Leiterplatten Leiterplattenstrukturen mit Hochgeschwindigkeitschips und Mikrowellen unterscheiden sich in zahlreichen Parametern deutlich von denen herkömmlicher, starrer und flexibler Leiterplatten. Diese Unterschiede werden in IPC-6018B, Qualifikations- und Leistungsspezifikationen für Hochfrequenz-(Mikrowellen-)Leiterplatten, erläutert. „Hochfrequenz“ ist eine der drei Hauptklassifizierungen von Leiterplatten der IPC (die anderen beiden Klassifikationen sind „rstarre und flexible Leiterplatten).
Mikrowellen-PCB-Design
Besondere Anforderungen
Wer sich mit den Besonderheiten dieser Frequenzbereiche nicht auskennt, wird über dieses Kapitel zunächst den Kopf schütteln. Denn nicht nur aufgrund der auftretenden Verluste müssen andere Leiterplattenmaterialien als bei niedrigen Frequenzen verwendet werden (sehr häufig auf Teflon- oder Keramikbasis, aber auch aus neuen, speziell entwickelten organischen Materialien). Auch die Bauteile von Mikrowellen-Leiterplatten sehen anders aus (optimal sind derzeit SMD-Chipbauteile der Größen 0603 oder besser 0402, wobei „0402“ eine Größe von 1mm x 0.5mm bedeutet) und es kommen ständig neue hinzu. Zudem muss auf den Leiterplatten eine ganz andere „Verdrahtungstechnik“ verwendet werden, damit die Schaltungen einwandfrei funktionieren.
Die von Target vorgesehene (und zu diesem Zweck propagierte) „Mass Fill“-Option reicht bei solchen Schaltungen nur bis zu einigen hundert Megahertz aus, bevor neue Probleme auftreten und die im Folgenden beschriebene Methode endgültig geändert werden muss.
Einfacher LC-Tiefpass für den Wellenwiderstand
Betrachten wir einen einfachen LC-Tiefpass für den Wellenwiderstand Z = 50 und eine Grenzfrequenz von 100 MHz. Die Bauteilewerte der Mikrowellenplatine selbst erhält man nach Eingabe der Filterparameter in ein modernes Filterprogramm. Alle Bauteile dürfen nur in SMD-Ausführung verwendet werden (hier: 1206 für die Kondensatoren, die Spulen hingegen als „2220“ mit zusätzlichem Masseanschluss für das Schirmgehäuse).
All das ist noch möglich und erscheint völlig normal. Erst bei der Leiterplatte wird es interessanter:
Die Unterseite der Platine ist mit einer durchgehenden Massefläche (= GND) versehen und alles was geerdet werden muss, bekommt auf der Oberseite ein eigenes „Massepad“ mit möglichst vielen Durchkontaktierungen.
In der Serie sind die Durchkontaktierungen selbst natürlich als „echte Durchkontaktierungen“ ausgeführt. Die Verwendung von versilberten Hohlnieten mit 0.8 mm Durchmesser (= sogar bis 10 GHz getestet) funktioniert bei der ersten Testplatine sehr gut.
Eingangs- und Ausgangsverbindungen dürfen nur über Mikrostreifenleitungen mit dem richtigen Wellenwiderstand Z und der entsprechenden richtigen Breite erfolgen (die natürlich vom Leitermaterial, der Platinendicke und – leider – auch ein wenig von der Betriebsfrequenz abhängt).
Natürlich sucht man bei Filterkondensatoren mit ihren oft krummen Werten nicht nach solchen Exoten. Sie lassen sich leicht realisieren, indem man bis zu drei SMD-Standardwerte der E12-Standardserie parallel schaltet. Das reduziert sogar die Gesamtselbstinduktivität und verschiebt so die Eigenresonanz zu höheren Frequenzen. Abweichungen von bis zu 1 … 2 % des Gesamtwertes sind tolerierbar, weshalb wir in unserem Beispiel die 33.2 pF durch 33 pF und die 57.2 pF durch 56 pF ersetzen.
Die neuen Anforderungen
Die Handhabung des PCB-CAD-Programms und dessen Eigenschaften ändern sich erheblich. Die neuen Anforderungen an die Fertigung von Mikrowellen-Leiterplatten sehen wie folgt aus:
a) Es dürfen weder Autorouter noch Autoplacer verwendet werden. Die Position jedes Bauteils auf der Leiterplatte muss kürzeste Verbindungskabel zum nächsten Bauteil gewährleisten (jeder zusätzliche Millimeter Kabel kann zusätzliche Induktivität bedeuten). Das bedeutet, dass Bauteile problemlos mit höchster Genauigkeit verschoben oder um beliebige Winkel gedreht werden können. Und das alles von Hand.
b) Andererseits müssen die Lötpads für die SMD-Bauteile möglichst klein sein, da sie zusätzliche Kapazitäten in die Schaltung bringen. Diese Kapazitäten müssen bereits beim Entwurf und der Schaltungssimulation berücksichtigt werden …
c) Sehr oft ist man gezwungen, neue SMD-Lötpads oder sogar neue Gehäuse zu entwerfen, da für die benötigten Spezialbauteile meist nichts in der Bibliothek vorhanden ist. Dies sollte keine Geheimwissenschaft sein und sehr schnell geschehen.
d) Die Möglichkeit zur Herstellung von „Vias“ (= Durchkontaktierungen) muss vorhanden sein.
e) Erforderliche Masseflächen müssen einfach zu erstellen sein und die Löcher der Durchkontaktierungen automatisch freigeben.
f) Leiterbahnen dürfen am Ende nicht abgerundet sein, ihre Breite und Länge müssen auf den Hundertstelmillimeter genau einstellbar sein.
g) Die unterste Ebene der Leiterplatte ist vollständig mit einer Kupferschicht versehen, die über die Vias mit „GND“ (= Masse) verbunden ist.
h) Die Verdrahtung erfolgt daher ausschließlich auf der obersten Ebene (meist Ebene 1). Dabei ist natürlich sehr darauf zu achten, dass die Gehäuse von ICs oder Transistoren, die für den Einsatz auf der untersten Ebene konzipiert wurden, korrekt gespiegelt werden.
Designbeispiel (Mikrowellen-PCB): 100 MHz – Tiefpass
Wir möchten nun den gesamten Designprozess für den oben genannten Tiefpass verstehen.
Schritt 1:
Wir starten ein neues Projekt „Platine mit Schaltplan“ und geben ihm einen passenden Namen.
Schritt 2:
Wir wechseln in den Schaltplan, holen uns ein „vertikales DIN A4 Blatt“ aus der „Rahmenbibliothek“ (RAHMEN.BTL3001) und legen es auf den Bildschirm. Am besten beschriftest du dein Textfeld gleich, sonst vergisst du es später.
Schritt 3:
Nun wird das Mikrowellen-PCB-Diagramm gezeichnet. Die Kondensatoren stammen als „C 1206“ aus der Bibliothek „C.BTL3001“, die Spulen als „L“ aus der Bibliothek „L.BTL3001“.
Ein- und Ausstiegsmarkierungen finden Sie als „Referenzen“ im Pulldown-Menü „Weitere Komponenten“. Sie finden es, indem Sie den Cursor auf das Transistorsymbol in der Bildlaufleiste setzen und den Mauszeiger dann ein Stück nach rechts schieben.
Dort erhalten Sie auch die Massesymbole.
Nicht vergessen: Jedes Bauteil in der Mikrowellenplatine wird nun zunächst angeklickt, um es zu markieren. Anschließend „w“ drücken, bis das Fadenkreuz blinkt. Mit „ä“ gelangt man ins Änderungsmenü und gibt dort den genauen Bauteilwert ein.
Schritt 4:
Nun benötigen wir die Platine und wechseln mit einem Klick auf das Platinensymbol in den Platinenbildschirm. Dort löschen wir zunächst den manchmal eingezeichneten Rahmen, um einen absolut leeren Bildschirm zu erhalten. Anschließend klicken wir in der Scrollleiste auf das IC-Symbol und holen uns über „Freies Gehäuse“ und die Bibliothek „PLATINEN.GHS30“ eine Platine mit den Maßen 50mm x 3001mm.
Schritt 5:
Nun wird diese Platine formatfüllend gezoomt. Anschließend sollte man kurz hinter den „Knopf mit dem Auge“ gehen, um das Rastermaß kurz auf 1mm zu ändern. So lassen sich die Positionen der 4 Befestigungslöcher leichter anfahren, da diese 3 mm vom Platinenrand entfernt sitzen sollten.
Ist dies erledigt, rollt der Cursor möglichst genau auf die linke untere Ecke der Platine. Die Taste „Pos1“ erklärt diese Ecke sofort zum relativen Nullpunkt unseres Systems (Koordinaten 0 | 0) und wir bewegen die Maus an die Position „3mm | 3mm“. Dort drücken wir zweimal hintereinander den „Punkt“ auf der Tastatur (zum Setzen der Durchkontaktierung) und schneiden anschließend den abgewickelten Anschlussdraht mit „Escape“ ab.
Die restlichen 3 Löcher werden auf die gleiche Weise erstellt. Ihre Positionen sind:
3 mm | 27 mm 47 mm | 3 mm 47 mm | 27 mm
Bitte setzen Sie jetzt das Bildschirmraster auf 0.1 mm zurück!
Schritt 6:
Nun zieht ihr eine horizontale „Hilfslinie“ quer über die Mikrowellenplatine. Sie muss deutlich links und rechts über den Platinenrand hinausgehen und exakt die gleiche Breite wie die 50-Ohm-Mikrostreifenleitung haben. Keine Sorge … nach den folgenden Aktionen wird diese Linie gelöscht! Dazu öffnet ihr das Zeichenwerkzeug-Menü, klickt auf die „Gerade Linie“ und anschließend auf den Buchstaben „o“ (für Optionen).
Nun gilt es, die Linienbreite auf 1.83 mm einzustellen, die Enden nicht abzurunden und die Stufe 16 (also Kupfer oben) auszuwählen.
Zusätzlich zeichnest du eine schmalere vertikale Hilfslinie (Breite etwas kleiner. Hier: 0.5 mm) als vertikale Symmetrieachse ein. So sieht es am Ende aus.
Schritt 7:
Nun platziert ihr zunächst den mittleren Kondensator C2 in der so markierten Mitte. Vergesst dabei bitte nicht, bei der Auswahl des Gehäuses „1206“ die Option „SMD oben montieren“ zu aktivieren und dreht das Bauteil anschließend mit der Taste „d“ um 90 Grad, bevor ihr es ablegt.
So sieht die Mitte der Mikrowellen-Leiterplatte unmittelbar vor dem Einsetzen des Kondensators aus.
Schritt 8:
Für beide Spulen wählen wir das SMD-Gehäuse 2220 und ordnen diese wie im nebenstehenden Bild an. Bitte aber vorher die Luftleitungen einblenden (= Ebene 27) und die Bauteile so drehen, dass die Luftleitungen korrekt zur Verdrahtung passen. Und nicht die Option „SMD oben bestücken …“
vergessen.
Schritt 9:
Nun geht es an den Anschluss der beiden äußeren Kondensatoren, die unterhalb der Spulenanschlüsse platziert sind.
Schritt 10:
Nun können wir unsere beiden „Hilfsleitungen“ löschen und drei Kabelstücke mit einer Breite von 1.83 mm als „Microstrip-Verkabelung“ vom linken zum rechten Rand ziehen.
Zuerst so …
dann so!
Schritt 11:
Jetzt geben wir jedem Kondensator ein schönes Feld mit 5 Durchkontaktierungen für seine Erdverbindung.
Erinnern Sie sich? Sie müssen den Cursor an die gewünschte Stelle bewegen und dann zweimal hintereinander den „Punkt“ auf der Tastatur drücken. Anschließend wird mit „ESCAPE“ der zusätzliche Verbindungsdraht durchtrennt.
(Gewählt wurde ein Bohrungsdurchmesser von 0.6 mm, eine Aura von 0.3 mm und ein Durchmesser von 1.5 mm).
Schritt 12:
Und weil das schon gut klappt, legen wir in der oberen Hälfte noch zwei kleine Teppiche zur Erdung der Spulenabschirmbecher aus.
Schritt 13:
Über die Zeichenwerkzeuge (= Button mit dem Stift) holen wir uns das „gefüllte Rechteck“ und drücken „o“ für die Optionen. Die Rechtecke müssen auf Ebene 16 (= Kupfer oben) liegen und sollten alle fünf Vias einer Masseverbindung vereinen.
Die Löcher in den Vias werden zum Glück automatisch vom Programm freigehalten – da müssen wir nichts weiter tun.
Schritt 14:
Das sollten Sie nie vergessen:
Auf der oberen Kupferseite (Ebene 16) muss eine entsprechende Beschriftung vorhanden sein, da sonst der Mikrowellen-Leiterplattenhersteller nicht weiß, was oben oder unten ist und wir ggf. eine „gespiegelte“ Platine geliefert bekommen.
Auch die Textoption finden wir hinter dem Button mit dem Stift.
Schritt 15:
Und um das Ganze abzurunden, gehen wir hinter den „Button mit dem Zauberstab“, um die Option „Massenflächenfüllung“ zu aktivieren.
Wir lösen die untere Seite (Ebene 2 = Kupfer unten) und wählen das Signal „GND“ aus.
Anschließend wird das Programm gestartet.
So sieht es aus.
Letzter Schritt:
Um die Oberseite der Platine zu bedrucken, wechseln wir nur zu den Ebenen 16 (= Kupfer oben), 23 (= Umriss) und 24
(= Bohrungen). Dann können wir uns genauer ansehen, wie die Mikrowellenplatine aussehen wird.
Qualifikations- und Leistungsspezifikationen von Mikrowellen-PCBs
IPC-6012, Qualifikations- und Leistungsspezifikation für starre Leiterplatten und IPC-6013, Qualifikations- und Leistungsspezifikation für flexible Leiterplatten.
Normalerweise versucht das IPC, diese drei Qualifikations- und Leistungsspezifikationen gleichzeitig zu aktualisieren. IPC-6018 wurde im Januar 2002 als Ausgabe „A“ veröffentlicht.
Mikrowellen-PCB-Material
Der Markt für Mikrowellentechnologie hat deutlich weniger Anwender als konventionelle Leiterplattentechnologien. Es gibt nur wenige Anbieter von PTFE, dem Teflonmaterial, das häufig für Mikrowellensubstrate verwendet wird. Dies steht im Gegensatz zu den vielen Unternehmen, die Drahtplatten auf Basis von FR-4-Laminaten herstellen. In der riesigen Elektronikindustrie relativiert sich der Begriff „kleine Stückzahl“ jedoch schnell, wenn es um den Materialeinsatz geht. Zahlreiche Mikrowellen-Leiterplatten sind mittlerweile im Einsatz.
Mikrowellen-PCB-Anwendung
„Diese Technologie wird heute in vielen kommerziellen Anwendungen wie Mobilfunkbasisstationen und Militärprodukten eingesetzt“, sagte Michael Luke, Vorsitzender des IPC D-22-Unterausschusses, der die Richtlinie IPC-6018 entwickelt hat.
Da die Geschwindigkeit von Halbleiterchips immer weiter zunimmt, werden Mikrowellentechnologien auch in anderen Bereichen benötigt.
Richtlinien zur Herstellung von Mikrowellen-Leiterplatten
Die Ergänzungen betreffen zahlreiche Änderungen hinsichtlich der Leiterplattensubstratmaterialien und der darauf befindlichen Leiterbahnen. Leiterbahnen im Mikrowellenbereich weisen deutlich andere Leistungsparameter auf als die auf herkömmlichen Leiterplatten. Viele Leiterbahnen einer typischen Mikrowellen-Leiterplatte können gemäß den IPC-Anforderungen für starre und flexible Leiterplatten ausgelegt werden. In Bereichen, in denen Hochgeschwindigkeits-Mikrowellensignale auftreten, gelten jedoch völlig andere Parameterwerte für Leiterbahnbreite, -dicke und -abstand. Daher ist es selbstverständlich, dass bei der Beschaffung von Mikrowellen-Leiterplatten andere Richtlinien anzuwenden sind.
Auch bei den Substraten gibt es Unterschiede. Im Gegensatz zu den FR-4-Substraten herkömmlicher Leiterplatten basieren die meisten Mikrowellen-Leiterplatten auf PTFE (Teflon). PTFE-Laminate weisen beim Laminieren einzelner Lagen eigene Eigenschaften auf. Die Dimensionsstabilität ist völlig unterschiedlich, d. h. Designer und Hersteller müssen dies beim Layout der Leiterplatten und der Positionierung von vergrabenen Löchern, Sacklöchern oder anderen Elementen, die gebohrt werden müssen, berücksichtigen.
Beim Bohren dieser Löcher können beim Formen der Lochwand Harzrückstände, sogenannte „Harzschmieren“, zurückbleiben. „Die Richtlinie IPC-6018B enthält spezielle Kriterien für die Entfernung von Harzrückständen (Harzschmieren), die die besonderen Eigenschaften von Hochfrequenz-Leiterplattenlaminaten berücksichtigen. Bei PTFE-Leiterplatten ist dies ein großes Problem“, so Perry.
Seit der Fertigstellung der Ausgabe A Anfang 2002 haben sich zahlreiche weitere Änderungen ergeben. So haben die Entwickler der Richtlinie in Abschnitt 3 [ANFORDERUNGEN] Referenzinformationen zu passiven Widerständen und Kondensatoren hinzugefügt. Die neue Version hat zudem die Anforderungen an Lötkantenbrüche verbessert, die entstehen können, wenn die Löcher nicht mittig in die Pads gebohrt werden. Auch das Thema thermische Belastung wurde überarbeitet, um den Fortschritten bei Konvektions-Reflow-Prozessen für thermische Belastungstests an geschliffenen Proben oder Proben von Produktionsleiterplatten Rechnung zu tragen.
