Sind Lagenaufbau, Basismaterial und Kupferfolie einer HF-Leiterplatte festgelegt, wirken noch zwei Außenlagenschritte direkt auf die RF-Leiterbahnen: Lötstopplack und Endoberfläche. Eine Microstrip liegt halb im Dielektrikum, halb in Luft. Was über der Leitung liegt und womit ihre Oberfläche beschichtet ist, geht in Impedanz und Verlust ein. Auf einer Standardplatte geht es dabei um Lötbarkeit und Optik, auf einer HF-Platte um elektrische Parameter.
Zur Materialwahl siehe Materialauswahl für HF-Leiterplatten, zur Folienrauheit Kupferfolienrauheit und Einfügedämpfung. Hier geht es nur um Außenlagenabdeckung und Oberfläche.
Drei Zustände der Außenlage
| Zustand | Was sich ändert | Streuquelle in der Fertigung | Was die Zeichnung angeben muss |
|---|---|---|---|
| Lack über Microstrip | Zusätzliches Dielektrikum über der Leitung; effektives Dk steigt, Impedanz sinkt, dielektrischer Verlust steigt | Lackdicke auf und neben der Leitung unterschiedlich; schwankt von Los zu Los | Abgedeckt oder nicht; ob die Simulation den Lack enthält |
| Freistellung | Luft über der Leitung, nahe an der simulierten Microstrip | Registrierung Lack zu Kupfer an der Freistellungskante; blankes Kupfer braucht Oberfläche | Freistellungsbereich und Randabstand |
| Freistellung + Oberfläche | Die äußerste Leiterschicht wird ein anderes Metall, dort fließt der HF-Strom | Schichtdicke und Gleichmäßigkeit | Oberflächenart; ob zoniert |
Lack über der Leitung: ein ungeregeltes Dielektrikum
Lötstopplack ist kein HF-Material. Dk und Df sind meist nicht für HF-Frequenzen spezifiziert, und die Schichtdicke hat keine Toleranzklasse wie ein Laminat. Über einer Microstrip entsteht eine ungleich dicke Schicht: dünner auf der Leitung, dicker in den Tiefen zwischen Leitungen.
Die Impedanz liegt dann unter der Simulation der blanken Leitung, der Verlust darüber, und der Versatz wandert mit der Lackdicke von Los zu Los. Ist der Lack in der Simulation modelliert und der Coupon ebenfalls lackiert, bleibt die Impedanz beherrschbar. Simuliert man blank und lackiert die ganze Platte, zeigt sich die Abweichung bei der Abnahme.
Freistellung: Randabstand und Kupferschutz
Eine freigestellte RF-Leitung hat Luft über sich und liegt am nächsten am Modell. Die Fertigung muss zwei Dinge lösen:
- Freistellungskante: Lack- und Kupferbild haben einen Registrierversatz. Ohne Randabstand liegt die Lackkante auf der Leiterkante. Den Bereich in den Lötstoppdaten angeben, nicht nur „kein Lack auf RF-Leitungen“ notieren.
- Kupferschutz: Freigestelltes Kupfer oxidiert ohne Oberfläche. Die Oberfläche wird damit zur Außenhaut des RF-Leiters.
Endoberfläche: ein anderes Metall an der Leiteroberfläche
Je höher die Frequenz, desto stärker konzentriert sich der Strom in einer dünnen Oberflächenschicht. Genau dort liegt die Endoberfläche, deshalb wirkt sie auf freigestellten RF-Leitungen stärker als auf normalen Pads.
- ENIG (chemisch Nickel-Gold): Nickel leitet schlechter als Kupfer und ist ferromagnetisch. Strom durch die Nickelschicht erhöht den Verlust, stärker bei höherer Frequenz. Zur Schichtkontrolle siehe ENIG Nickel-Gold-Dicke und Black Pad.
- Chemisch Silber: gute Leitfähigkeit, geringer Einfluss auf den Leiterverlust; Silber läuft an, Verpackung, Lagerung und Bestückfenster sind kritischer.
- OSP: organischer Film, das Kupfer bleibt unverändert, geringster Verlusteinfluss; kürzere Lagerfähigkeit, begrenzte Reflow-Zyklen.
- Chemisch Zinn / HASL: HASL ist für feine RF-Strukturen nicht eben genug; chemisch Zinn hat Lagergrenzen.
- Hartgold: für Kontakt- und Steckflächen, normalerweise keine Ganzflächen-Oberfläche für RF-Leitungen.
Einen allgemeinen Vergleich bietet Leiterplattenoberflächen: Auswahl und Fertigungsrestriktionen. SKPCB bietet HASL, ENIG, OSP, chemisch Silber/Zinn und Hartgold. Zwei Oberflächen auf einer Platte (etwa OSP im RF-Bereich, ENIG auf Pads) bedeuten zusätzliche Prozessschritte und eine technische Prüfung im Angebot.
Der Impedanz-Coupon muss der RF-Leitung entsprechen
Der Außenlagenzustand des Coupons muss der echten RF-Leitung entsprechen: freigestellt, wenn die Leitung freigestellt ist, lackiert, wenn sie lackiert ist, gleiche Oberfläche. Sonst sagt ein bestandener Coupon nichts über die Leiterbahnen. Siehe Impedanz-Testcoupon-Verifikation. Die Standardtoleranz bei SKPCB ist ±10 %; ±5 % auf Anfrage nach technischer Prüfung, siehe Impedanzkontrollierte Leiterplatte.
Checkliste für die Zeichnung
- RF-Freistellungen als eigenen Bereich in den Lötstoppdaten markieren, mit Randabstand;
- Angeben, ob die Simulation den Lack enthält, und den Lackzustand des Coupons;
- Oberflächenart festlegen; bei Zonierung die Zonenlage liefern;
- Impedanzziel, Toleranz, Coupon-Position und Außenlagenzustand in einer Notiz;
- Falls eine Ersatzoberfläche denkbar ist: ob zulässig und wer freigibt.
Zusammenfassung
Auf einer HF-Leiterplatte sind Lötstopplack und Endoberfläche keine Optikoptionen, sondern Teil der RF-Leitung. Die Abdeckung bestimmt das Dielektrikum über der Leitung, die Oberfläche das Metall ihrer Außenhaut. Stehen beide samt Coupon-Zustand in der Zeichnung, lassen sich Impedanz und Verlust an der fertigen Platte prüfen. Material und Fähigkeiten finden Sie unter HF-Leiterplatte; Zeichnungen zur Prüfung über die Angebotsseite.
FAQ
F: Darf auf RF-Leitungen nie Lötstopplack liegen?
A: Doch. Auch lackierte Leitungen sind impedanzkontrollierbar, wenn die Simulation den Lack modelliert und der Coupon gleich ist. Weil Lackdicke und Dielektrik stärker streuen, werden verlust- oder phasenkritische Leitungen meist freigestellt.
F: Warum braucht die Freistellung eine Oberfläche?
A: Blankes Kupfer oxidiert, was Lötbarkeit und Langzeitstabilität beeinträchtigt. Die Oberfläche schützt es und wird zur Außenhaut des RF-Leiters.
F: Warum erhöht ENIG den HF-Verlust?
A: HF-Strom konzentriert sich an der Leiteroberfläche. Die Nickelschicht leitet schlechter als Kupfer und ist ferromagnetisch, Strom durch sie erhöht den Verlust.
F: Können RF-Bereich und Pads unterschiedliche Oberflächen haben?
A: Selektive Oberflächen sind möglich, erfordern aber zusätzliche Schritte und Registrierung. Zonenlage im Angebot zur technischen Prüfung einreichen.
F: Muss der Impedanz-Coupon freigestellt sein?
A: Er muss denselben Außenlagenzustand wie die RF-Leitung haben, Lack und Oberfläche, sonst ist das Ergebnis nicht repräsentativ.
F: Welche HF-Materialien verarbeitet SKPCB?
A: Rogers 4350B/4003C/3003, Arlon 85N und Taconic RF-35; siehe Produktseite HF-Leiterplatte.