Feinste Leiterbahnen

Schnelles Prototyping von Höchstfrequenz-Chips

6. Dezember 2010, 16:33 Uhr | Karin Zühlke
15 GHz-Treiberchip
Für diesen 15 GHz-Treiberchip hat das Fraunhofer IAF das optimale Leiterplattenlayout experimentell mit dem LPKF ProtoLaser S ermittelt. Abgebildet sind die Testplatine (links) und das kommerzielle Endprodukt.
© Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF setzt beim Prototyping von Höchstfrequenzchips auf die Laserstrukturierung mit dem ProtoLaser S von LPKF. Der ProtoLaser S ist das weltweit einzige Lasersystem zur Strukturierung von Leiterplatten.

Das Fraunhofer IAF entwickelt und forscht an Chips und Modulen für höchste Frequenzen bis in Bereiche von über 300 Gigahertz. Solche Komponenten können elektromagnetische Strahlungen im Mikrowellen-, Millimeterwellen- und sogar Submillimeterwellen-Bereich erzeugen oder mit höchster Empfindlichkeit detektieren. 

Um das optimale Design solcher HF-Chips experimentell zu ermitteln, setzt das Fraunhofer IAF den ProtoLaser S von LPKF Laser & Electronics ein. Das kompakte System kann innerhalb von wenigen Minuten unterschiedliche Prototypen strukturieren. »Weil die Eigenschaften eines Höchstfrequenz-Chips äußerst empfindlich auf die Einbausituation reagieren, ist es z. B. hinsichtlich der Platine für die Spannungsversorgung notwendig, das optimale Design anhand von fertig aufgebauten Modulen zu ermitteln«, erklärt Dipl. Ing. Michael Kuri, einer der Spezialisten am IAF für die Kombination der HF-Chips mit Trägersystemen. Und das sei heute unabdingbar, »denn für ein modern aufgestelltes, industrienahes Forschungsinstitut wie das Fraunhofer IAF reicht es nicht mehr aus, nur einzelne wissenschaftlich-technische »Rekordwerte« zu demonstrieren. Vielmehr müssen wir die Marktfähigkeit der Entwicklungen anhand von Demonstrationssystemen belegen.« Konkret bedeutet das, dass es nicht mehr genügt, die Funktionalität neuartiger Chips nur anhand von On-Wafer-Messungen zu demonstrieren. Die Chips müssen vereinzelt und in einem geeigneten Testaufbau mit allen notwendigen Spannungsversorgungen, dem thermischem Management, Anbindung an die Außenwelt, usw. charakterisiert werden. Erst in diesem Stadium kann man laut Kuri die tatsächliche Leistungsfähigkeit beurteilen. Dazu gehören auch Lebensdauer-Tests unter realistischen Einsatzbedingungen.

15 GHz-Treiberchip
Für diesen 15 GHz-Treiberchip hat das Fraunhofer IAF das optimale Leiterplattenlayout experimentell mit dem LPKF ProtoLaser S ermittelt. Abgebildet sind die Testplatine (links) und das kommerzielle Endprodukt.
© Fraunhofer IAF

Feinste Leiterbahnen präzise strukturiert

Der LPKF ProtoLaser S ist ein kompaktes, laborgeeignetes Lasersystem, das LPKF insbesondere für das Prototyping und für Kleinserien konzipiert hat. »Auf Rollen passt es durch jede Labortür und benötigt nur Druckluft, eine Absaugung und eine Stromversorgung«, erläutert die Britta Schulz, Geschäftsbereichsleiterin bei LPKF. Mit einem patentierten Verfahren kann der Laser laminierte Materialien – zum Beispiel FR4 – hochpräzise strukturieren.

Dabei umfährt der Laserstrahl 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«, so Schulz. »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.

Die Prototypen lassen sich nicht nur sehr präzise, sondern auch wesentlich schneller herstellen als mit herkömmlichen Verfahren, wie Kuri bestätigt: »Unserer Messungen zeigen, dass mit dem LPKF ProtoLaser S gefertigte Platinen extern angefertigten Prototypen in nichts nachstehen. Im Gegenteil: Durch das Inhouse-Prototyping können wir sogar mehrere Fertigungsschritte am Tag umsetzen und quasi »on Demand« fertigen.« Mit dem ProtoLaser S kann das IAF außerdem schneller auf Modifikationswünsche zu reagieren, wie Kuri am Beispiel einer Schlitzantenne für ein neuartiges Radarsystem erklärt: »Diese Antenne erfordert spezielle Geometrien: Es sind radienfreie Durchbrüche für ein exzellentes Abstrahlverhalten erforderlich. Mit bisherigen Methoden betrug die Bearbeitungsdauer etwa drei Tage – der ProtoLaser ist in zwei Minuten fertig.«


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