse in Form der technischen Realisierbarkeit im Rahmen der erlaubten Toleranzen unausweichlich sind. Der entscheidende Faktor für qualitativ hochwertige Leiterplatten mit Impedanzen ist die Stabilität und Beherrschung des Fertigungsprozesses sowie die Kenntnis über die Besonderheiten der einzusetzenden Materialien. Allein die Betrachtung der vielen Toleranzen im Materialbereich bringt eine gewisse Abhängigkeit des Leiterplattenherstellers von den Lieferanten des Basismaterials mit sich. Dazu kommen noch die Toleranzen im Fertigungsprozess sowie zusätzlich ein geringer Messfehler bei der Ermittlung der Impedanz.

7 Diese Punkte verdeutlichen, dass nicht alle theoretischen Kundenanforderungen in der Praxis umsetzbar sind. Oftmals ist es unumgänglich eine Korrektur der CAD-Daten für die Fertigung vorzunehmen. Bei Differenzen und notwendigen Anpassungen erfolgt in jedem Fall eine Rücksprache mit dem Kunden und dessen Freigabe. Um ein gutes Ergebnis zu erzielen, ist eine Kompromissbereitschaft von Seiten des Kunden notwendig. Die enge Zusammenarbeit und Kooperation mit Firma Polar, was in gegenseitiger Beratung und Unterstützung zum Ausdruck kommt, hat vor allem in der Anfangsphase ein schnelles Verständnis für das Thema impedanzkontrollierte Leiterplatten zur Folge gehabt. Die konsequente Auseinandersetzung mit dem Thema Impedanzen sowie Herstellung von impedanzkontrollierten Leiterplatten führte zu einem langfristigen Lern- und Erfahrungsprozess in der Jenaer Leiterplatten GmbH. Durch eine noch sicherere Beherrschung des Fertigungsprozesses und dem Verständnis für bestimmte technologische Zusammenhänge können die simulierten theoretischen Resultate in der Praxis reproduzierbar umgesetzt werden. Für die Kunden werden bestmögliche Ergebnisse erzielt. Die so gewonnenen neuen Erfahrungen führen letztendlich dazu, dass alle Leiterplatten auf einem konstanten und noch höheren Qualitätsniveau hergestellt werden können. Eine Abstimmung im Vorfeld der Fertigung zu den technologischen Möglichkeiten der Jenaer Leiterplatten GmbH bringen für die Kunden Zeit- und Kostenersparnisse.