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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design

Design Leiterplattenstrukturierung für Höchstfrequenz-Chips Im elektromagnetischen Spektrum gibt es Potenzial für technologischen Fortschritt – und damit Forschungsbedarf. Das Fraunhofer- Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF setzt bei der Modulintegration von Höchstfrequenzchips auf die zuverlässige Laserstrukturierung mit den LPKF ProtoLaser-Systemen. Ein großer Teil des physikalischen Wissens gründet sich bis heute auf das Studium der Wechselwirkungen von Materie mit elektromagnetischen Wellen. Spektroskopie im infraroten Spektralbereich ist schon lange eine der wichtigsten physikalisch/chemischen Untersuchungsmethoden. Experimente mit sichtbarem Licht wurden schon vom Namensgeber der Forschungsorganisation Joseph von Fraunhofer um 1820 durchgeführt. Auch die Verwendung von Röntgen- und Gamma- Strahlung ist inzwischen technischer Alltag. Am anderen Ende des Spektrums, im Bereich der Radiowellen, hat sich die Kommunikations-Industrie fest etabliert. Es existiert aber immer noch ein Auch für Kleinserien: Der 4-Kanal-ZF-Verstärker für 94-GHz- Radarmodule wird mit dem LPKF ProtoLaser S produziert. (Foto: Fraunhofer) unerschlossener „Weißer Fleck“ auf der Landkarte des elektromagnetischen Spektrums, der oftmals auch als Tera-Hertz- Lücke bezeichnet wird. Es ist der Bereich zwischen den Mikrowellen und dem infraroten Spektralbereich. Hier stehen aufgrund der bis heute weitgehend ungelösten technischen Herausforderungen kaum geeignete Quellen und Detektoren für diese Strahlung zur Verfügung. Die Entwicklung von Chips und Modulen für höchste Frequenzen bis in Bereiche von über 300 Gigahertz ist daher ein wesentliches Forschungsfeld des Fraunhofer IAF. Derartige Komponenten, die elektromagnetische Strahlung im Mikrowellen-, Millimeterwellen- und sogar Submillimeterwellen-Bereich erzeugen oder mit höchster Empfindlichkeit detektieren, eröffnen völlig neue, faszinierende technische Möglichkeiten. Beispielsweise können hochempfindliche Radiometern (Mikrowellenempfängern) vom Boden aus den Temperatur- und Feuchteverlauf in der Atmosphäre kontinuierlich und mit höchster Präzision messen. Damit steht Klimaforschern und Meteorologen ein völlig neues Werkzeug zu Verfügung - kontinuierlich messende Bodenstationen statt Wetterballons. Auch bei den kontrovers diskutierten Körperscannern kommen Millimeterwellen-Schaltungen zum Einsatz. Weitere spannende Einsatzmöglichkeiten finden sich in der industriellen Messtechnik, Sicherheitstechnik, Astronomie, Umweltbeobachtung usw. Marktfähigkeit beweisen Für ein modern aufgestelltes, industrienahes Forschungsinstitut wie das Fraunhofer IAF reicht es heute nicht mehr aus, nur einzelne wissenschaftlich-technische Rekordwerte im Labor zu generieren. Es gilt vielmehr, die Marktfähigkeit der Entwicklungen anhand von Demonstrationssystemen zu belegen. Neuartige Chips müssen vereinzelt und in einem geeigneten Testaufbau mit allen notwendigen Spannungsversorgungen, thermischem Management, Anbindung an die Außenwelt, usw. charakterisiert werden. Erst in diesem Stadium lässt sich die tatsächliche Leistungsfähigkeit beurteilen. Dazu gehören auch Lebensdauer-Tests unter realistischen Einsatzbedingungen. Da Höchstfrequenz-Chips äußerst empfindlich auf die Einbausituation reagieren, ist es z. B. hinsichtlich der Platine für die Spannungsversorgung notwen- Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg ist ein führendes Forschungs- und Technologieinstitut auf dem Gebiet der mikro- und nanostrukturierten Verbindungshalbleiter und des Diamant. Es konzentriert sich auf die Erforschung und Entwicklung von mikround optoelektronischen Schaltungen, Modulen und Systemen mit Anwendungen in der Sicherheits- und Kommunikationstechnik sowie der Umwelt- und Medizintechnik. Das Institut wurde bereits 1957 gegründet. Heute forschen 265 Mitarbeiter mit einem jährlichen Etat von rund 33 Millionen Euro an aktuellen Themen mit hoher gesellschaftlicher Relevanz. Für diesen 15-GHz-Treiberchip wurde das optimale Leiterplattenlayout experimentell mit dem LPKF ProtoLaser S ermittelt. Abgebildet sind die Testplatine (links) und das kommerzielle Endprodukt. (Foto: Fraunhofer) 24 hf-praxis 7/2015

Design Laserstrukturierung auf höchstem Niveau: Die LPKF-ProtoLaser erzeugen reale Strukturen, die sehr genau mit geplanten Layouts übereinstimmen. dig, das optimale Design experimentell zu ermitteln. Die dafür benötigten Iterationsschritte nehmen bei externer Herstellung der Trägerplatinen erheblich viel Zeit in Anspruch. Das Fraunhofer IAF hat sich daher bereits 2012 zum Einsatz eines ProtoLaser S der LPKF Laser & Electronics AG entschlossen. Dieses Labor-Lasersystem kann in kürzester Zeit unterschiedliche Prototypen fertigen. So lässt sich das optimale Design anhand von fertig aufgebauten Modulen ermitteln. Der LPKF ProtoLaser S ist ein kompaktes, laborgeeignetes IR-Lasersystem, das insbesondere für das Prototyping und für Kleinserien konzipiert wurde. Auf Rollen passt es durch jede Labortür und benötigt nur Druckluft, eine Absaugung und eine Stromversorgung. Mit einem patentierten Verfahren kann der Laser laminierte Materialien – zum Beispiel FR4 – hochpräzise strukturieren. Dabei umfährt der Laser-strahl die Konturen der späteren Leiterstrukturen auf einem vollflächig beschichteten Material und erzeugt damit das Leitungsnetz. Für die Ansteuerung von Höchstfrequenzchips sind jedoch laminierte Substrate nur die zweite Wahl: Beschichtete Keramikträger bieten eine bessere mechanische und thermische Konstanz. Auf diesem Material spielt das Lasersystem seine ganze Präzision aus. Die leitende Schicht wird verdampft, so lassen sich Leiterbahnbreiten mit 50 µm und Leiterbahnabstände von 25 µm realisieren – bei exakten Geometrien und Konturverläufen. Erprobte Prozessparameter wandern in die integrierte Prozessbibliothek und stehen dort zum Abruf für spätere Aufgaben bereit. Zwei Minuten statt drei Tage Dipl. Ing. Michael Kuri, einer der Spezialisten am IAF für die Kombination der HF-Chips mit Trägersystemen, bestätigt den Produktivitätsgewinn: „Unserer Messungen zeigen, dass mit dem LPKF ProtoLaser S gefertigte Platinen extern angefertigten Prototypen in nichts nachstehen. Allerdings sind durch das Inhouse-Prototyping mehrere Iterationsschritte am Tag und Production on Demand möglich.“ Mit dem ProtoLaser S gelingt es dem IAF, schneller auf Modifikations-wünsche zu reagieren. Kuri nennt auch eine Schlitzantenne für ein neuartiges Radarsystem als Beispiel. Diese Antenne erfordert spezielle Geometrien: Quasi radienfreie Durchbrüche werden für ein exzellentes Abstrahlverhalten benötigt. Mit bisherigen Methoden betrug die Bearbeitungsdauer etwa drei Tage – der ProtoLaser ist in zwei Die LPKF ProtoLaser S (Infrarot) und U3 (UV) sind kompakt und passen durch jede Labortür. Minuten fertig. Der seit 2012 am IAF installierte ProtoLaser S hat mittlerweile einen noch leistungsfähigeren Nachfolger gefunden: der LPKF ProtoLaser U3 ist ein UV-Lasersystem mit einem noch feineren Fokus. Als UV-Laser kann die-ses System HF-Komponenten • HF-Steckverbinder ◦ N-Serie ◦ SMA-Serie ◦ BNC-Serie ◦ SMB-Serie ◦ TNC-Serie ◦ und andere ◦ UHF-Serie • HF-Adapter • HF-Kabel • HF-Kabelkonfektion • HF-Zubehör KCC Handelsgesellschaft mbH Storchenweg 8a • 21217 Seevetal Kontakt 040/769 154 - 0 www.kcc.de • info@kcc.de weitere Produktionsschritte durchführen – zum Beispiel die strukturierten Leiterplatten ohne mechanische Belastung aus einem größeren Nutzen trennen oder Löcher für Halterungen und Durchkontaktierungen schneiden. ◄ hf-praxis 7/2015 25

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel