EPP 10.2023

» BAUGRUPPENFERTIGUNG

» BAUGRUPPENFERTIGUNG Hochleistungs-Hochfrequenzsysteme in Standard-Leiterplattentechnik Realisierung durch clevere Signalleitung Der Leiterplatten-Spezialist Becker & Müller stellt als Resultat eines BMWKgeförderten Gemeinschaftsprojekts mit der TU Berlin eine Technik vor, die es erlaubt, gesamte Hochfrequenzsysteme bei geringen Signalverlusten äußerst kostengünstig zu fertigen. Dafür werden miniaturisierte Hohlleiterstrukturen in konventioneller Leiterplattentechnik gefertigt. Auf Grundlage dieses Konzepts konnten verlustarme Strukturen ≤140 GHz aufgebaut und vermessen werden, wobei das Systemkonzept wesentlich höhere Frequenzen ermöglicht. Neben einfachen Punkt-zu-Punkt- Leitungen wurden Verzweigungen mit einstellbaren Teilungsverhältnis, Filterstrukturen und Antennen zur Abstrahlung entlang der Oberfläche der Leiterplatte und senkrecht dazu entwickelt. Alle Leitungsteile sind so konzipiert, dass sich ein Anwender sein Zielsystem frei aus den einzelnen Blöcken auf der Leiterplatte konfigurieren kann. Damit unterstreicht der Leiterplatten-Spezialist seinen Ruf als Hersteller und Partner für anspruchsvolle Leiterplatten-Lösungen abseits der Massenware. Immer höhere Frequenzen als Anspruch Aktuelle und zukünftige Kommunikationssysteme wie 5G, 6G und Radar-Sensorik arbeiten bei immer höheren Frequenzen, um die daraus resultierenden Vorteile KURZ & BÜNDIG Als Resultat eines BMWK-geförderten Gemeinschaftsprojekts wurde eine Technik realisiert, die es erlaubt, gesamte Hochfrequenzsysteme bei geringen Signalverlusten äußerst kostengünstig zu fertigen. Bild: Becker&Müller bei der Datenrate bzw. Messgenauigkeit nutzen zu können. Die Verfügbarkeit entsprechender hochfrequenter Sende- und Empfangschips ist aber nur eine Seite der Medaille. Die elektronischen Einzelkomponenten müssen schließlich zu einem Gesamtsystem zusammengefügt werden. Hier gerät die etablierte Leiterplattentechnik als bisheriger Favorit im Hinblick auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis in Bedrängnis: „Durch den sog. Skin-Effekt werden die hohen Frequenzanteile vornehmlich an der Oberfläche der Leiterzüge geleitet“, erklärt Janik Becker, Geschäftsführer der Becker & Müller Schaltungsdruck GmbH. „Dort sehen die Signale aber viel von dem Leiterplattenmaterial, das signifikant Leistung absorbiert. Auch der Einsatz teurerer Hochfrequenz-Leiterplattenwerkstoffe und ein elektromagneti- Schema der Herstellung der Hohlleiterstrukturen. Als erstes wird eine PCB wie gewöhnlich mit allen benötigten Innenlagen hergestellt. Im nächsten Schritt wird die Hohlleiterstruktur in das PCB-Material gefräst. Die Wände der so erzeugten Vertiefungen werden dann galvanisch mit Cu beschichtet (ca. 30 µm). Um den Hohlleiter zu schließen, wird ein passend geschnittenes 70-µm-Kupfer-Deckblech, hier lasergeschnitten, an den Rändern der Gräben angelötet. Diese Bestückung mit den Blechen kann beispielsweise im Schritt der SMD-Bestückung mit erfolgen. sches Design mit Abschirmungsleitern helfen nur bedingt, die basismaterialbedingte Signalabsorption zu begrenzen. Damit ist die bisherige Leiterplattentechnik nur bis ca. 60 GHz sinnvoll nutzbar.“ Wie kann diese Limitierung nun aufgelöst werden? Diese Frage stand im Mittelpunkt eines mit Bundesmitteln geförderten Gemeinschaftsprojekts namens „Terahertz-PCB: Entwicklung von Designrichtlinien und Fertigungsprozessen zur Integration von Terahertz-Systemen in Standard- Leiterplatten“. Projektpartner waren zum einen die Technische Universität Berlin, zum anderen der Leiterplatten-Experte. Als Kernprämissen des Projekts stand die Nutzung bereits in der Leiterplattenfertigung vorhandener Produktionsmaschinen in Verbindung mit der Suche nach einer kostenoptimierten Lösung. 32 EPP » 10 | 2023

Performance eines Hohlleiters aus gemeinsamem Forschungsprojekt mit Becker&Müller und der TU-Berlin „Die Grundidee des Lösungskonzepts war, durch Fräsprozesse Hohlleiter in den Leiterplatten zu erzeugen, die Hohlleiter galvanisch zu metallisieren und die Struktur mit einem Metallplättchen, z.B. im Zuge der SMD-Bestückung, zu verschließen“, erläutert Janik Becker. „So bildet sich ein geschlossener Hohlleiter, wobei das im Inneren geführte Signal gar nicht mehr mit dem Leiterplattenmaterial wechselwirkt, das ist ja jenseits der Metall-Barriere. Das bedeutet, dass wir hier das vergleichsweise günstigste FR4-Material verwenden können – auch für sehr hohe Frequenzen weit jenseits der 100 GHz.“ Weiterhin bietet diese Technik die Möglichkeit, Antennen direkt zu integrieren: Einmal als trichterförmige Erweiterungen des Hohlleiters im Sinne einer Hornantenne am Leiterplattenrand für die seitliche Abstrahlung, zum anderen als Schlitzantenne durch Aussparungen im Deckelplättchen zur Abstrahlung senkrecht bzw. in einem durch den Schlitzabstand definierten Winkel zur Leiterplattenoberfläche. Ergänzt wird der so entwickelte Systembaukasten durch Hohlleiterstrukturen, die das Signal in einem defi- Bild: Becker&Müller nierten Leistungsverhältnis auf verschiedene Kanäle aufsplitten, Filterstrukturen, Kopplungspunkte zu klassischen Leiterzügen auf der Leiterplattenoberfläche und gebogene Leiterzüge. „Diese Elemente wurden baukastenartig für das Leiterplattendesign aufbereitet, so dass der Kunde sein Hochfrequenzsystem einfach per Drag&Drop zusammenstellen und fertigen lassen kann – ein enormer Mehrgewinn an Einfachheit, Komfort und Indivi- Besuchen Sie uns in München: productronica 2023 Stand A2.377 EPP » 10 | 2023 33