Laut der technischen Terminologie sprechen wir von einer HF-Leiterplatte, wenn die Betriebsfrequenz der Signale höher als 100 Mhz ist. Zu dieser Kategorie gehören Mikrowellenleiterplatten, bei denen die HF-Signale eine Frequenz von mehr als 2 Ghz aufweisen. HF-Leiterplatten werden in zahlreichen Anwendungen wie drahtlosen Übertragungssystemen, Smartphones, Radar, Sensoren und Sicherheitssystemen eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten weisen HF-Leiterplatten vor allem im Hinblick auf Signalintegrität, Rauschimmunität, elektromagnetische Interferenz und sehr reduzierte Impedanztoleranzen eine höhere Designkomplexität auf.
Die Herausforderungen
HF-Signale reagieren besonders empfindlich auf Rauschen; auf diesem Grund kommt es oft zu einer Restwelligkeit oder Reflexion des Signals. Auch die Impedanz ist bei dieser Schaltkreisklasse sehr wichtig; hier muss der Impedanzwert entlang aller Leiterbahnen des Schaltkreises kontrolliert werden. Außerdem müssen auch die Leistungsverluste durch Signalreflexionen reduziert werden, indem geeignete Wege für den Rückstrom erstellt werden, der bei steigender Frequenz dazu tendiert, den Wegen mit dem geringsten Induktivitätswert zu folgen. Mit steigender Leistung und Komponentendichte spielt Übersprechen, also die Übertragung von Energie zwischen benachbarten Leiterbahnen aufgrund von induktiver oder kapazitiver Kopplung, die wichtigste Rolle.
Beim Design von HF-Schaltkreisen müssen Materialeigenschaften wie der Verlustfaktor und die Dielektrizitätskonstante berücksichtigt werden. Ein häufig eingesetztes Material wie FR-4 verfügt über einen höheren Verlustfaktor als spezielle Materialien für hohe Frequenzen wie Rogers-Laminate – dies führt zu einer deutlichen Einfügungsdämpfung, die bei höheren Frequenzen steigt. Außerdem kann die Dielektrizitätskonstante von FR-4 mit steigender Frequenz um bis zu 10 % steigen, was zu Impedanzvariationen entlang der Leiterplattenbahnen führt.
1 – Materialauswahl
Die am häufigsten zur Herstellung von Leiterplatten verwendeten Materialien wie FR-4 (flammenhemmend Level 4) sind sehr günstig, jedoch vor allem aufgrund der Ungleichförmigkeit der Dielektrizitätskonstante und des schlechteren Tangentenwinkels in der Regel nicht die geeignetste Wahl für Hochfrequenzanwendungen. Für HF-Leiterplatten werden spezielle Materialien wie FEP, PTFE, Keramik, Kohlenwasserstoff und unterschiedliche Glasfaserarten verwendet. PFE- und PTFE-Materialien gehören zur Familie der Fluorpolymere, verbessern die chemische Beständigkeit des Basismaterials, haben Antihaft- und Glätteeigenschaften sowie eine außergewöhnlich hohe Hitzebeständigkeit (sie halten Temperaturen von mehr als 200 °C stand). Stellt das Budget kein Problem dar und ist die Qualität wichtiger als der Preis, ist die beste Lösung PTFE mit gewebter Glasfaser. Günstiger ist PTFE mit Keramikbeschichtung, das ein weniger komplexes Fertigungsverfahren erfordert. Viele Leiterplattenhersteller verwenden Rogers-Materialien von Rogers Advanced Connectivity Solutions (ACS), einem führenden Hersteller von Dielektrika, Laminaten und Prepregs für Hochfrequenzanwendungen. Rogers-Materialien sind zwar teurer, ermöglichen jedoch eine Reduktion des Leistungsverlustes um bis zu 50 % und bieten somit hohe Leistung auch über 20 GHz und eine niedrige Dielektrizitätskonstante, die bei variierender Frequenz stabil und wiederholbar bleibt. Da HF-Leiterplatten in der Regel aus mehreren Schichten bestehen, liegt der häufigste Ansatz darin, unterschiedliche Materialien einzusetzen, die den Anforderungen an elektrische Leistung, Wärmeeigenschaften und Kosten entsprechen. Rogers-Hochleistungslaminate können beispielsweise für die äußeren Schichten verwendet werden, während für die inneren Schichten günstigere Epoxid-Glas-Laminate eingesetzt werden.
2 – Übertragungsleitungen
Für HF-Leiterplatten sind Übertragungsleitungen (Microstrip, Stripline, koplanare Wellenleiter etc.) erforderlich, bei denen der Impedanzwert streng überprüft werden muss, um Leistungsverluste zu vermeiden und die Signalintegrität zu gewährleisten. Bei Microstrip-Übertragungsleitungen (Abbildung 1) legen die Leiterbahnbreite, die Schichtdicke und der Typ des Dielektrikums den Wert der typischen Impedanz fest, wobei dieser in der Regel bei 50 Ω und 75 Ω liegt. Microstrips werden für die äußeren, Striplines für die inneren Schichten verwendet. Die (geerdeten) koplanaren Wellenleiter wiederum bieten vor allem bei HF-Signalen, die sehr nahe liegende Leiterbahnen kreuzen, den besten Isolierungsgrad.
Abbildung 1: Leiterbahnen für Microstrip, Stripline und koplanare Wellenleiter
Der Wert der typischen Impedanz (und somit die Leiterbahnbreite) kann anhand eines der zahlreichen online verfügbaren Tools berechnet werden; dabei ist zu beachten, dass der exakte Wert der Dielektrizitätskonstante εR für jede Schicht bekannt sein muss (weist beispielsweise eine innere FR-4-Schicht eine εR = 4,2 auf, kann die äußere Prepreglaminatschicht eine εR = 3,8 aufweisen).
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3 – Impedanz und Induktivität
Ein häufig von Designern verfolgter Ansatz ist die Wahl eines üblichen Impedanzwerts (in der Regel 50 Ω) und somit nur die Auswahl von HF-Komponenten (Filtern, Antennen, Verstärkern), welche diese bestimmte Impedanz bieten. Der Wert von 50 Ω bietet den Vorteil, sehr verbreitet zu sein, und vereinfacht die Impedanzanpassung, sodass jeder Leiterplattenbahn die korrekte Breite zugewiesen wird.
Die Induktivität kann sich wiederum signifikant auf das Design einer HF-Leiterplatte auswirken und sollte aus diesem Grund so niedrig wie möglich gehalten werden. Dies wird durch eine entsprechende Erdungsverbindung zu jeder HF-Komponente über mehrere Durchkontaktierungslöcher und ausreichend breite Erdungsebenen ohne Lücken und Unterbrechungen erreicht. Die Erdungsebenen sollten sich direkt neben Hochfrequenzkomponenten und ‑leiterbahnen befinden.
4 – Routing
Die erste Regel dafür betrifft den Kurvenradius und die Winkel einer Leiterbahn. Ist bei einer Übertragungsleitung aus Routinggründen eine Richtungsänderung erforderlich, sollte ein Bogen mit einem Kurvenradius gleich der dreifachen Leiterbahnbreite geformt werden. So wird gewährleistet, dass die typische Impedanz entlang des gesamten Kurvenabschnitts gleich bleibt. Ist dies nicht möglich, muss ein Winkel gezogen werden; rechte Winkel müssen jedoch vermieden und durch zwei 45°-Winkel ersetzt werden.
Muss eine Übertragungsleitung zwei oder mehrere Schichten kreuzen, empfiehlt es sich, für jede Kreuzung zumindest zwei Durchkontaktierungslöcher einzufügen, um Variationen der Induktivität zu minimieren. Ein Durchkontaktierungspaar kann durch den größtmöglichen mit der Leiterbahnbreite kompatiblen Lochdurchmesser die Induktivitätsvariationen um 50 % reduzieren. Jene Leiterbahnen, welche die HF-Komponenten verbinden, müssen so kurz wie möglich gehalten, ausreichend voneinander entfernt platziert und im rechten Winkel zu den benachbarten Schichten angeordnet werden – dies gilt vor allem, wenn diese von empfindlichen Signalen gekreuzt werden.
Hinsichtlich des Lagenaufbaus ist die beste Lösung eine mehrschichtige Konfiguration aus vier Schichten. Die Kosten sind zwar höher als für eine Lösung mit einer Doppelschicht, doch die Ergebnisse sind deutlich besser und einfach wiederholbar. Unter die Leiterbahnen mit HF-Signalen müssen kontinuierliche Erdungsebenen eingesetzt werden, da hohe Frequenzen die Unterbrechungen der Erdungsebenen nicht unterstützen.
5 – Isolierung
Es muss besonders darauf geachtet werden, gefährliche Kopplungen zwischen den Signalen zu vermeiden. Die HF-Übertragungsleitungen sollten so weit wie möglich von anderen Leiterbahnen getrennt werden (vor allem dann, wenn sie von Hochgeschwindigkeitssignalen wie HDMI, Ethernet, USB, Taktung, Differenzialsignalen etc. gekreuzt werden) und nicht über lange Strecken parallel zueinander verlaufen. Die Kopplung zwischen parallelen Microstrips verstärkt sich, je näher sie zueinander liegen und je länger sie parallel verlaufen. In ähnlicher Weise sollten auch Leiterbahnen mit leistungsstarken Signalen von anderen Teilen des Schaltkreises getrennt werden. Ein hervorragender Isolierungswert wird durch den Einsatz der geerdeten koplanaren Wellenleiter erreicht.
Leiterbahnen mit Hochgeschwindigkeitssignalen sollten auf einer anderen Schicht geroutet werden als HF-Signale, um ein Kopplungsphänomen zu vermeiden. Auch die Stromversorgungsleitungen sollten auf eigenen Schichten geroutet werden, indem geeignete Entkoppel-/Bypasskondensatoren eingesetzt werden.
6 – Grundplatten
Es gilt als bewährte Praxis, neben jeder Schicht mit Komponenten oder HF-Übertragungsleitungen kontinuierliche (unterbrechungsfreie) Erdungsebenen einzusetzen. Bei Striplines sind spezielle Erdungsebenen sowohl oberhalb als auch unterhalb des Mittelleiters erforderlich. Auf HF-Leiterbahnen und in der Nähe von HF-Komponenten können Durchkontaktierungslöcher hinzugefügt werden, um die Auswirkungen von parasitischen Induktivitäten durch Ströme zur Erdung zu reduzieren. Durchkontaktierungslöcher helfen auch dabei, die Kopplung zwischen HF-Leitungen und anderen durch die Leiterplatte laufenden Signalen zu reduzieren.
7 – Bypasskondensator
In die Nähe der Stromanschlüsse sollten Bypasskondensatoren mit entsprechendem Wert sowohl in Einzelpunkt- als auch in Sternkonfiguration platziert werden. In der Sternkonfiguration, die sich besonders für Komponenten mit mehreren Stromanschlüssen eignet, wird ein Entkoppelkondensator mit höherer Kapazität (einige Zehntel Mikrofarad) in die Mitte des Sterns platziert, während an den Spitzen andere Kondensatoren mit niedrigerer Kapazität sitzen. Die Sternkonfiguration vermeidet lange Rückwege zur Erdung und reduziert so parasitische Induktivitäten, die das Auftreten von unerwünschten Feedbackschlaufen verursachen könnten. Es muss besonders auf den Wert der Eigenresonanzfrequenz des Kondensators geachtet werden; über diesem Wert übernimmt der Kondensator die Eigenschaften eines Induktors und hebt die Entkopplungsfunktion auf.
8 – Komponentengrundplatten
Für die meisten integrierten Schaltkreise ist auf der Komponentenebene (der oberen oder unteren Schicht der Leiterplatte) direkt unter der Komponente eine kontinuierliche Erdungsebene erforderlich. Diese Ebene dient dazu, den Rückstrom der CC- und HF-Signale zur zugewiesenen Erdungsebene zu leiten. Außerdem führen die sogenannten „Erdungsschaufeln“ (Abbildung 2) auch eine Nebenfunktion aus; sie verteilen überschüssige Wärme und sollten deshalb mit geeigneten Durchkontaktierungslöchern ausgestattet sein. Diese Durchkontaktierungen sollten durch Löcher verlaufen, sodass sie mehrere Schichten der Leiterplatte kreuzen, sowie innen beschichtet und mit wärmeleitfähiger Paste gefüllt sein, um den Wärmeableitungseffekt noch zu verstärken.
Abbildung 2: Leiterplatte mit eigenem Bereich für eine Erdungsschaufel
