Eine HF-Schaltung, die im Simulationstool perfekt aussieht, ist noch keine Leiterplatte, die im Feld auch so funktioniert. Zwischen dem digitalen Modell und dem realen Bauteil liegen Fertigungstoleranzen, Materialverhalten und physikalische Effekte, die bei hohen Frequenzen viel schneller ins Gewicht fallen als bei klassischen Leiterplatten. Wer eine HF-Schaltung entwickelt, stellt sich deshalb eine sehr konkrete Frage: Wie bringe ich meine simulierte Performance reproduzierbar und verlustarm in die Serie?
Genau an diesem Punkt setzt die Zusammenarbeit zwischen Entwickler und Leiterplattenhersteller an. Was dabei technisch wirklich zählt, zeigt Varioprint im Folgenden.
Simulation ist erst der Anfang
Viele Projekte starten mit einer Simulation, die von idealen Bedingungen ausgeht. Genau hier beginnt aber schon das eigentliche Problem. Fertigungstoleranzen unterscheiden sich deutlich je nach Herstellverfahren, ob subtraktiv gearbeitet wird oder additive Verfahren wie mSAP oder SAP zum Einsatz kommen. Diese Toleranzen müssen bekannt sein, bevor die Simulation überhaupt sinnvolle Ergebnisse liefern kann.
Der zuverlässige Weg von der Simulation zur Leiterplatte läuft deshalb in drei Schritten:
Zuerst werden die realistischen Fertigungstoleranzen des gewählten Herstellverfahrens besprochen und dokumentiert.
Danach fliessen diese Toleranzen in die Simulation ein, idealerweise als Betrachtung von Minimal- und Maximalwerten, damit das Design auch am Rand der Toleranz noch funktioniert.
Erst im dritten Schritt folgt die Wahl der Materialien, also Prepreg oder Core, Kupfer und Oberfläche, denn diese Materialwahl wirkt sich direkt auf die S-Parameter der Schaltung aus.
Nur wenn diese drei Schritte in dieser Reihenfolge durchlaufen werden, lässt sich die elektromagnetische Performance auch stabil in die Serienfertigung übertragen.
Das richtige Material gibt es nicht, nur das passende
Eine der häufigsten Fragen betrifft die Materialwahl. Braucht es PTFE, reicht ein Low-Loss-HF-Laminat oder genügt sogar ein optimiertes FR4-System? Die ehrliche Antwort lautet: Es gibt kein grundsätzlich richtiges oder falsches Material. Es gibt nur den Kompromiss, der für die jeweilige Anwendung am besten passt.
Deshalb lohnt es sich, die eigenen Anforderungen zuerst zu priorisieren. Welche Parameter müssen zwingend erreicht werden, und welche wären wünschenswert, aber nicht entscheidend? Die Muss-Parameter definieren die technische Mindestlösung. Die Kann-Parameter beeinflussen vor allem die Kosten. Und einige Punkte, etwa der Ausdehnungskoeffizient CTE oder die Verfügbarkeit, müssen ohnehin mit dem Hersteller abgeglichen werden, weil sie in der Fertigung eine eigene Rolle spielen.
Zu den wichtigsten Kriterien gehören unter anderem das Frequenzband, tolerierbare Verluste, der Temperaturbereich des Einsatzes, geforderte Tests, das Schrumpf- und Dehnverhalten, die Verarbeitbarkeit, das Feuchteverhalten sowie die Kombinierbarkeit mit Standard-FR4-Material. Wichtig dabei: Nicht das teuerste Material ist automatisch die beste Lösung. Entscheidend ist das Materialsystem, das für die konkrete Anwendung optimal passt.
Wie eng lässt sich eine Impedanz wirklich einhalten
Bei 50 Ohm, 90 Ohm, 100 Ohm oder kundenspezifischen Impedanzen gilt in der Praxis eine Toleranz von plus/minus 10 Prozent. Wie stark Kupferdicke, Ätzprozess, Dielektrikum, Leitergeometrie und Pressprozess das Ergebnis im Detail beeinflussen, hängt vom jeweiligen Design und Herstellverfahren ab. Mit gezielter Gegenkompensation lässt sich diese Toleranz einhalten und falls nötig auch weiter einengen.
Präzision, die man nicht sieht, aber misst
Bei Varioprint entstehen reproduzierbare HF-Eigenschaften nicht zufällig, sondern durch Präzision an mehreren Stellen im Fertigungsprozess gleichzeitig. Dazu gehören ein genaues Ätzverfahren, eine möglichst schichtdickenhomogene Metallisierung sowie ein hohes Aspect Ratio bei Vias. Ebenso wichtig sind eine genaue mechanische Bearbeitung, eine präzise Abweichungsmessung mit entsprechenden Kompensationsverfahren sowie hochauflösende Beschichtungs- und Belichtungsverfahren für Lötstopplack und Resist. Erst das Zusammenspiel dieser Faktoren macht eine HF-Leiterplatte in der Serie wirklich reproduzierbar.
Wenn aus Gigahertz Millimeterwellen werden
Bei Anwendungen im Bereich Radar, Sensorik, Telekommunikation, Aerospace oder anspruchsvoller Messtechnik bewegen sich Entwickler oft im Bereich von 24, 60 oder 77 bis 79 Gigahertz und darüber. Ab rund 30 Gigahertz kommen bereits erste spezifische Prozesse und Hilfsmaterialien zum Einsatz. Ab etwa 80 Gigahertz spielen zusätzliche Faktoren bei der Materialauswahl eine Rolle. Auch hier gilt: Die Muss- und Kann-Kriterien aus der Materialwahl sind der Massstab, um die passende Material- und Prozesskombination zu finden.
Kupfer, Rauheit und die feinen Verluste
Skin-Effekt und Kupferrauheit gehören zu den Faktoren, die HF-Verluste massgeblich beeinflussen. Die Frequenz bestimmt dabei, welche Metallschicht überhaupt verlustrelevant ist und welchen Anteil die einzelnen Komponenten am Gesamtverlust haben. Betrachtet man ohmsche, dielektrische und induktive Verluste getrennt voneinander, lässt sich für jede dieser Verlustarten die passende Gegenmassnahme in der Materialauswahl finden.
Wenn FR4 und Hochfrequenzmaterial aufeinandertreffen
Für hochfrequente Signallagen kommen meist HF-Materialien mit PTFE oder Keramik zum Einsatz. Je tiefer die Frequenz, desto eher lassen sich auch verlustarme FR4-Derivate verwenden, die sich unkomplizierter mit Standard-FR4-Material kombinieren lassen. In der Praxis sind Aufbauten meist Kern-Prepreg-Kombinationen oder Prepreg-Kupferfolien-Konstruktionen in sequenzieller Bauweise. Ein Spezialfall ist das Fusion-Bonding, bei dem PTFE-Kerne unter definiertem Druck und definierter Temperatur direkt miteinander verbunden werden.
Vias: kleine Bauteile mit grosser Wirkung
Für eine elektromagnetische Welle bedeutet ein Via immer einen Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Strukturen. Die Leiterbahn selbst ist eine planare Struktur, das Via dagegen eine quasi-koaxiale Struktur. Beide Strukturen müssen für sich optimiert werden, ebenso wie die beiden Übergänge zwischen ihnen. Aus diesem Grund werden im HF-Bereich häufig sogenannte Guard-Vias gesetzt, die das Via einer echten koaxialen Struktur annähern.
Es lohnt sich ausserdem zu wissen, dass nicht nur metallische Strukturen als Via funktionieren. Auch Hohlleiter können diese Funktion übernehmen, allerdings als sehr verlustarme Spezialvariante, die nur für ausgewählte Anwendungen infrage kommt.
Wenn die Geometrie stimmt, die Elektrik aber nicht
Auch eine Leiterplatte, die geometrisch exakt innerhalb der Spezifikation liegt, kann elektrisch trotzdem nicht optimal sein. Solche Abweichungen erzeugen Verluste, die im Gesamtsystem kompensiert werden müssen, etwa durch mehr Leistung des HF-Verstärkers. Im ungünstigeren Fall bringen sie die Balance des Gesamtsystems durcheinander, sodass die Schaltung ihre Funktion nicht mehr richtig erfüllt.
Wo in der Praxis am meisten Performance verloren geht
Hochfrequente Signale lassen sich grundsätzlich auf zwei Arten betrachten: digital oder analog. Bei der digitalen Betrachtung spricht man eher von Signalintegrität und beurteilt das Verhalten statistisch in der Zeitebene. Bei der analogen Betrachtung schaut man das Signal in der Frequenzebene an und beurteilt es anhand seiner S-Parameter als Resultat eines Vier-Tors. Diese Unterscheidung wird in der Praxis oft nicht klar genug gemacht.
Ein weiterer häufiger Schwachpunkt ist, dass die beschriebene Vorgehensweise von der Toleranzbetrachtung über die Simulation bis zur Materialwahl zu selten konsequent umgesetzt wird. So entstehen Designs, die später aufwendig korrigiert werden müssen, statt von Beginn an zuverlässig zu funktionieren.
Wie sich die HF-Eigenschaften einer Leiterplatte nachweisen lassen
Damit die elektrischen Eigenschaften einer gefertigten Leiterplatte nicht nur behauptet, sondern belegt werden können, setzt Varioprint verschiedene Coupons ein. Dazu gehören Impedanzcoupons, IST-Coupons, D-Coupons, A/B/C-Coupons, E-Coupons zur Prüfung der Isolation, Schliffe mit optischer Auswertung, Lötbarkeitscoupons, CAF-Coupons für elektrochemische Migration, Haftfestigkeitscoupons für Lötstopplacke sowie spezifische HF-Coupons für Messungen mit dem vektoriellen Netzwerkanalysator. Damit lassen sich Impedanzen, Metallisierungsqualität, Material- und Via-Qualität messtechnisch beurteilen und dokumentieren. Vertrauen entsteht so nicht durch ein Versprechen, sondern durch nachvollziehbare Messwerte.
Der entscheidende Punkt: früh zusammenarbeiten statt spät nachbessern
Die beste HF-Leiterplatte entsteht nicht dadurch, am Ende der Fertigung noch möglichst viel zu korrigieren. Sie entsteht dadurch, dass Entwickler und das Team von Varioprint von Beginn an zusammenarbeiten. Wenn die Rahmenbedingungen der Anwendung früh und klar kommuniziert werden und das Engineering von Anfang an einbezogen wird, lässt sich gemeinsam der beste Kompromiss zwischen HF-Performance, Miniaturisierung, Wärmemanagement, Zuverlässigkeit und Kosten finden. Genau dieses frühe Co-Engineering macht am Ende den Unterschied zwischen einer Leiterplatte, die auf dem Papier gut aussieht, und einer, die in der Serie zuverlässig funktioniert.
