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Jun 22, 2023

PCB-Materialeigenschaften und ihr Einfluss auf die Leistung von Hochfrequenzplatinen

Einige der wichtigsten Materialparameter, die die Dämpfung der Leitung beeinflussen, sind: Ein gutes Verständnis dieser Eigenschaften und der Verlustmechanismen in Übertragungsleitungen kann uns bei der Auswahl helfen

Zu den wichtigsten Materialparametern, die die Dämpfung der Leitung beeinflussen, gehören:

Ein gutes Verständnis dieser Eigenschaften und der Verlustmechanismen in Übertragungsleitungen kann uns bei der Auswahl des richtigen PCB-Materials für unsere Anwendung helfen. Die Materialauswahl ist der erste Schritt im PCB-Designprozess. Heutzutage können Entwickler von Hochgeschwindigkeits-Digitalplatinen und HF-Produkten aus Dutzenden von PCB-Materialien mit kontrollierter DK und geringem Verlust wählen. Viele Laminatlieferanten haben proprietäre Harzsysteme entwickelt.

Für eine verlustarme Übertragungsleitung wird der dielektrische Verlust in dB pro Zoll durch die folgende Gleichung angegeben:

\[\alpha_d \text{(dB pro Zoll)} = 2,32 f \ tan(\delta) \sqrt{\epsilon_r}\]

wobei f die Frequenz in GHz ist. Wie man sieht, wird der dielektrische Verlust direkt durch die Dielektrizitätskonstante und den Verlustfaktor des Materials bestimmt. Daher können wir ein Material mit niedrigerem tan(δ) und εr verwenden, um ⍺d so weit wie möglich zu begrenzen. Drei Materialoptionen, die für Transceiver mit sehr hohen Gbit/s empfohlen werden, sind Nelco 4000-13EPSI, Rogers 4350B und Panasonic Megtron 6. Abbildung 1 unten vergleicht den Verlustfaktor dieser Materialien mit einigen anderen gängigen Materialien.

Um besser zu verstehen, wie wir durch die Verwendung eines Materials mit niedrigem Dk-Wert die Plattendicke reduzieren können, betrachten wir die in Abbildung 2 gezeigte Streifenleitung.

Die gängigste vom IPC empfohlene Näherung für die charakteristische Impedanz einer Streifenleitung ist:

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0,8w+t} \big )\]

Wo:

Wenn wir für ein festes Z0 und eine feste Leiterbahnbreite w ein Material mit einem größeren εr verwenden, müssen wir den Abstand zwischen den Ebenen vergrößern. Mit anderen Worten: Ein größerer εr kann die Gesamtdicke der Platte erhöhen. Bei einer Platine mit hoher Dichte und vielen Signalschichten kann dies die Platinendicke erheblich erhöhen. Eine dickere Platine bedeutet, dass Ihr Design Durchkontaktierungen mit einem größeren Seitenverhältnis benötigt. Das Aspektverhältnis einer Durchkontaktierung ist ihre Länge dividiert durch ihren Durchmesser.

Wenn Sie beispielsweise eine Platine mit einer Dicke von 0,2 Zoll und einem Durchgangsbohrdurchmesser von 0,02 Zoll haben, beträgt das Seitenverhältnis 10:1. Was ist die Schwierigkeit bei einem großen Seitenverhältnis? Denken Sie daran, dass zur Herstellung der elektrischen Konnektivität das Innere der Durchkontaktierung mithilfe einer Beschichtungslösung mit Kupfer bedeckt werden muss. Abbildung 3 zeigt den Querschnitt eines plattierten Lochs mit einem Seitenverhältnis von 15:1.

Die meisten Leiterplattenhersteller haben die Möglichkeit, Durchkontaktierungen mit einem Seitenverhältnis zwischen 6:1 und 8:1 zu erstellen. Bei höheren Aspektverhältnissen wird die Plattierung immer schwieriger, da die inneren Teile der Durchkontaktierungshülse eine dünnere Kupferbeschichtung aufweisen können. Dies kann sogar dazu führen, dass die Mitte der Durchkontaktierung unter thermischen Belastungen anfälliger für Risse wird. Daher müssen Sie bei größeren Seitenverhältnissen möglicherweise teurere PCB-Herstellungstechniken verwenden und haben Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit Ihrer endgültigen Platine. Die Wahl eines Materials mit niedrigerem Dk-Wert kann diese Probleme etwas lindern.

Die Dielektrizitätskonstante eines PCB-Materials ist eine Funktion der Frequenz. Abbildung 4 unten zeigt die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante einiger gängiger PCB-Laminate.

Welche Folgen haben Dk-Variationen? Die Dielektrizitätskonstante beeinflusst zwei wichtige Parameter: den Wellenwiderstand und die Wellengeschwindigkeit. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals durch eine Übertragungsleitung ist gegeben durch:

\[v_p = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\]

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Aufgrund von Dk-Variationen können unterschiedliche Frequenzkomponenten des Signals leicht unterschiedliche Signalgeschwindigkeiten erfahren, was zu einer Signalstreuung führt. Da Dk mit der Frequenz abnimmt, erhöht sich auch die charakteristische Impedanz der Leitung (Gleichung 2). Dadurch werden Signalreflexionen bei höheren Frequenzen verschlechtert. Daher ist es wünschenswert, Materialien zu verwenden, die über den interessierenden Frequenzbereich einen flacheren Dk-Frequenzgang aufweisen.

Abbildung 4 zeigt, dass der Dk-Frequenzgang der FR4-Materialfamilie eine relativ größere Variation aufweist. Aus diesem Grund wird empfohlen, diese Art von Material bei Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzanwendungen zu vermeiden (ein weiterer Grund dafür ist der hohe dielektrische Verlust der PCB-Laminate der FR4-Familie). Beachten Sie, dass die meisten Hersteller die Dk-Werte leider nur für einige wenige spezifische Frequenzen angeben.

Das PCB-Material ist ein Faser-Harz-Verbundwerkstoff, der unterschiedliche Webdichten verwenden kann (Abbildung 5).

Die Dielektrizitätskonstante von Harz ist geringer als die der Faser. Deshalb verringert eine Erhöhung des Harzgehalts den effektiven Dk des PCB-Laminats. Abbildung 6 zeigt, wie sich die Dielektrizitätskonstante des FR408HR-Laminats mit dem Harzgehalt ändert.

Daher sollte der Laminatlieferant neben der Häufigkeit der Messung auch den entsprechenden Harzgehalt angeben. Tabelle 1 gibt die Dielektrizitätskonstante eines Hi Tg FR4-Laminats für verschiedene Konstruktionen und Harzgehalte bei zwei verschiedenen Frequenzen (1 MHz und 1 GHz) an.

Dicke

Konstruktion

Harzgehalt

einer bei 1 MHz

ist bei 1 GHz

.002

1 x 106

69,0 %

3,84

3,63

.003

1 x 1080

62,0 %

4.00

3,80

.004

1 x 2113

54,4 %

4.19

4.00

.004

1 x 106 + 1 x 1080

57,7 %

4.11

3,91

.004

1 x 2116

43,0 %

4.54

4.37

.005

1 x 106 + 1 x 2113

52,8 %

4.24

4.05

005

1 x 2116

51,8 %

4.26

4.08

.006

1 x 1080 + 1 x 2113

52,2 %

4.25

4.06

.006

1 x 106 + 1 x 2116

50,8 %

4.29

4.11

.006

2 x 2113

43,5 %

4.52

4.35

.007

2 x 2113

49,6 %

4.33

4.14

.008

1 x 7628

44,4 %

4.49

4.32

.010

2 x 2116

51,8 %

4.26

4.08

.014

2 x 7628

38,8 %

4,69

4.53

Diese Tabelle zeigt deutlich, dass eine gegebene Laminatdicke unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten haben kann. Beispielsweise kann die Dielektrizitätskonstante eines 0,004 Zoll dicken Laminats zwischen 4,11 und 4,54 variieren. Der Grund dafür ist, dass die verfügbaren Varianten für ein 0,004 Zoll dickes Laminat unterschiedliche Arten von Glasgewebe verwenden und unterschiedliche Glas-zu-Harz-Verhältnisse aufweisen.

Wie in Abbildung 5 dargestellt, bestehen Leiterplattenlaminate und -kerne aus mit Harz imprägniertem Glasgewebe. Dadurch wird das Material intrinsisch inhomogen und anisotrop. Mit anderen Worten: Bestimmte Bereiche der Platine können glasdominiert sein, während andere Bereiche harzreich sind. Dies kann bei anspruchsvollen Anwendungen zu Problemen führen. Um dies besser zu verstehen, betrachten Sie die beiden unten gezeigten Spuren.

In der obigen Abbildung befindet sich Spur 1 über einem Faserbündel, während Spur 2 über einem harzreichen Bereich liegt. Dies zeigt, dass zwei Leiterbahnen auf derselben Platine je nach Standort unterschiedliche effektive Dielektrizitätskonstanten aufweisen können. Infolgedessen ist die Signalgeschwindigkeit für die beiden Pfade auf derselben Platine möglicherweise nicht gleich, was bei einer Hochgeschwindigkeitsplatine zu Zeitversatz führen kann. Es gibt verschiedene Glasgewebearten, von denen einige in Abbildung 5 dargestellt sind. Wie Sie sehen können, hängt die Ungleichmäßigkeit des Materials von der Art des Glasgewebes und der Größe der Lücken im Gewebe ab. Ein dünn gewebtes Material wie 106er und 1080er Glasgewebe erzeugt im Vergleich zu engeren Webarten einen größeren Zeitversatz. Verstärkte EMI- und Verlustprobleme sind zwei weitere unerwünschte Auswirkungen von dünn gewebten Materialien.

Zusätzlich zur Verwendung von Glasgewebestilen mit einer gleichmäßigeren Glasverteilung können wir auch einige Leiterbahnführungstechniken verwenden, um auf der ganzen Linie einen gleichmäßigeren Dk zu erzielen. Beispielsweise können wir Leiterbahnen in einem Winkel zur Faserverkettung/-füllung verlegen und/oder einen Zick-Zack-Routenstil verwenden, um den Glasgewebeeffekt etwas abzuschwächen. Beachten Sie, dass ein Zick-Zack-Routing wertvollen Platz auf der Platine verbraucht und den Verlust aufgrund der Verwendung längerer Leiterbahnen erhöht, das Problem jedoch nur teilweise löst. Weitere Informationen zu diesem Effekt finden Sie in dieser Isola-Präsentation.

Abbildung 8 unten vergleicht die Verlust- und Frequenzleistung einiger PCB-Materialien. Wie Sie sehen, sind bestimmte Materialien deutlich weniger verlustbehaftet als andere. Diese Informationen könnten uns bei der Entscheidung helfen, welches Material bei höheren Geschwindigkeiten möglicherweise eine bessere Leistung erbringen könnte. Wenn wir zu immer höheren Frequenzen gehen, sollten Materialien verwendet werden, die weniger verlustbehaftet sind und einen flacheren Dk-Frequenzgang bieten.

Abbildung 9 unten zeigt, wie die Verwendung eines PCB-Laminatsystems mit niedrigem Verlustfaktor die Kosten der PCB erhöhen kann. Als Bezugspunkt ist FR406 in dieser Abbildung das von der Isola Corporation hergestellte Hi Tg FR-4-Material.

An dieser Stelle ist es erwähnenswert, dass der Begriff „FR4“ entgegen der landläufigen Meinung kein bestimmtes PCB-Laminat mit bekannter Dielektrizitätskonstante oder anderen Leistungsmetriken bezeichnet. FR4-Materialien sind eine breite Klasse von mit Glasgewebe und Harz imprägnierten Materialien, die als PCB-Substrate verwendet werden. Es gibt eine historische Grundlage für seine Verwendung als Laminatbezeichner. In den Anfangsjahren der PCB-Technologie gab es ursprünglich zwei Materialoptionen: Polyimid und Materialien auf Epoxidbasis. Für die letztgenannte Gruppe wurde der Begriff FR4 verwendet. FR4 bedeutete „kein Polyimid“, spezifiziert jedoch keine Dielektrizitätskonstante oder andere Leistungsmetriken.

Die von Laminatlieferanten bereitgestellten Daten sowie die Verlustgleichungen erster Ordnung, die wir in früheren Artikeln besprochen haben, ermöglichen uns eine erste Einschätzung der Materialleistung bei der gewünschten Häufigkeit. Es sollte jedoch beachtet werden, dass wir, wenn Verluste für uns wichtig sind, in der Regel Analysetools benötigen, um die Verluste des spezifischen Materials, das über den Betriebsfrequenzbereich verwendet wird, genauer einschätzen zu können. Wenn viel Geld im Spiel ist, können wir möglicherweise nicht einmal der simulierten Leistung vertrauen. In diesem Fall bauen wir besser eine Testplatine mit der realen Schaltung, um die tatsächliche Leistung des Materials zu überprüfen. Es ist außerdem wichtig sicherzustellen, dass während des gesamten Produktionszyklus vom Prototyp bis zur vollständigen Produktion das gleiche Laminat verwendet wird.

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