Impedanzkontrollierte Multilayer - Theorie - Modellierung - Impedanzmessung

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1 Impedanzkontrollierte Multilayer - Theorie - Modellierung - Impedanzmessung FED RG Sitzung Dezember 2012 Hermann Reischer Polar Instruments GmbH

2 Agenda Theorie Impedanzkontrolle Impedanzstrukturen Even-/Odd-/Common Mode Impedanz Modellierung von impedanzkontrollierten Leiterplatten Korrekte Dickenberechnung des Lagenaufbaus Erzeugen von Impedanz-Meßcoupons Impedanzmessung Einflussgrößen auf Impedanz Verlustbehaftete Übertragungsleitungen

3 Warum impedanzkontrollierte Leiterplatten? immer höhere Übertragungsfrequenzen (kurze Pulsanstiegszeiten) Leiterbahn verhält sich wie ein Bauteil eine Übertragungsleitung

4 Die ideale, verlustlose Übertragungsleitung L L L C C C L = Induktivitätsbelag in H/m C = Kapazitätsbelag in F/m

5 Ladungsverlauf auf einer Leitung: Z o U I I Q t Q CV

6 Ausbreitungsgeschwindigkeit Medium r Ausbreitungsgeschw. Luft cm/ns PTFE-Teflon cm/ns SiO2-MCM-D cm/ns Polyimid/Glas cm/ns FR cm/ns AlO-MCM-C cm/ns v c C = Lichtgeschw. r = Dielektrizitätskonstante r 8 C m / s

7 Schaltzeiten/Kritische Länge Logikfamilie Schaltzeit Tr Krit. Länge l S-TTL 5.0 ns 36 cm 10KECL 2.5 ns 18 cm AS-TTL 1.9 ns 14 cm F-TTL 1.2 ns 9 cm BiCMOS 0.7 ns 5 cm 10KHECL 0.7 ns 5 cm 100KECL 0.5 ns 3.5 cm GaAs 0.3 ns 2 cm l T r 2T pd Tr = Schaltzeit Tpd = propagation delay/inch

8 Laufzeitbetrachtungen 30 cm = 2 ns Laufzeit konventionell 0.3 ns Schaltzeit High Speed

9 Reflexion High Speed Impedanzänderung

10 Forderung nach Impedanzanpassung Übertragungsleitung = 50 Ohm Quelle = 50 Ohm Leiterplatte Abschluss = 50 Ohm

11 Impedanzkontrollierte Strukturen Koax-Kabel Stripline

12 Single Ended (unsymmetrische) Strukturen

13 Single Ended Impedanz L Z 0 L C L C

14 Differentielle Strukturen

15 Differentielle Impedanz L C L L C L C

16 Impedanz? Single Ended Impedanz Z 0 Die Impedanz einer Leitung, welche nicht mit einer zweiten Leitung gekoppelt ist Differentielle Impedanz Z DIFF Impedanz zwischen einem Leitungspaar, wenn beide Leitungen mit einem Signal gleicher Amplitude, jedoch entgegengesetzter Polarität beaufschlagt werden. Odd Mode Impedanz Z 0o Die Impedanz einer Leitung eines Leitungspaars, wenn beide Leitungen mit einem Signal gleicher Amplitude, jedoch entgegengesetzter Polarität beaufschlagt werden (Z 0o = Z DIFF /2) Even Mode Impedanz Z 0e Die Impedanz einer Leitung eines Leitungspaars, wenn beide Leitungen mit einem Signal gleicher Amplitude und gleicher Polarität beaufschlagt werden Common Mode Impedanz Z cm Die Impedanz eines Leitungspaars, wenn beide Leitungen kurzgeschlossen sind. (Z cm = Z 0e /2)

17 Differentielle Impedanz Z A Z B Z B Z Z 2Z Diff A B Differentielle Impedanz mit Bezug auf GND

18 Odd Mode Impedanz V G Virtual Ground Z B Z A 2 Z A 2 Z B Z ODD Z 2 A Z B

19 Even Mode Impedanz Z A V 0 V 0 Z B Z B Z EVEN Z B

20 Common Mode Impedanz Z B Z B Z Z CM B / 2

21 koplanar/differential koplanar

22 Modellierung von impedanzkontrollierten Leiterplatten L Z 0 L C L C

23 Näherungsformeln für Leiterbahnabmessungen > 500 µm nur einige wenige Strukturen keine differentiellen Strukturen sehr ungenau nur grobe Abschätzung

24 Impedanzberechnung mit 2D Field Solver Stand der Technik (Fehler < 1-2%) komplexe mathematische Modellierung exakte Berechnung der Feldverteilung unterstützt alle gebräuchlichen Strukturen berücksichtigt Leiterbahnprofil keine Einschränkung der Geometrie auch für verlustbehaftete Leitungen

25 Leiterbahnprofil - Ladungsverteilung

26 Leiterbahnprofil - Feldverlauf

27 Finite Elemente Methode Leiterbahn Finites Element Bezugspotential

28 Si8000m Field Solver

29 Zielsuchfunktion

30 Impedanz über Leiterbreite

31 Impedanz über Lagenabstand

32 Impedanz über Kupferdicke

33 Impedanz über Separation

34 Harzreiche Bereiche

35 Mehrfach-Dielektrika

36 Lackprofil

37 Impedanzen auf Flex- und Starrflex-Leiterplatten Starrflex-Leiterplatten zunehmend auch mit definierten Impedanzen Bei Flex-Aufbauten kleiner Lagenabstand durch sehr dünne Laminate (50µm) Kleiner Lagenabstand geringe Leiterbreiten für Impedanz Geringe Leiterbreite Kosten, Toleranzen, Ausbeute Lösung: aufgerasterte Referenzlagen!

38 Aufgerasterte Referenzlagen - Vorteile Reduktion des Kapazitätsbelages Größere Leiterbreite für gleichen Impedanzwert Einfacher zu fertigen Bessere Biegefestigkeit

39 Aufgerasterte Referenzlagen - Nachteile Kein transversal-elektromagnetisches System Gestörter Rückstrompfad Höhere Leitungsdämpfung Mögliche Resonanzeffekte

40 Rückstrompfad - Feldausbreitung

41 Aufgerasterte Referenzlagen - Nachteile Bewährte 2D Field Solver zur Impedanzberechnung nicht anwendbar! 3D Field Solver zu komplex in der Bedienung, zu teuer

42 Impedanzberechnung Option XFE XFE = Crosshatch Flex Enhancement Option zu Polar Si8000m und Si9000e 2D Field Solver

43 Impedanzberechnung ohne Aufrasterung

44 Impedanzberechnung mit Aufrasterung

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46 Dickenberechnung - Basisdicke Prepreg T b Die Basisdicke T b, eines Basismaterials ist die unverarbeitete Dicke ab Hersteller. Die Basisdicke ist eine wichtige Information für den Leiterplattenhersteller, um die unverpresste Dicke vorauszuberechnen und um festzustellen, wieviele Leiterplatten in die Presse geladen werden können.

47 Verpresste Dicke (Finished Thickness) Kern 100 % Kupferbelegung Prepreg T f T b 100 % Kupferbelegung Kern Die verpresste Dicke eines Prepregs ist die Dicke nachdem das Material zwischen zwei Kupferfolien mit 100 % Kupferbelegung verpresst wurde ohne Vias, Freistellungen, etc. Dieser Parameter ist wichtig für die weitere Berechnung der Enddicke des Aufbaus und der enthaltenen Impedanzstrukturen.

48 Die End-Dicke des gesamten Aufbaus Prepreg-Harz verfüllt Zwischenräume 90 % Kupferbelegung führt zu 10 % Einpresstiefe Kern Prepreg T iso T b T f 40 µm 50 µm Cu Kern 20% Kupferbelegung führt zu 80 % Einpresstiefe Die Endabmessungen nach dem Verpressen werden aus der verpressten Dicke und der Kupferbelegung der einzelnen Lagen ermittelt. Basis für die Berechnung ist, dass eine Kupferbelegung mit x % zu einer Einpresstiefe von (100 - x) % der Kupferdicke führt. So wird z. B. eine Signallage mit 20 % Kupferbelegung zu (100-20) % der Kupferdicke in das Prepreg eingepresst. Die entstehenden Hohlräume werden durch Harz des Prepregs aufgefüllt. Der kleinste Abstand zwischen den gegenüberliegenden Kupferflächen ist der Isolationsabstand T iso

49 Dickenberechnung in Speedstack

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52 Impedanzmessung

53 Warum Impedanzen testen? Kunden fordern Messprotokolle Qualitätssicherung (E-Test) Optimierung der Fertigung (Yield) Impedanzfehler müssen vor der Bestückung erkannt werden.

54 Das TDR Meßverfahren elektr. Charakteristik prüft über gesamte Leiterbahn berücksichtigt Er rechnergesteuert benötigt Mindestlänge erfordert definierte Meßbedingungen

55 Impedanzmeßkurve

56 Testobjekte Testcoupons Testleitung (ohne spätere Funktion) aktive Signalleitung

57 Testcoupons im Panel zwei oder mehr Testcoupons pro Panel Anordnung am Rand und Mittig Coupons um 90 gedreht anordnen

58 Testcoupons

59 Coupon Design ideal: Leiterbahnlänge >= 15 cm identischer Lagenaufbau wie Leiterplatte gleicher Lagenabstand gleiche Leiterbreite gleiche Separation identische Kupferverteilung in den Lagen Vcc und Masse am Coupon kurzschliessen! Kontaktpunkte an Prüfspitze anpassen Mindestabstand der Leiterbahn zum Couponrand >= 5x Leiterbreite

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63 Testcoupon-Kontaktierung

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65 Statistikdaten eines Fertigungsloses

66 Einfluss der Flankenform Impedanz [Ohm] Flankenneigung [Grad]

67 Einflussgrößen auf Impedanz Leiterbreite (einfach veränderbar) Lagenabstand (durch Materialwahl bestimmt) Kupferdicke (durch Materialwahl bestimmt) Dielektrizitätskonstante (durch Materialwahl bestimmt) Flankenform (prozessbedingt)

68 Coated Microstrip Einflussgrößen

69 Offset Stripline Einflussgrößen

70 Edge Coupled Offset Stripline Einflussgrößen

71 Empfehlungen zu Impedanzen/Toleranzen Impedanztoleranz nur so eng wie unbedingt nötig spezifizieren üblich sind +/- 10 % (Kosten!) Impedanzleitungen mit eigenem Blendenwert in den Gerberdaten kennzeichnen Leiterplattenhersteller für optimalen Lagenaufbau konsultieren Leiterbreiten müssen für exakte Impedanz beim Leiterplattenhersteller angepasst werden

72 Die verlustbehaftete Übertragungsleitung: L R L R L R G C G C G C Z 0 R L G C R = Widerstandsbelag in Ohm/m C = Kapazitätsbelag in F/m L = Induktivitätsbelag in H/m G = Ableitungsbelag in S/m = Winkelfrequenz

73 Verluste in Übertragungsleitungen Abstrahlverluste Signaleinkopplung auf benachbarte Leitungen Impedanz-Fehlanpassung Leitungsverluste dielektrische Verluste geringer Einfluss verursacht Verzerrungen der Impulsflanken führt zu starken Signalverzerrungen Hauptursache für Verluste in Signal- und Retourpfad Hauptursache Energieverlust im dielektrischen Material Verlustfaktor Tan

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75 Leitungswiderstand R l A Wobei: R = Leiterbahnwiderstand (rho) = der spezifische Widerstand des Leiters in Ohm Meter l = die Länge des Leiters in Meter A = Querschnitt des Leiters in m²

76 Leitungswiderstand (kostenloder Download von Beispiel: Eine Leiterbahn mit 80/100 µm Breite, 17 µm Kupferdicke und 0.5 m Länge besitzt einen DC-Widerstand von 5.3 Ohm!

77 Nickel-Gold Oberfläche Nickel-Gold wird als Standard-Oberfläche angeboten. Nickel dient als Barriere zwischen Kupfer und Gold, um ein gegenseitiges Diffundieren zu verhindern. Nickel ist ein ferromagnetisches Material und die magnetische Permeabilität führt zu einem größeren Skineffekt-Widerstand, als bei Kupfer. Aufgrund des Skineffekts kommt es zu einer höheren Stromdichte im Nickel und damit zu einem Anstieg der Verluste. Bei 1 GHz wird dadurch die nutzbare Länge der Leitung um ca. 60 % reduziert. Verwenden Sie nur eine selektive Nickel-Gold-Oberfläche.

78 Nickel-Gold Oberfläche Kupfer Nickel

79 Skineffekt Microstrip Signal Signal-Retourpfad Magnetfelder innerhalb eines Leiters führen zu einer Stromverdrängung an die Leiterbahnoberfläche und damit zu einer Verringerung des nutzbaren Leiterbahnquerschnitts -> Erhöhung des Widerstandes.

80 Skintiefe über Frequenz

81 Oberflächenrauheit Elektrische Wegstrecke verlängert sich!

82 Oberflächenrauheit

83 Dielektrische Verluste Kondensator Ein idealer Kondensator mit Luft als Dielektrikum besitzt einen unendlich großen DC-Widerstand. Ein idealer Kondensator besitzt keine Verluste. Reale Dielektrikas weisen einen Widerstand auf, dies führt zu Leckstrom. Der Stromfluß in einem Dielektrikum führt zu einer ständigen Neuausrichtung des elektrischen Dipoles. Diese Drehung der Dipole führt zu Friktion und somit zu einer Erwärmung des Dielektrikums (Bsp. Mikrowellenherd).

84 Der Verlustfaktor des Basismaterials Bei hohen Frequenzen erhöht sich die Leitfähigkeit aufgrund der vermehrten Bewegung der Dipole. Verlustfaktor: wobei: tan( ) (Sigma) ist die AC-Leitfähigkeit des Dielektrikums. f ist die Frequenz in Hz. 2 f 0 r 0 ist die Permittivität des Vakuums, (8,854 x F/cm). r ist die relative Dielektrizitätskonstante, dimensionslos. tan( ) ist der Verlustfaktor des Basismaterials, dimensionslos.

85 Typische Verlustfaktoren und Dielektrizitätskonstanten Material r tan( ) Luft FR Polyimid/Glas Nelco N6000SI Rogers RF

86 Frequenzabhängigkeit des Er

87 Designmaßnahmen Leitungslänge begrenzen größerer Leitungsquerschnitt (Platzbeschränkung, Impedanzen) Einsatz spezieller HF-Materialien mit geringeren Verlusten (Kosten!) Preemphasis (Verstärken des Hochfrequenzanteils des Signals) Equalisation (Dämpfen des niederfrequenten Anteils des Signals)

88 Si9000e Durchkontaktierungsprüfung

89 Standards zur Impedanzkontrolle IPC 2141A Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards IPC 2251 Design Guide for the Packaging of High Speed Electronic Circuits IPC TM Characteristic Impedance of Lines on Printed Circuit Boards by TDR IEC Printed boards and printed board assemblies - Design and use - Part 1-2: Generic requirements - Controlled impedance Applikationsschriften auf

90 Vielen Dank! Polar Instruments GmbH Hermann Reischer A-4865 Nussdorf/Attersee Aichereben 16 Tel Fax