13.12.2016

Elektronik im Röntgenblick

Neues Verfahren charakterisiert zerstörungs­frei und berüh­rungs­los reale Leitungs­struk­turen.

Elektronische Geräte in der Industrie, dem Consumer-Bereich, der Logistik und der Mess- und Medizin­technik gene­rieren und verar­beiten immer größere Daten­mengen. Gleich­zeitig werden elek­trische Struk­turen und Platinen immer kleiner und kompakter, weisen also eine stetig steigende Inte­grations­dichte auf. Die zuneh­menden Daten­mengen und Band­breiten erfor­dern viel­fach die Imple­men­tierung von Multi-Giga­bit-Verbin­dungen zwischen Kompo­nenten in Systemen und den Systemen selbst, also zwischen Inter­faces und Netz­werken. Der Frequenz­bereich der über­tragenen Signale auf physi­ka­lischer Ebene solcher Multi-Giga­bit-Systeme liegt im ein- bis zwei­stel­ligen GHz-Bereich und steigt konti­nu­ierlich.

Abb.: 3D-CAD-Modellerzeugung von Leiter­bahnen und VIAs mit neuem Ver­fahren: von Bereichs­segmen­tierung (links) über Regel­geo­metrie­ein­passung (Mitte) bis zum 3D-CAD-Modell (rechts; Bild: Fh.-IPA).

Das führt für die Systemrealisierung dazu, dass Methoden und Mess­ver­fahren der Hoch­frequenz­technik für die Multi-Giga­bit-Verbin­dungen einge­setzt werden. Hier­für werden Streu­para­meter, kurz S-Para­meter, benö­tigt, die zur Charak­teri­sierung von elek­trischen Leitungs­struk­turen auf Basis von Trans­mission und Refle­xion von Wellen dienen. Sie beschreiben das Über­tragungs­ver­halten von Schaltungen und Bau­gruppen, zum Beispiel Dämpfung oder Ver­stärkung von Signalen, und ermög­lichen die getreue Abbil­dung des elektro­magne­tischen Ver­haltens realer Leitungs­struk­turen im Computer durch Simu­lation. Typischer­weise müssen diese Leitungs­struk­turen nach dem Stand der Technik mit spezi­ellen Mess­geräten wie einem vekto­riellen Netz­werk­analy­sator zum Teil außer­ordent­lich auf­wändig bestimmt werden, da diese durch manu­elles An­legen an erreich­bare Kontakte erfolgt.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Pro­duktions­technik und Auto­mati­sierung und der Uni Stutt­gart haben jetzt ein neu­artiges Ver­fahren zur berüh­rungs­losen und breit­bandigen Bestim­mung von elek­tri­schen Para­metern und insbe­sondere von S-Para­metern auf Basis der röntgen­basierten Computer­tomo­graphie ent­wickelt. Sein Grund­prinzip: Mit einer Soft­ware werden nach der Durch­strah­lung der Multi-Giga­bit-Verbin­dungs­struk­turen metal­lische Kompo­nenten von Di­elek­trika im 3D-Volumen­daten­satz der CT sepa­riert, auto­mati­siert geome­trisch er­fasst und klassi­fi­ziert.

Das Ziel dabei ist die Erstellung vollständiger 3D-Modelle aller vor­han­denen Leitungs­struk­turen. Im Unter­schied zu den CAD-Modellen, die zur Ferti­gung der Leitungs­struk­turen ver­wendet werden und die die idealen, nomi­nalen Geome­trie­werte ent­halten, handelt es sich bei den CT-basierten 3D-Modellen um die tat­säch­lichen geome­trischen Abmes­sungen der unter­suchten Objekte. Die CT-basierten 3D-Modelle bein­halten also die Abwei­chungen von der nomi­nalen Geome­trie nach der Ferti­gung. Diese 3D-Modelle werden im An­schluss als Ein­gangs­daten für die elektro­magne­tische Feld­simu­lation ver­wendet, um elek­trische Para­meter des Unter­suchungs­objekts zu ermit­teln. Da es sich bei der Her­stel­lung von Leiter­bahnen, gerade mit geringen Abständen und mehr­schich­tigen Struk­turen, um einen komplexen Prozess mit einigen schwer zu steuernden Herstel­lungs­schritten handelt, unter­scheiden sich reale und vorab model­lierte Struk­turen häufig stark vonein­ander. Der Ein­fluss dieser Abwei­chungen auf das spätere elek­trische Ver­halten des finalen Bau­teils ist unter Um­ständen sehr groß. Daher ist der Bedarf einer verbes­serten Analyse­methode enorm.

Durch die Nutzung der CT-Technologie können insbesondere auch unzu­gäng­liche Struk­turen inner­halb von Platinen wie Bond­drähte und Leitungen zwischen den Gehäuse­kontakten und dem Chip oder bereits mit Bau­teilen bestückte Multi­layer-Boards unter­sucht und deren S-Para­meter ermit­telt werden. Die zerstö­rungs­freie Charak­teri­sierung unzu­gäng­licher Struk­turen bringt im Ver­gleich zur elek­trischen Mess­technik große Vor­teile. Sie bietet die voll­stän­dige, zerstö­rungs­freie und berüh­rungs­lose Charak­teri­sierung von realen Leitungs­struk­turen. Außer­dem redu­ziert das CT-basierte Ver­fahren die Entwick­lungs­kosten um den Faktor 10 bis 100 oder mehr gegen­über der Nutzung eines konven­tio­nellen Mess­geräts. Das gilt insbe­sondere bei Problemen während der Gesamt­inte­gra­tion eines elek­tro­nischen Systems, da sich dabei die Fertig­stellung des Produkts und somit die Aus­lie­ferung beim Kunden ver­zögern kann.

Fh.-IPA / RK

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