Memory-Meister - elektronikJOURNAL

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.
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Vorteil Neue Technologie mit besonderen Eigenschaften für Multilayer-Leiterplatten.
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 11 / 2010 53