Leiterplatten verbinden und tragen elektronische Bauteile. Eine Kavitätenleiterplatte besitzt eine Vertiefung, für die Material aus ausgewählten Lagen entfernt wird, ohne die gesamte Leiterplatte zu durchbrechen. Dadurch können Bauteile oder andere Strukturen unterhalb der Außenfläche liegen, ohne einen durchgehenden Ausschnitt zu benötigen.
Eine Kavität ist ein mechanisches und elektrisches Konstruktionsmerkmal, keine automatische Leistungssteigerung. Ihr Nutzen hängt vom Bauteil, Lagenaufbau, der Kupfergeometrie, dem Bestückungsprozess und dem Gehäuse ab. Legen Sie den Zweck der Vertiefung fest, bevor Sie Tiefe und Aufbau bestimmen.
Vorteile von Kavitätenleiterplatten#
1. Geringere Bauhöhe und geringeres Gewicht
Wird ein hohes Bauteil versenkt, kann die Höhe des bestückten Produkts sinken, sofern die umgebende Leiterplatte und das Gehäuse dies zulassen. Begrenzter Bauraum lässt sich so besser nutzen. Materialabtrag verändert allerdings auch Masse und Steifigkeit der Leiterplatte. Prüfen Sie deshalb, ob der verbleibende Boden und die Wände den Belastungen bei Bestückung, Handhabung und Betrieb standhalten. Die Grundfläche der Leiterplatte wird durch eine Kavität nicht zwangsläufig kleiner.
2. Höhere Bestückungsdichte
Eine Kavität in einer Leiterplatte ermöglicht es, Bauteile auf unterschiedlichen Höhen anzuordnen und eine dichte Baugruppe unterzubringen. Zum benötigten Raum gehören weiterhin Bauteilkörper, Pads, Lötstellen und Montagewerkzeuge. Bauteile dürfen nicht einfach enger angeordnet werden, ohne elektrische Abstände sowie den Zugang für Bestückung und Nacharbeit zu prüfen.
3. Leistung und Zuverlässigkeit richtig bewerten
Manche Kavitäten ermöglichen kürzere Verbindungen, Abschirmstrukturen oder einen definierten Wärmeleitpfad. Diese Wirkungen müssen gezielt konstruiert werden. Das Entfernen von Laminat oder Kupfer kann Rückstrompfade unterbrechen, Impedanzen verändern, die Steifigkeit verringern oder lokale Spannungen erzeugen. Modellieren und prüfen Sie den tatsächlichen Aufbau, bevor Sie eine bessere Signalintegrität oder Zuverlässigkeit beanspruchen.
Bestimmen Sie bei der thermischen Auslegung, wo Wärme das Bauteil verlässt und wie sie einen Wärmeverteiler, eine Kupferstruktur oder das Gehäuse erreicht. Eine luftgefüllte Vertiefung allein gewährleistet keine bessere Kühlung. Betrachten Sie Schnittstellenmaterialien, Montagetoleranzen und Betriebstemperaturen gemeinsam.
4. Anwendungen mit hohen Datenraten
Kavitäten können integrierte Schaltungen, Steckverbinder oder andere Strukturen in kompakten Hochgeschwindigkeitsbaugruppen aufnehmen. Ihr Einsatz legt jedoch noch keine erreichbare Datenrate fest. Entscheidend bleiben kontrollierte Impedanz, durchgängige Rückstrompfade, Kopplung, Stromversorgung und die Montagevorgaben des Bauteilherstellers.
5. Mögliche Einsatzbereiche
Mögliche Anwendungen sind HF- und Mikrowellenbaugruppen, kompakte Telekommunikationsgeräte, Automobilelektronik, Leistungsverstärker und Computerhardware. Die Eignung hängt von der konkreten Auslegung und dem qualifizierten Fertigungsprozess des Herstellers ab.
- HF und Mikrowelle: Eine Vertiefung kann ein Gehäuse oder eine Abschirmstruktur aufnehmen; ihre Geometrie und Metallisierung müssen jedoch in die elektrische Auslegung einfließen.
- Telekommunikation: Versenkte Bauteile können helfen, die zulässige Gehäusehöhe einzuhalten und zugleich den erforderlichen Zugang für die Bestückung zu erhalten.
- Automobilelektronik: Auch eine kompakte Kavitätenkonstruktion muss die Anforderungen des Produkts an Vibration, Temperaturwechsel und Umwelteinflüsse erfüllen.
- Leistungsverstärker: Eine Kavität kann Teil eines gezielt ausgelegten Wärmeleitpfads sein; die Kühlleistung muss nachgewiesen werden.
- Computerhardware: Eine Vertiefung kann die Integration von Bauteilgehäusen erleichtern, sofern Signal-, Versorgungs- und mechanische Anforderungen erfüllt sind.
Kavitätenklassifizierung und Fertigungsanforderungen#
Kavitäten sollten nicht als IPC-Kategorien „partial grid score“, „partial punch“ und „routed cavity“ eingeordnet werden. Diese Bezeichnungen entsprechen nicht den in IPC-6012F behandelten Kavitätenkategorien. Cadence beschreibt die Einteilung anhand der Metallisierung: Typ 1 besitzt weder am Boden noch an den Wänden eine Metallisierung, Typ 2 entweder am Boden oder an den Wänden, aber nicht an beiden, und Typ 3 an Boden und Wänden. Für die Abnahme sind die vereinbarte Normrevision und die Lieferantenvereinbarung maßgeblich. Weitere Hinweise bietet Cadences Leitfaden zur Kavitätenauslegung.
Die Fertigungsunterlagen sollten Lage und Kontur der Kavität, Tiefe oder betroffene Lagen, die vorgesehene Bodenlage, die Metallisierung von Wänden und Boden sowie Maßtoleranzen festlegen. Mechanische Lage, Gerber- oder ODB++-Daten und Fertigungszeichnung müssen übereinstimmen. Stimmen Sie Fräswerkzeuggeometrie, erreichbare Eckradien und Prüfverfahren mit dem Fertiger ab, statt davon auszugehen, dass jede CAD-Kontur exakt herstellbar ist.
Prüfen Sie außerdem Kupferabstände, verbleibende Dielektrikumsdicke, Sauberkeit, Zugänglichkeit für die Lötstoppmaske und die Bestückungsreihenfolge. Fräsen und andere abtragende Verfahren dürfen benachbarte Leiter nicht beschädigen und keine ungeeignete Montagefläche hinterlassen. Fragen Sie den Hersteller, welche Merkmale zusätzliche Prozessentwicklung oder Qualifikation benötigen.
Prüfungen vor Bestückung und Fertigungsfreigabe#
Kavitätenleiterplatten können kompakte Produkte und eine höhere Bestückungsdichte ermöglichen. Dafür müssen Leiterplattenfertigung, Bauteilplatzierung und Gehäusekonstruktion aufeinander abgestimmt werden. Klären Sie vor der Layoutfreigabe Pastenauftrag, Werkzeugzugang, Löten, Inspektion und Reparatur. Ein versenktes Bauteil lässt sich unter Umständen schwerer prüfen oder austauschen als eines auf einer ebenen Außenfläche.
Dokumentieren Sie vor Produktionsbeginn die kritischen Kavitätenanforderungen in gelenkten Konstruktionsdaten und besprechen Sie diese mit Fertiger und Bestücker. Validieren Sie die fertige Baugruppe unter ihren tatsächlichen elektrischen, thermischen, mechanischen und Umgebungsbelastungen. Grundlage der Freigabe sollten gemessene Leistungen und vereinbarte Prüfkriterien sein, nicht allein das Vorhandensein einer Kavität.