Optimierung von HF-Layouts und passiven Komponenten Kai Löbbicke, SDI RF & High-Speed System Design

Transkript

1 CONday 2011 Optimierung von HF-Layouts und passiven Komponenten Kai Löbbicke SDI - RF & High-Speed System Design

2 Abteilung System Design & Integration Mikroelektronik & Mikrosystemtechnik Technologieorientierte Entwurfsmethoden HF und High-Speed Systementwurf Leistungselektronische Systeme Piezoelektrische Wandler

3 Problemstellungen in High-Speed Systemen Vias Wellenleiter Drahtbonds IC-Sockets Pads Leitungsecken Signal-Reflektionen Signal-Dämpfung Planare Leitungen Multilayer-Leiterplatten Oberflächenrauheit Signal-Verzerrungen Unstabile Versorgungsspannung Feldabstrahlung Wechselwirkungen zw. Signalpfaden und Spannungsversorgung Resonanzen Passive Bauelemente Überkoppeln zw. Signalpfaden/ Teilsystemen Dispersion Großflächige Versorgungslagen Steckverbinder Optische Leiter Schlitze Antennen Substrate Interposer

4 Übersicht Problemstellungen in HF-Systemen ML-Lagenaufbauten und Durchkontaktierungen (Vias) Spannungsversorgung und Impedanzen EMV und Abstrahlung Einfluss und Platzierung passiver Komponenten

5 Problemstellungen in High-Speed Systemen Signalleitung (Top) Via Port 1 PWR I C I d I C GND Port 2 Signalleitung (Bottom) mehrere Referenzlagen (PWR/GND) mit (undefiniertem) Signal-Rückstrom über dielektrische Verschiebungsströme Signal-Reflektionen Signal-Dämpfung Wechselwirkungen zw. Signalpfaden und Spannungsversorgung Unstabile Versorgungsspannung Überkoppeln zwischen Signalpfaden/ Teilsystemen

6 Problemstellungen in High-Speed Systemen Simulationsergebnisse eines 3Lagen- und 4Lagen-ML (Multilayer) Durch Boardresonanzen gehen im Bsp. über 60% der Signalleistung durch das Via verloren Trans m is s ion (3D-Simulation) 40mm 30mm Außenabmessungen ca. 400µm 3-Lagenaufbau, Seitenansicht 3Lagen-ML 4Lagen-ML ca. 1.1mm Resonanzen 4-Lagenaufbau, Seitenansicht

7 Problemstellungen in High-Speed Systemen Abstrahlung von Spannungsversorgungslagen Boardgröße 20x30mm Angeregte Moden bei 2.4GHz 3.5GHz 4.4GHz 7.2GHz 9.5GHz Resonanzen Feldabstrahlung

8 Resonatormoden örtliche, normierte Impedanzverteilung der Moden Boardgröße: 26x40mm Substrat: Luft/ Vakuum Bsp.: Mode 3;0 Bsp.: Mode 2;2 h Substrat h Substrat Die Moden (ausbreitende und stehende Wellen) verändern den (bei niedrigen Frequenzen) kapazitiven Charakter der Spannungsversorgungslagen Die Impedanz wird orts- und frequenzabhängig

9 Bedeutung der Impedanz der Versorgungslagen für HF-Signalpfade mit Durchkontaktierung Undefinierte Impedanz erzeugt Fehlanpassung Signal-Reflektionen Verluste Abstrahlung

10 Maximale Impedanz der Versorgungslagen Einfluss aller Moden im betreffenden Frequenzbereich muss ausgewertet werden! Boardgröße: 26x40mm Substrat: FR4, 1mm Frequenzbereich: 100MHz-10GHz 200 Moden Z max(5mm,35mm) = 172Ohm

11 Maßnahmen zur Störfestigkeit U.a. sind folgende Methoden und Techniken zur Erzielung zuverlässiger Lagenaufbauten in der Wissenschaft und Technik zu finden und praktikabel: a) zusätzlichen Rückstrompfad erstellen durch Decaps Interplane Vias b) Minimierung von Wellenausbreitung in Versorgungslagen ultradünne Substrate / hochkapazitive Substrate c) Unterbinden von Abstrahlung Kantenmetallisierung

12 Rückstrompfade in ML-Lagenaufbauten 4Lagen-ML mit Kondensator 4Lagen-ML mit Return-Via 6Lagen-ML mit Return-Via Daumenregel: Rückstromkomponenten so dicht wie möglich platzieren ( 1mm center-to-center Abstand)

13 Rückstrompfade über Kondensatoren Decap-Vias Decap-Pads SMD-0805 Signal-Via Schliffbild des 4-Lagenaufbaus Schematische Darstellung des Strompfades in einem 4- Lagenaufbau mit Decap Positiver Effekt benachbarter Vias: die Koppelinduktivität zwischen den Vias mindert die Gesamtinduktivität Daumenregel: längstes Anschluss-Via am dichtesten platzieren SMD-Pads beider Polaritäten so dicht wie möglich platzieren (bzw. kleinstmögliche Bauteilgröße)

14 Messung: Signalpfade mit Kondensatoren Kondensatoren (100nF in 1mm Abstand vom Signal-Via) verbessern die Signalübertragung deutlich zu höheren Frequenzen behindert die Induktivität der Kondensatoren, Anschluss-Vias und Pads den Rückstrompfad zunehmend Signaleinbrüche Die Induktivität von Kondensatoren, Platzbedarf und Kosten stellen die starke Limitierung dieser Methode dar. Ohne Kondensator 1 Kondensator 2 Kondensatoren 4 Kondensatoren

15 20mm Auswahl und Platzierung von Kondensatoren Mit gezielter Platzierung von Kondensatoren lassen sich auch Resonanzen der Versorgungslagen unterdrücken/ verschieben (im Bsp: von 510MHz auf >1000MHz) 92.5mm

16 20mm Auswahl und Platzierung von Kondensatoren Port Kondensatorgruppe Port 92.5mm 6 x 82nF 6 Kondensatoren mit diversen Werten Minimalste Impedanz in Resonanzfrequenz Zielimpedanz breitbandig eingehalten

17 Innovative Lagenaufbauten und Konzepte 4Lagen-ML mit Kondensator 4Lagen-ML mit Return-Via Neu: 5Lagen-ML mit Return-Via GND PWR GND Signal-Via Return-Via Vorteile: - kein Platz auf Außenlagen benötigt - Spannungsversorgungslagen verfügbar - Return-Vias sind sehr dicht am Signal- Via platzierbar - verbesserte Übertragungseigenschaften ohne Induktivität von Kondensatoren - kostengünstig

18 Bewertung von Lagenaufbauten Quelle: ELEKTRONIKPRAXIS Die Leiterplatte 2010, Arnold Wiemers, April 2007

19 Innovative Lagenaufbauten und Konzepte Messergebnisse des innovativen 5Lagen-ML Transmission Transmission

20 Innovative Lagenaufbauten und Konzepte Messergebnisse des innovativen 5Lagen-ML Übersprechen zwischen Vias (d 7.1mm):

21 Abstand der Return-Vias Auch mit 4 Return Vias zeigt sich im Abstand von nur 2mm schon ein deutlicher Abfall in der Übertragung 4 Return-Vias, Radius=100µm (buried) 0.5mm 0.7mm 0.9mm 1.5mm 2.0mm Daumenregel: Rückstromkomponenten so dicht wie möglich platzieren 1mm center-to-center Abstand

22 Buried vs. Through-hole Return-Via through-hole Via buried Via Buried Vias 1 Return Via 2 Return Via 4 Return Via Through-hole Vias Messung zeigt wenig Beeinflussung der Signaleigenschaften Daumenregel: kostengünstige Though-hole Vias erzeugen keine zusätzlichen Störeffekte gegenüber vergrabenen (buried) Vias

23 Günstige geometrische Auslegungen to Top-Layer (Layer 1) Layer 2 Layer 3..(n-2) Layer 4..(n-1) to Bottom-Layer (Layer n) Via und Rückstrom-Via bilden ein Leitungssystem! Daumenregel: Antipad-Radius in äußeren Referenzlagen sollte nah an die Rückstrom-Vias reichen Antipad-Radien der mittleren Lagen sollte Signal- und Rückstrom-Vias zusammen umschließen Pads an den Vias so klein wie möglich halten

24 Impedanzangepasste Vias Generierung von analytischen Via- und Leiterplattenmodellen Via-Induktiv ität analytische Berechnung 3D-Simulation Via-Kapazität analytische Berechnung 3D-Simulation Verständnis der Zusammenhänge zwischen Leitungsimpedanz, Substrat, Materialstärke, Bohrdurchmesser, Anzahl und Distanz der Return-Vias

25 S11 [db] S21 [db] Impedanzangepasste Vias Anwendung auf ML-Leiterplatten Anpassung der Vias an Leitungsimpedanz Minimale Signalreflektionen, optimale Übertragung Minimale Wechelwirkung mit Spannungsversorgung Minimale Abstrahlung von Signalleistung Standard-Leiterplattentechnologie 0.00 Reflektion (3D-Simulation) 0.00 Trans m is s ion (3D-Simulation) Koaxial-Via 50Ohm Freq [GHz] Return Via 2 Return Vias 4 Return Vias Freq [GHz]

26 S11 [db] Impedanzangepasste Vias- Zusammenfassung Return Via Return-Via- Radius=100µm Via-Radius=100µm Via-Radius=75µm Freq [GHz] Daumenregel: Mit zwei Return-Vias lassen sich bereits sehr gute Rückstrompfade sichern Der Abstand zum Signal-Via sollte dabei so dicht wie möglich gewählt werden (sofern keine optimale Abstandsberechnung möglich ist) Die besten Ergebnisse werden mit kleinsten Via-Durchmessern (z.b.150µm) und 50Ohm-optimierten Abständen erreicht (Minimierung der gesamten Struktur- Dimensionen)

27 Koaxial-Vias Vorteile eines komplett geschirmten Außenleiters (gegenüber diskreten Return-Vias) Homogene Leitungskonfiguration Keine Einkopplung in Spannungsversorgungslagen Einfache Impedanz-Dimensionierung, unabhängig von Lagenaufbau und -Anzahl Reflektion Transmission Schliffbild eines Koaxial-Via

28 Zusammenfassung Undefinierter Rückstrompfad von Vias verursacht eine Vielzahl an Störeffekten Einfluss der Spannungsversorgungslagen als Resonator und Antenne gilt es zu minimieren Platzierung von Kondensatoren bietet definierten Rückstrompfad und Verschiebung von Resonanzfrequenzen Rückstrom-Vias (z.b. im 5-Lagenaufbau) bieten sehr gute Möglichkeit den Rückstrompfad auch bei hohen Frequenzen zu definieren Impedanzoptimierte Via-Leitungssysteme sichern zuverlässig die Signal- und Powerintegrität

29 ENDE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

30 Kontaktdaten Kontaktdaten: Dipl-Ing. Kai Löbbicke Abteilung SDI, Gruppe RF & High-Speed System Design Fraunhofer IZM Gustav-Meyer-Alle Berlin Dr.-Ing. Ivan Ndip Gruppenleiter, RF & High-Speed System Design Dr.-Ing. Stephan Guttowski Abteilungsleiter, System Design & Integration

31 Services: Werkzeuge Electromagnetic Feldsimulations Werkzeuge HFSS (3D Full-wave) Microwave Studio (3D Full-wave) Q3D Extractor (3D Quasi-static) Fast Henry (3D Quasi-static) Maxwell (2D and 3D Static) Momentum (2.5D Quasi-static) Schaltungssimulation und and Layout Software SPICE (incl. derivatives) Advanced Design System (ADS) Ansoft Designer Cadence (Orcad, Allegro) SPECCTRA, Eagle, CAM350

32 Services: Design, Simulation und Messung von Antennen Anwendungen RFID (HF, UHF) Mobilfunk GSM, UMTS, WiMAX/LTE GPS (1.575 GHz) WLAN, WPAN (2.4/5 GHz) UWB ( GHz) Funksensorknoten (ISM-Bands) Millimeterwellen Systeme / Radar 60 GHz WPAN > 2 Gbit/s 24 / 77 GHz Radar RFID ballpoint pen Wireless sensor node Egrain Model of PIFA in mobile phone 60 GHz antenna array

33 Services: Antennen- und Strahlungsmessungen Strahlungsmessung bis 110 GHz EMV-Schirmkabine bis 18 GHz DAMs 7000 Antennenmess-System bis 40 GHz Kalibrierte Hornantennen (bis 110 GHz) VNA 8510 und R&S Spektrum Analysator Horn AUT Netzwerkanalysator Port1 Port2 Strahlungsdiagramm

34 Services: HF-Messungen Agilent 8510XF 2-port VNA (45 MHz 110 GHz) Agilent 8361A 4-port PNA (10 MHz 65 GHz) Agilent 4294A Impedanz Analyser Agilent E5270A Precision DC Parameter Analyzer PNA 4-Port Messplatz VNA

35 Services: Materialcharakterisierung Beispiel: Bestimmung der Dielektrizitätszahl von FR4-Basismaterialien Agilent 85072A 12GHz-Split-Cylinder Resonator e r (10-20GHz): FR4-Dicke= 200µm : 4.47 FR4-Dicke= 500µm: 4.56 FR4-Dicke= 1mm: 4.61 Resonanz-Mode: TE 011 IZM Simulation mit ANSYS HFSS Beispiele von Materialien, welche bereits am IZM HFcharakterisiert wurden: FR4 Silizium Keramik Dünnfilm Polymer Glas