CONday Hochfrequenz-Technologie Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen auf das Hochfrequenz-PCB-Design

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1 CONday Hochfrequenz-Technologie Einfluss von Prozess- und Materialtoleranzen auf das Hochfrequenz-PCB-Design Berlin, 13. Mai 2014 Christian Tschoban (TU Berlin) & Christian Ranzinger (Contag AG) Design und Integration von HF-Komponenten innerhalb der Leiterplattentechnologie 1

2 Herausforderungen an PCB-Design Motivation Signalpfad- und Spannungsversorgungsnetzwerkanalyse Integration von innovativen und robusten Antennenkonzepten 2

3 HF- System und -Komponenten Design (PDN & SDN) Methodische Vorgehensweise Klassischer Design Flow M3 Ansatz (Methoden, Modelle und Entwurfsmaßnahmen) 3

4 HF- System und -Komponenten Design (PDN & SDN) Neuartige Modellierungsmethodologie für komplexe Systeme Schematische Darstellung der Methodologie M3-Ansatz (Methoden, Modelle, Maßnahmen) Zerlegung des Signalpfads in Komponenten Modellierung & Optimierung jedes Segments Kaskadierung und Experimentelle Validierung des gesamten Signalpfads Herausforderung Diskontinuitätsgrenzen? Vorgehen Effiziente und akkurate Modellierung Validierung der Modelle Ableitung von Designregeln und Maßnahmen für optimale elektrische Performance des Gesamtsystems Aus Segmentierung Ableitung verschiedener Herausforderung für PCB - Design 4

5 Herausforderung an jedes Design Gefertigte Strukturen Design Fertigung 100 µm [1] strategien-trends/artikel/83066/, µm Wie ist der Einfluss auf die HF-Performance? 5

6 Lösung dieser Herausforderung durch ein F&E - Projekt 6

7 Vorgehensweise 7

8 Quantifizierung der analytischen Modelle für die GUI Klassisches Leitungsmodell für Telegraphengleichung 8

9 Quantifizierung der analytischen Modelle für die GUI R Limitierung Rauigkeit der Kupferoberfläche? Modellierung der Rauigkeit mit Huray Modell [1] Ergebnis [1] Hall, S.; Pytel, S.G.; Huray, P.G.; Hua, D.; Moonshiram, A.; Brist, G.A.; Sijercic, E.;, "Multigigahertz Causal Transmission Line Modeling Methodology Using a 3-D Hemispherical Surface Roughness Approach," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.55, no.12, pp , Dec

10 Priorisierung einzelner Parameter Toleranzen der Leiterbahnen Rauigkeit Toleranzen Substrat Einfluss auf Elektrische Parameter Oberflächenfinish Lötstopp - Lack 10

11 Priorisierung einzelner Parameter Positionierung der Leitung im Bezug zur Leiterplatte FR HF-Laminat aus Hydrocarbon mit Keramik Füllstoffen

12 Priorisierung einzelner Parameter HF-Laminat aus Hydrocarbon mit Keramik Füllstoffen MEC-Etch/Oberflächen verschiedenes Oberflächenfinish Ohne Oberflächenfinish OSP ENIG Chem. Ag ASIG 34 mm Reines Kupfer; chemisch Ag und ASIG zeigen die besten HF-Eigenschaften 12

13 Priorisierung einzelner Parameter HF-Laminat aus Hydrocarbon mit Keramik Füllstoffen MEC-Etch/Oberflächen verschiedene Oberflächenveredelungen mit / ohne Lötstop - Lack Chemisch Ag ENIG 34 mm ohne Lötstop mit Lötstop Chemisch Ag + Lötstopp-Lack hat bessere Übertragungseigenschaften als ENIG ohne Lötstopplack 13

14 Priorisierung einzelner Parameter Vergleich: FR4 chem. Ag zu HF-Laminat aus Hydrocarbon mit Keramik Füllstoffen mit ENIG HF-Laminat - ENIG 34 mm FR4 chem. Ag FR4 mit chem. Ag hat bei niedrigen Frequenz (f < 20 GHz) ähnliche Performance wie HF-Laminate mit ENIG 14

15 Ergebnisse Priorisierung verschiedener technologischer Einflüsse Technologieeinfluss für FR4 und HF-Laminat aus Hydrocarbon mit Keramik Füllstoffen wurde untersucht: Ergebnisse Beispielhaft für Oberflächenveredelung Modellierung verschiedener HF-Komponenten Erweiterte analytische Modelle zur Erfassung der Technologie und Technologietoleranzen Berücksichtigt werden Geometrische Dimensionen Substratparameter Oberflächenveredelung Oberflächenrauheit 15

16 Ergebnisse Signifikante Prozessparameter am Beispiel der Mikrostreifenleitung b line Substrat h line Signifikante Prozessparameter: Substratdicke und Leiterzugbreite 16