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Entwickeln, Messen und Fertigen Elektronikfertigung Die Mischung macht’s Ausdehnungsarme Leiterplatten verbessern Prozesssicherheit Mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoffen lassen sich ausdehnungsarme polymere Basismaterialien herstellen, die sich sehr gut für Hochfrequenz-Anwendungen eignen. Das hat der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth in einer Kooperation mit der TU Hamburg-Harburg unter Beweis gestellt. In enger Zusammenarbeit mit Heger Leiterplatten-Schnellservice wurden nun Multilayer mit sechs Lagen in dieser Technologie realisiert. Bild: Willi Grigat - Fotolia 52 <strong>elektronikJOURNAL</strong> 11 / 2010 www.elektronikjournal.com
Wie lassen sich niedrige Leiterbahn-Impedanzen für Hochfrequenzschaltungen möglichst leichtgewichtig und kostengünstig erstellen? Für Katja Ranocha, Geschäft sführerin von Heger Leiterplatten-Schnellservice in Norderstedt bei Hamburg sind modifi zierte Hochtemperaturthermoplaste die erste Wahl: „Diese Substrate zeichnen sich durch geringe thermische Ausdehnungskoeffi zienten aus und kosten deutlich weniger als vergleichbare HF-Substrate.“ Überdies benötigen sie keine Flammschutzmittel, sind voll recyclingfähig und deshalb RoHS-konform, und: „Sie lassen sich nachträglich dreidimensional verformen, selbst nach der Bestückung, was besonders in der Luft - und Raumfahrtechnik interessant ist, wo Platz eine bedeutende Rolle spielt.“ Katja Ranocha verweist auf die jüngsten Erfolge des Lehrstuhls für Polymere Werkstoff e an der Universität Bayreuth in Kooperation mit der TU Hamburg-Harburg. Die Werkstoffmischung macht’s Der Fokus liegt dabei insbesondere auf den amorphen Th ermoplasten Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES) und den teilkristallinen Werkstoff en Polyphenylensulfi d (PPS) und Polyetheretherketon (PEEK), weiß der wissenschaft liche Mitarbeiter Th omas Apeldorn zu berichten. Einzig: Um einen thermischen Ausdehnungskoeffi zienten (CTE) in allen Richtungen (x, y, z) von unter 25 Parts per Million pro Kelvin zu erreichen, müssen diese Th ermoplaste mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoff en versehen werden. „Wir haben lange an der Materialrezeptur gefeilt, bis wir die richtige Mischung gefunden haben“, erklärt der Fachmann. Die eingesetzten mineralischen Füllstoff e verfügen mit zirka null bis drei Parts per Million pro Kelvin über einen sehr geringen CTE und über recht niedrige dielektrische Verlustfaktoren. Zum Anderen sind diese Werkstoff e leicht zu handhaben. So sorgt beispielsweise die Zugabe von plättchenförmigen Mineralien für eine deutliche Senkung des CTE in der x-/y-Ebene. Und nicht nur das: „Durch die Einarbeitung von hohen Anteilen der mineralischen Füllstoff e ist es möglich, die Wasseraufnahme im gesättigten Zustand zu halbieren“, erläutert der Experte mit Blick auf die dielektrischen Verluste. Ganz nebenbei ergibt sich noch ein weiterer Vorteil: Mit den mineralischen Füllstoffen reduzieren sich die aus einer zu hohen Wasseraufnahme resultierenden Delaminierungserscheinungen während des Lötprozesses. Die Herstellung dieser ausdehnungsarmen Substrate ist relativ einfach, erläutert Apeldorn: „Mit einem Extruder versehen wir die Hochtemperaturthermoplaste mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoff en.“ Das Herstellungsverfahren erfolgt „in einem Schritt zu endlos langen dünnen Folien mit Dicken von 0,2 bis 0,5 Leiterplattenprototyp im Test, die Eigenschaften des Substrates mit geringer Wasseraufnahme und geringem Verzug bei Hitze bringen großen Nutzen. Bild: Heger Leiterplatten-Schnellservice Millimeter.“ Zudem besteht die Möglichkeit, Substrate von einem bis vier Millimeter mit einem Spritzgusscompounder herzustellen. Die maximale Substratbreite beträgt derzeit 220 Millimeter. So ist die Materialaufb ereitung und Substratherstellung in einem Schritt möglich: „Die Einsparung von Verarbeitungsschritten ermöglicht eine materialschonende und kostensparende Substratherstellung“, resümiert er. Bedingt durch die hochgefüllte Struktur ist kaum mit Verwölbung oder Verzug der Platine zu rechnen. „Das Material weist dabei eine sehr glatte Oberfl äche auf “, bestätigt Ranocha. Prototypen hergestellt Erste hybride Multilayer wurden bereits auf Basis des so genannten Lu-Vo-Boardes aufgebaut. Dabei handelt es sich um einen hoch gefüllten Hochtemperaturthermoplasten, basierend auf PEI. Das Lu- Vo-Board weist einen nahezu isotropen CTE auf. Die Substrate wurden mit Dicken von 0,2 Millimeter und Breiten von 180 Millimeter über die Folienextrusion hergestellt. Danach beidseitig über Heizpressen mit Kupferfolie verpresst, und zwar ohne Kleber. Wichtig für die Langzeitbeständigkeit der Platine ist eine ausreichende Haft festigkeit zur Kupferfolie, die Apeldorf mit 0,8 Newton pro Millimeter beziff ert. „Damit ist das Substrat mit dem häufi g eingesetzten HF-Material RO4350b vergleichbar“, merkt er an. In den Innenlagen des ersten Multilayers liegt ein FR4-Kern, der über dünne FR4-Prepregs mit den in den Außenlagen befi ndlichen zwei Lu- Vo-Board-Kernen verklebt wurde. Mit einer Enddicke von nur 0,6 bis 0,8 Millimeter weist es sechs Lagen auf, mit Leiterbahnstrukturen und -abständen von 100 Mikrometern sowie 0,2 Millimeter durchmessende Bohrungen und Durchkontaktierungen. Die Impedanztoleranzen liegen bei üblichen ±10 Prozent. Gemessen bei einem Gigahertz betrugen die dielektrische Konstante 3,5 und der dielektrische Verlustfaktor 0,0021. Das Board verträgt Dauereinsatztemperaturen von +170 bis +250 Grad Celsius. Das Ergebnis der Tests stimmt zuversichtlich: Künft ige Multilayer sollen sich für Applikationen von bis zu 60 Gigahertz eignen. (uns) ■ Erstellt nach Unterlagen der Firma Heger in Norderstedt bei Hamburg. Auf einen Blick Entwickeln, Messen und Fertigen Elektronikfertigung ” Kräftiger Vorsprung vor dem Wettbewerb dank des neuen Leiterplattensubstrats: Katja Ranocha von Heger Leiterplatten-Schnellservice in Norderstedt bei Hamburg. Wasserabweisend Hochtemperaturthermoplaste mit geringem Wärmeausdehnungskoeffi zienten erleichtern die Verarbeitung von elektronischen Baugruppen in der Bestückung und beim Lötvorgang: Je besser die Werte der Leiterplatte, desto geringer die Gefahr von Fehlbestückungen aufgrund von Verzug. Die Technologie eignet sich besonders für Hochfrequenzschaltungen mit niedrigen Leiterbahn-Impedanzen, die leichtgewichtig und kostengünstig sein sollen. Zudem nehmen die Leiterpatten durch die Füllstoffe deutlich weniger Wasser auf als konventionelle Leiterplattenmaterialien. infoDIREKT www.elektronikjournal.com 210ejl1110 Vorteil Neue Technologie mit besonderen Eigenschaften für Multilayer-Leiterplatten. www.elektronikjournal.com <strong>elektronikJOURNAL</strong> 11 / 2010 53
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