Neben der Elektronikindustrie setzen verschiedene Branchen Technologien ein, bei denen der Einsatz von Hochfrequenzkomponenten und Leiterplatten floriert. Leiterplatten unterstützen den Schaltkreis und bieten eine Vielzahl von Anwendungen, wodurch sie zu Ende-zu-Ende-Produkten in verschiedenen Branchen beitragen.

Der Grund, warum Hochfrequenzleiterplatten in der Welt der Wissenschaft und der Elektronik im Allgemeinen weit verbreitet sind, liegt in den vielen Vorteilen, die wir in ihnen sehen. Einige davon umfassen:

• Mäßig kostengünstig; können daher in Massenproduktion hergestellt werden
• Wiederverwendbar; können daher mehrfach verwendet werden
• Sehr langlebig und somit eine große Haltbarkeit des Schaltkreises
• Die kompakte Größe verringert den Kabelverbrauch

Die oben genannten, gut begründeten Faktoren sind der Grund, der Sicherheit bei der Ausführung des elektronischen/elektrischen Schaltkreises bringt.

Frequenz und ihre Beziehung zu Leiterplatten

Abbildung 1: Nieder- und Hochfrequenzsignale

Quelle: Proto-Electronics

Wenn die Frequenz niedrig ist, bleiben die Parameter der Signale innerhalb der Datencharakterisierung und der Schaltkreis führt alle seine Funktionen wie vorgesehen aus. Wenn wir jedoch die Systemgeschwindigkeit erhöhen, hat die höhere Frequenz Auswirkungen auf die Schaltkreiseigenschaften, was zu einer Beeinträchtigung des Systems führt. Während der E/A-Signalisierung kann sich dies also negativ auf die Datenübertragung über Übertragungsleitungen vom Sender zum Empfänger auswirken.

Wenn die Geschwindigkeit des Schaltkreises niedrig ist, hat dies nur sehr geringe Auswirkungen auf den Schaltkreis. Wenn die Geschwindigkeit jedoch erhöht wird, übernimmt eine höhere Frequenz und Probleme wie Nebensprech, Klingeln, Heizen usw. stören die Reaktion des Signals, was wiederum die Signalintegrität beeinträchtigt.

Warum brauchen wir Hochfrequenzleiterplatten?

Elektronische Schaltkreise verhalten sich bei hohen Frequenzen sehr unterschiedlich. Dies ist vor allem auf eine Veränderung des Verhaltens der passiven Komponenten (Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren) zurückzuführen.

Das hat auch parasitäre Auswirkungen auf:   

• Aktive Komponenten
• Leiterplattenleiterbahnen
• Erdungsmuster

Signale sind rauscharm und haben eine viel engere Impedanztoleranz als herkömmliche Leiterplatten. Signale zwischen zwei Objekten würden immer durch das Rauschen gestört, das durch eine hohe Frequenz verursacht wird. Dies erfordert mehr Energie, sodass eine Welle mit höherer Frequenz mehr Energie hat als eine Welle mit niedrigerer Frequenz und gleicher Amplitude.

Faktoren, die Hochfrequenzleiterplatten beeinflussen

Es ist wichtig sicherzustellen, dass die hergestellten Leiterplatten in der Lage sind, mit hohen Frequenzen ohne Fehlfunktion zu arbeiten. Einige wichtige Faktoren, welche die Leiterplatten bei hohen Frequenzen beeinflussen:

Materialauswahl

Leiterplatten, die mit hohen Frequenzen arbeiten, bestehen aus Materialien, die der Platine bei der Aufrechterhaltung höherer Frequenzen helfen. Es wird berücksichtigt, dass das bei der Herstellung einer Platte verwendete Material eine niedrige Dielektrizitätskonstante (Dₖ) und eine niedrige Dielektrizitätsverlusttangente (D_f) haben muss.

Dielektrika sind Isoliermaterialien, die schlechte elektrische Leiter sind, aber eine inhärente Fähigkeit besitzen, elektrische Ladung zu speichern. Die Dielektrizitätskonstante (Dₖ) stellt die Kapazität des Isoliermaterials dar, elektrische Ladung aufgrund der dielektrischen Polarisierung zu speichern. Diese gespeicherten Ladungen behindern dann die Ausbreitung der Signale und verursachen eine Ausbreitungsverzögerung, die im Hochfrequenzbetrieb nicht zu erwarten ist.

FR-4 – Flammschutzmittel Typ 4 – ist das Standardmaterial für die Leiterplattenfertigung, da es sich um ein kostengünstiges und leicht zu bearbeitendes Material handelt. Es handelt sich um ein glasfaserverstärktes Epoxidmaterial. FR-4 ist ein guter Isolator und ein robustes Material für die Leiterplattenfertigung, weist aber einen großen Defekt auf, wenn es bei hohen Frequenzen betrieben wird. Unter hohen Frequenzen beginnt die Dielektrizitätskonstante des Materials zu variieren, wodurch der Signalverlust zunimmt.

Abbildung 2: Flammschutzmittel Typ 4 (FR-4)

Quelle: ProtoExpress

Die Dielektrizitätsverlusttangente (D_f) ist das Maß für die Energieabsorptionsrate, die von einem elektromagnetischen Feld bei der Bewegung durch ein Dielektrikum getragen wird. Sie wird durch Tan (δ) definiert. Da hohe Frequenzen durch ein Dielektrikum übertragen werden, nimmt die vom Dielektrikum absorbierte Energie zu, was zu einer höheren Molekülvibration führt, was wiederum zu einem Signalverlust führt.

Wärmemanagement der Leiterplatte

Das Wärmemanagement ist ein weiterer kritischer Aspekt der Leiterplattentechnologie, den Designer im Auge behalten müssen. Wenn hochfrequente Leiterplatten mit hochfrequenten Signalen gespeist werden, wird der Schaltkreis den Verlust erfahren und schließlich beginnt das Schaltkreismaterial selbst Wärme zu erzeugen. Wenn höhere Frequenzen durch das Material passieren, kommt es zu einem größeren Verlust, der letztendlich die von der Leiterplatte erzeugte Wärme erhöht. Die maximale Betriebstemperatur oder MOT ist der maximale Nennwert einer Leiterplatte, unter der sie betrieben werden darf. Sobald die PCB-Temperatur den MOT-Wert überschreitet, ist die Leistung der Leiterplatte gefährdet.

Die Expansion der Leiterplatte ist auch eine der Hauptnebenwirkungen der Überhitzung. Geräte werden immer kleiner und für solche Geräte ist der Platz unter solchen Bedingungen ein triviales Problem, da der Betrieb der Leiterplatte bei einer höheren Temperatur dazu führen wird, dass sie sich ausdehnt und dadurch die Leiterplatte beschädigt wird.

●     Feuchtigkeitsaufnahme

Unterschiedliche Wasserabsorptionsstufen erzeugen Feuchtigkeit, welche die dielektrische Konstante und den dielektrischen Verlust im Schaltkreis beeinflusst. Selbst eine kleine Menge Feuchtigkeit verändert den elektrischen Leitwert des Schaltkreises. Daher sollten Materialien ausgewählt werden, die eine minimale Wasseraufnahme gewährleisten.

●     Impedanzanpassung

Wenn das Signal übertragen wird, sollte die Lastimpedanz der Impedanz des übertragenen Signals entsprechen. Momentan gibt es keine Reflexion in der Übertragung, was darauf hinweist, dass die Energie von der Last aufgenommen wird. Bei Hochfrequenzleiterplatten hängt die Impedanzanpassung mit dem Standard des Signals zusammen. Daher sollte für die reibungslose Übertragung von Signalen eine Impedanzanpassung gewährleistet werden.

●     Nebensprech vermeiden

Signale, die für die Leistung des Schaltkreises nicht erforderlich sind, die hauptsächlich aufgrund der Kopplung elektromagnetischer Felder auftreten, werden als Nebensprech bezeichnet.

Nebensprech kann in einer Leiterplatte mit den folgenden Methoden reduziert werden.

Leiterbahntrennung und Mindestbreite: Horizontaler Nebensprech tritt auf, wenn die Kurven zu nah beieinanderliegen. Dies kann gelöst werden, indem sichergestellt wird, dass die minimale Mindestbreite für die Leiterbahnen verwendet wird und der Abstand zwischen der Mitte der beiden Leiterbahnen mindestens das Dreifache der Leiterbahnbreite beträgt.

Abbildung 3: Leiterbahn und Strom

Quelle: Proto-Electronics

Rechtwinklige benachbarte Lagen: Vertikaler Nebensprech tritt auf, weil die benachbarten Lagen parallele Kurven aufweisen. Dies kann vermieden werden, indem sichergestellt wird, dass die Leiterbahnen in den angrenzenden Lagen während des Routings senkrecht zueinander stehen. Wenn die Leiterbahn in einer Lage beispielsweise von Nord nach Süd verläuft, können die Spuren der angrenzenden Lagen von Ost nach West verlaufen, sodass die Spuren senkrecht zueinander verlaufen.

Abbildung 4: Wechselnde Richtung der Leiterbahnen

Quelle: Proto-Electronics

Nutzung einer soliden Erdebene: Das Einsetzen einer Erdebene zwischen zwei benachbarten Ebenen verringert die Wahrscheinlichkeit einer Breitseitenkopplung. Probleme wie die Reduzierung der Bypasskondensator-Stromschleife, die Steuerung der Leiterimpedanz usw. sind ebenfalls gelöst.

Isolieren der hochfrequenten Leiterbahnen und Leiterbahnen, die asynchrone Signale enthalten: Hochfrequenzsignale wie Takte sollten im Abstand von anderen Signalspuren gehalten werden, um die Auswirkungen von Nebensprech zu reduzieren. Asynchrone Signale wie Reset- oder Interrupt-Leitungen werden normalerweise in der Nähe von Stromleitungen oder der Schaltleitungen gehalten, da sie selten verwendet werden.

Nutzen von Differenzialsignalen: Nebensprech kann durch die Verwendung von Differenzialsignalen minimiert werden, bei denen Signale die gleiche Amplitude, aber eine unterschiedliche Polarisierung haben, die ein einzelnes Hochgeschwindigkeitssignal bildet. Da das elektromagnetische Rauschen beide Leitungen gleichermaßen beeinflusst, da das Signal beim Empfang als Differenz zwischen den beiden Spannungsleitungen erhalten wird, wirkt sich externes Rauschen nicht auf das Signal aus. Differenzialsignalpaare sollten in einem Abstand von mindestens der dreifachen Leiterbahnbreite zu den anderen signalführenden Leiterbahnen gehalten werden.

Verwendung eines Materials mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante: Leiterplatten, die aus einem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante hergestellt werden, haben einen minimalen Nebensprech, da die gegenseitige Induktivität/gegenseitige Kapazität zwischen den Leiterbahnen reduziert wird.

Wärmemanagementtechniken für Hochfrequenzleiterplatten

Thermische Durchkontaktierungsarrays: Ein effektives Wärmemanagement erfolgt durch die Einbindung von Durchkontaktierungsarrays über die kupfergefüllten Bereiche. Dadurch kann Wärme durch die Durchkontaktierungen in die Luft abgeleitet werden. Hier sollte der Durchmesser für die Durchkontaktierung groß sein, im Bereich von 0,1 mm, damit Wärme effektiv abgeführt werden kann. Je größer die Anzahl der Durchkontaktierungen, desto mehr Wärmeableitung.

Abbildung 5: Thermische Durchkontaktierungsarrays für eine QFN-Komponente

Quelle: Cdntwrk

Verwenden breiterer Leiterbahnen: Breitere Kupferleiterbahnen tragen zur Maximierung der Wärmeableitung bei. Es hilft auch, Wärmepunkte auf der Leiterplatte zu verringern. Beim Erstellen breiterer Leiterbahnen muss darauf geachtet werden, dass die Leiterbahnen nicht zu breit sind, da dies sonst zu Nebensprech führt.

Kühlkörper und Kühllüfter verwenden: Wenn die von den Leiterplatten erzeugte Wärme höher ist als jene, die ohne Probleme abgeführt werden kann, dann werden Kühlkörper und Lüfter verwendet. Kühlkörper werden normalerweise an Elementen wie CPUs, MCUs, d. h., Geräten, welche die meiste Wärme erzeugen, befestigt. Sie werden dann normalerweise der Luft ausgesetzt oder auf die Leiterplatte geschraubt. An Orten, an denen sich die Leiterplatte an einem geschlossenen Ort befindet, wird ein Kühlungslüfter verwendet, um die heiße Luft effektiv in die Umgebung abzuleiten.

Abgesehen von den oben genannten Techniken ist es ratsam, die wärmeerzeugenden Elemente von den wärmeempfindlichen Elementen zu trennen und ihnen somit keinen Schaden zuzufügen Mithilfe von Leiterplattenanalysesoftware können potenzielle thermische Punkte in den Leiterplatten identifiziert werden. Wenn die Leiterplatten vertikal montiert werden, muss sichergestellt sein, dass wärmeerzeugende Komponenten nach oben platziert werden.

Altium Designer, PADS Standards, ANSYS usw. sind einige der Simulationssoftwares, die bei der Identifizierung der thermischen Verteilung der Leiterplatte helfen können.

Materialauswahl für Hochfrequenzleiterplatten

Für die Herstellung von Hochfrequenzleiterplatten werden spezielle Materialien benötigt, die Hochgeschwindigkeitssignale liefern. Einige der Materialien sind: -

Rogers 4350B HF: Ähnlich wie FR-4 hat auch dieses Material geringe Herstellungskosten. Es bietet zudem eine hervorragende Dimensionsstabilität.

Taconic TLX: Dieses Material besteht aus PTFE-Glasfaser und ist physikalisch ein stabiles Material, das die besten thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften bietet. Das einzige Problem, das es hat, ist jedoch, dass es schwierig herzustellen ist.

Taconic RF-35 Keramik: Es handelt sich um ein preisgünstiges Material, das aus keramikgefülltem PTFE und Glas besteht. Es ist leicht herzustellen, hat aber eine moderate Schälfestigkeit, perfekte elektrische Leistung sowie eine geringe Verlustleistung.

Rogers RO3001: Dieses besteht aus einer Haftfolie mit einer vergleichsweise niedrigen Dielektrizitätskonstante. Es ist außerdem sehr beständig gegen Chemikalien und hohe Temperaturen.

ARLON 85N: Das ARLON 85N hat einen sehr hohen thermischen Widerstand. Es besteht aus reinem Polyamidharz.

Dielektrizitätskonstante der ausgewählten Materialien

Die Dielektrizitätskonstante (Dₖ) des ausgewählten Materials sollte so klein wie möglich sein. Die Signalübertragungsrate ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Materials der Dielektrizitätskonstante. Es gibt eine Verzögerung, die verursacht wird, wenn das ausgewählte Material eine hohe elektrische Konstante hat; der dielektrische Verlust (D_c) sollte ebenfalls klein sein. Der Signalverlust ist minimal, je nachdem, wie klein der dielektrische Verlust ist.

Die obige Tabelle zeigt den Vergleich der Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials, des Dielektrikums, der Temperatur (T) und des Ionenmigrationswiderstands, der Feuchtigkeitsbeständigkeit, der Herstellbarkeit und der Kosten. Entsprechend dem Ergebnis wird Material C für diese Art von mehrlagigen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsleiterplatten verwendet.

31.05.2022