AP171
Leiterbahnen mit
Nickel/Gold-Oberfläche
Einige unserer Kunden haben uns kürzlich kontaktiert, da der Impedanzverlauf einiger Leiterbahnen höhere Verluste als erwartet aufwies. Dies zeigt sich in Form eines ansteigenden Impedanzverlaufes über dem Testbereich. Obwohl ein leichter Impedanzanstieg bei geringen Leiterbreiten durchaus normal ist, zeigten diese Leiterbahnen einen wesentlich stärkeren Anstieg (und damit einen höheren Verlust) als erwartet. Dieser Effekt war so deutlich sichtbar, dass wir beschlossen, weitere Untersuchungen anzustellen. Wir stellten fest, dass die gesamte Leiterbahn mit einer Nickeloberfläche versehen war. Obwohl Nickel für kleinere Pads durchaus eine akzeptable Oberfläche darstellt, ist es nicht empfehlenswert, ganze Leiterbahnen mit einer Nickel-Oberfläche zu versehen. Diese Applikationsschrift erklärt den Einfluss einer Nickeloberfläche auf das Hochfrequenzverhalten von Übertragungsleitungen.
Bauteile werden üblicherweise gelötet oder mit Draht-Bonding mit der Leiterbahn verbunden. Die gewählten Prozesse hängen von der Bandbreite und der Betriebsfrequenz sowie von der Bestückungsmethode ab. Verzinnte Leiterbahnoberfläche galten lange Zeit als gebräuchlich, da sie für einen Standard-Reflowprozess unproblematisch sind. Der Trend zu bleifreien Prozessen bedeutet auch eine Abkehr von konventionellen Leiterbahnoberflächen und die Industrie erprobt mehrere mögliche Alternativen.
Die Goldoberfläche ist eine weitere gebräuchliche Oberfläche. Kupfer und Gold tendieren jedoch zu gegenseitiger Diffundierung (wobei das Kupfer rascher diffundiert). Dieser Prozess wird durch eine höhere Temperatur noch beschleunigt. Eine Kupferoberfläche oxidiert und führt zu einem erhöhten Kontaktwiderstand. (Kupfer welches in Gold migriert, kann zu Korrosion des Goldes führen).
Dieser Effekt kann minimiert werden indem eine zusätzliche Barriere als Trennschicht zwischen Kupfer und Gold aufgebracht wird. Dafür wird üblicherweise Nickel verwendet, da es die Migration des Goldes in das Kupfer verhindert (die Nickelbarriere schließt die Poren des Kupfers).
Die Nickel-Schutzbeschichtung bietet mehrere Vorteile. Sie dient als Verstärkung für die Goldoberfläche und als Diffusionsbarriere zwischen Gold und Kupfer. Die Nickel/Goldoberfläche ist hitze- und korrosionsbeständig, umweltfreundlich, lötbar und dauerhaft (die Nickel-Schicht erhöht die Abriebfestigkeit des Goldes), jedoch zu einem höheren Preis als konventionelle Oberflächen.
Häufig wurde eine Nickel/Gold für Tastaturkontakte oder Leiterplatten-Steckverbinder für eine leitfähige, korrosionsbeständige Oberfläche verwendet. Dies bietet zwar gute Lötbarkeit, jedoch führt der Nickelanteil zu höheren Verlusten aufgrund des Skineffektes.
Der Skineffekt
Der Skineffekt beschreibt ein Phänomen, wodurch das elektromagnetische Feld (und damit der Stromfluss) mit der Tiefe in einem Leiter stark abnimmt.
Das obige Diagramm zeigt die Amplitude des Magnetfeldes über der Tiefe (z) in einem Leiter sowie die Amplitudenänderung des Magnetfeldes Hy in z-Richtung, wobei H0 die Amplitude an der Leiteroberfläche ist. Als Folge des Ampere´schen Gesetzes in einem Leiter entsteht durch das Magnetfeld Hy ein Stromfluss. Dieser Stromfluss verläuft perpentikular zu Hy und weist eine Stromdichte Jx auf (wobei J0 die Stromdichte an der Oberfläche ist). Die Amplitude des Stromes ändert sich ähnlich wie Hy. Der Abstand d ist der Wert von z bei welchem |Jx| = J0/e. Dies ist auch der gleiche Wert, bei welchem die rechteckige Fläche dJ0 im Diagramm gleiche der Fläche unter der Exponentialkurve ist. d wird auch Skin-Tiefe genannt.
Dies bedeutet, dass bei hohen Frequenzen der meiste Strom an der Oberfläche des Leiters fließt. (in einer sehr dünnen "Haut" der Leiters — daher der Name). Im Fall der Nickeloberfläche konzentriert sich der Stromfluss im relativ verlustreichen Nickel.
Nickel ist ein ferromagnetisches Material und seine magnetische Permeabilität resultiert in einem höheren Skineffekt-Widerstand als jener von Kupfer. In anderen Worten - der Skineffekt-Widerstand der Nickeloberfläche ist viel größer als jener des Kupferkerns. Zusätzlich ist die Leitfähigkeit von Kupfer (bei Raumtemperatur) mit 1.7 x 10-8 Ohmmeter viermal so hoch wie jene von Nickel mit 7 x 10-8 Ohmmeter.
Bei niedrigen Frequenzen folgt der Stromfluss in einem Leiter dem Weg des geringsten Widerstandes. Bei hohen Frequenzen folgt der Strom dem Weg der geringsten Induktivität. (die induktive Impedanz steigt mit der Frequenz). Bei hohen Frequenzen ist die Stromverteilung in einer Leiterbahn weitgehend unbeeinflusst vom unterschiedlichen Skineffekt-Widerstand der beiden Leiterbahn-Metalle.
Resistive Leiterbahnverluste in Nickel sind ein Mehrfaches als von Kupfer. (ca. dreimal so groß bei 1 GHz.) Resistive Verluste in einem Leiter verursachen einen ansteigenden Verlauf der TDR-Kurvenform. Jeder Serienwiderstand steigt mit der Leiterbahnlänge und wird zur charakteristischen Impedanz hinzugezählt. Der Gleichspannungswiderstand der Leiterbahn führt gemeinsam mit dem Hochfrequenz-Skineffekt zu einer Reduzierung des effektiven Querschnitts der Leiterbahn.
(Bei manchen TDR-Meßgeräten können Verluste durch Justierung des Meßkurvenanstiegs durch Eingabe eines spezifischen Ohm-Wertes/Längeneinheit kompensiert werden. Damit kann der Serienwiderstand kompensiert und die echte charakteristische Impedanz angezeigt werden. Das Polar Controlled Impedance Test System CITS500s4 bietet eine Kompensation dieses Effektes. Der Serienwiderstand einer Leiterbahn kann von einer Impedanzänderung verursacht durch eine Leiterbahnverjüngung durch eine Messung von beiden Enden unterschieden werden. In diesem Fall wird ein Serienwiderstand durch einen Meßkurvenanstieg bei Messung von beiden Enden festgestellt.
Selektive Nickeloberfläche
Der Nachteil der Nickeloberfläche ist eine Reduktion der nutzbaren Leiterbahnlänge. Die effektiv nutzbare Länge einer Leiterbahn bei hohen Frequenzen ist in etwa umgekehrt proportional zu den resistiven Leiterbahnverlusten. Bei ca. 1 GHz reduziert sich die nutzbare Länge einer Leiterbahn mit Nickel-Oberfläche um den Faktor Drei.
Dieser Effekt kann durch den Einsatz einer selektiven Nickel/Gold-Oberfläche nur auf Pads und Leiterbahn-Steckkontakten minimiert werden.
