Steigende Taktraten und hohe Betriebsfrequenzen in der Kommunikationselektronik erfordern neue Prüftechnologien. Diese Ansprüche gelten nicht nur dem Endprodukt, sondern auch für die Einzelkomponenten und stellen neue Anforderungen an die Leiterplatten.
Rohde & Schwarz, Teisnach
Die Leiterplatte mutiert in verschiedensten Applikationen vom Schaltungsträger zum Funktionsbaustein. Wellenwiderstandskontrollierte Leiterbahnen mit hohem Anspruch auf die Signalintegrität können bis dato nur sehr bedingt auf ihre Güte bestimmt werden.
Dies gilt auch für Hochfrequenz-Strukturen wie Filter, Koppler, Transformatoren usw.
Um den gehobenen Anforderungen im Leiterplattentest gerecht zu werden, wurde bei Rohde & Schwarz, Werk Teisnach ein Testsystem zur Leiterplatten-Qualifizierung bis 40 GHz aufgebaut.
Leistungsfähigkeit und Grenzen üblicher Verfahren
Mitgefertigte Testcoupons am Nutzenrand werden stellvertretend zur Bewertung der elektrischen Eigenschaften der auf dem Nutzen befindlichen Leiterplatten herangezogen.
Eine explizite Qualifizierung der einzelnen Strukturen ist nicht möglich. Ferner kann nur ab mehreren Zentimetern Leitungslänge mittels Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry – TDR) der Wellenwiderstand bestimmt werden. Aufgrund der nicht idealen Eigenschaften des eingespeisten Signals ergeben sich bei kurzen Anstiegszeiten unerwünschte Überschwinger, die eine örtliche Bestimmung der Störstellen begrenzen. Ebenso schränken Mehrfachreflektionen und parasitäre Adaptereinflüsse eine reale Bestimmung der Hochfrequenzcharakteristik weiter ein.
Beurteilung im Frequenzbereich
Die Messung im Frequenzbereich mit einem Netzwerkanalysator weist gegenüber der Zeitbereichsreflektometrie eine Reihe von Vorteilen auf:
- Die eigentliche Messung erfolgt mit Sinussignalen, die technisch weitaus idealer darzustellen sind als ein Sprungsignal.
- Die Darstellung im Zeitbereich kann für nahezu jedes äquivalente Anregungssignal erfolgen. Die kürzestmögliche äquivalente Anstiegszeit hängt dabei von der maximalen Messfrequenz ab.
- Die Messung erfolgt schmalbandig, so dass ein Fehler durch Rauschen um ein Vielfaches geringer ausfällt.
- Diverse Kalibrierverfahren aus der Systemanalyse führen zu weit geringeren systematischen Fehlern als diese bei Zeitbereichsmessung selbst nach Normalisierung erzielbar sind.
- S-Parameter können bis in den zweistelligen Gigahertz-Bereich ermittelt werden.
Reproduzierbare Messergebnisse ohne Adaptereinflüsse
Diskrete und systematische Qualifizierung und Validierung ist ein entscheidender Entwicklungsbonus bei immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen und steigendem Kostendruck.
Netzwerkanalyse im Entwicklungslabor
Zunehmende Komplexität und die hohe Integrationsdichte auf dem Schaltungsträger erfordern systematische Entwicklungsprozeduren. Kompatibel zu den Teststrategien in der Halbleitertechnologie (Chiptest) müssen auch die Schaltungsträger die geforderte Hochfrequenzfunktionalität sicherstellen.
So wie Siliziumscheiben (Wafer) im Front-End-Bereich mittels spezieller Prüfnadeln (Probes) auf Hochfrequenzfunktionalität qualifiziert werden, ergeben sich auch erhöhte Anforderungen an Leiterplatten mit hohen Taktraten oder Hochfrequenzanwendungen. Die ermittelten Messdaten, „S-Parameter“, sind die Grundlage für eine funktionale Bewertung des Prüflings. Diese am Prototypen gemessenen Daten können direkt als Ist-Werte effektiv in die Entwicklung miteingebunden werden. Das heißt, bei einer Abweichung der geforderten Zielwerte wird für die anschließende Modifikation mit reproduzierbaren und hochgenauen Prüflingsdaten entwickelt, frei von parasitären Adaptereinflüssen. Eine Evaluierung der verwendeten Entwicklungs- und Simulationswerkzeuge auf Realitätsanspruch ist ein weiterer Aspekt.
Transmissions- und Reflektionsdämpfung, Signallaufzeit, Übersprechverhalten sowie die Phaseninformation stellt der Netzwerkanalysator dar.
Der Zugriff auf die Rohdaten erlaubt dem Entwickler, statistische Erkenntnisse zu visualisieren oder aber auch die Konvertierung in verschiedenste Datenformate.
Das Analyseprogramm „TraLinQS“ erfüllt mehrere Ansprüche zugleich. Zum einen entspricht es Entwicklern von klassischen Hochfrequenzschaltungen, zum anderen können Leitungsparameter für High-Speed-Datenübertragungen in den zu untersuchenden Merkmalen dargestellt werden.
Parameterextraktion für die Entwicklung
Ermittlung von Leitungsparametern und quantitative Charakterisierung von Störstellen sowie Leitungsanalyse mit geometrischer Zuordnung.
Ein Anstieg der Profillinie aufgrund von Leitungsdämpfungen stellt das Wellenwiderstandsprofil dar. Dieser Effekt kann bei verlustbehafteten (sehr schmalen oder sehr langen) Leitungen einen zu hohen Wellenwiderstand vortäuschen.
Durch Anwendung der „Theorie verlustbehafteter Leitungen“ werden in der Auswerte-Software „TraLinQS“ aus den gemessenen Frequenzbereichsdaten der reale Wellenwiderstand und optional auch Leitungsparameter wie Laufzeit- und Dämpfungsbelag, getrennt nach Leitungsdämpfung (Skineffekt) und dielektrischer Dämpfung (Verlusttangens) ermittelt.
Signalintegrität und Übersprecheigenschaften
Der Einfluss einer Leitung auf ein Pulssignal (Stimulusantwort) wird in Bild 5 dargestellt. Dauer, Anstiegszeit und Pegel des anregenden Signals sind in weiten Grenzen frei wählbar. Durch diese Darstellung wird gleichzeitig die signalformabhängige Laufzeit verlustbehafteter Leitungen exakt erfasst.
Auf ähnliche Weise können auch Übersprecheigenschaften benachbarter Leitungen, sowie Augendiagramme bestimmt werden. Ferner können Mehrfachreflektionen bei Systemantwortdarstellung eliminiert werden.
Kostenreduzierung in der Produktion
Hochkomprimierte und kostbare Bausteine fordern einen funktionierenden Schaltungsträger zur Kostenreduktion über die gesamte Wertschöpfungskette. Vor allem High-End-Produkte unterliegen einem Kostendruck hinsichtlich der Bausteinbeschaffung und die immer kürzeren Durchlaufzeiten erfordern eine gesicherte Prozessbeherrschung. Es gilt, den Schaltungsträger vor der Bestückung mit den Bauelementen nach material- und funktionsspezifischen Fehlern zu untersuchen und für den Fall, dass der Schaltungsträger fehlerbehaftet ist, diesen aus der Produktionskette herauszunehmen.
In der Kommunikationsbranche und in der Digitaltechnik ist der Datentransfer auf Leiterbahnen, beispielsweise bei Backplanes usw. im zweistelligen Gigahertz-Bereich angekommen. Um diesem hohen Anspruch an den Schaltungsträger gerecht zu werden, ist ein fundiertes Fachwissen in der Entwicklung und im Layout der Leiterplatten erforderlich. Neue Leiterplattenbasismaterialien tragen den erhöhten Anforderungen in Bezug auf Hochfrequenzübertragung Rechnung. Diesen Qualitätsanspruch gilt es sicherzustellen.
Eine Vielzahl von Negativ-Einflüssen können die Hochfrequenzeigenschaften der Leiterplatte beeinträchtigen. Beginnend bei den frequenzabhängigen dielektrischen Eigenschaften des Basismaterials bis hin zu den Fertigungsprozessen in der Leiterplattenfertigung (belichten, ätzen, verpressen usw.) kann ein Fehler den Totalausfall der Baugruppe zur Folge haben. Funktionstests bei Betriebsfrequenzen und realen Anforderungen stellen eine fundamentale Bedeutung dar.
Reproduzierbare und hochgenaue Messergebnisse ermöglichen eine Normierung von Parametern wie beispielsweise Dielektrizitätszahl Epsilon r. Chemische und mechanische Prozesse können in Relation zur Funktionalität einer Kausalitätsbetrachtung unterzogen werden.
electronica, Stand A1.307
EPP 483
Der Elektronikkonzern Rohde & Schwarz ist ein führender Lösungsanbieter in den Arbeitsgebieten Messtechnik, Rundfunk, Funküberwachung und -ortung sowie einsatzkritische Funkkommunikation. Vor mehr als 70 Jahren gegründet ist das selbstständige Unternehmen mit seinen Dienstleistungen und einem engmaschigen Servicenetz in über 70 Ländern der Welt präsent. Rund 6 400 Mitarbeiter erwirtschafteten im letzten Geschäftsjahr einen Umsatz von 1,1 Milliarden Euro. Der Firmensitz ist in Deutschland (München).
Das Rohde & Schwarz-Werk Teisnach ist Systemlieferant für mechanische und elektrische Komponenten. Das Werk ist spezialisiert Fertigungsdienstleistungen von kompletten Baugruppen, Geräten und Testapplikationen.
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