Webinar 2014: Vorteile für Starrflex & Co.: Impedanzkontrolle für gute Signalintegrität. Würth Elektronik Circuit Board Technology

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Ewald Lange
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1 Webinar 2014: Vorteile für Starrflex & Co.: Impedanzkontrolle für gute Signalintegrität Würth Elektronik Circuit Board Technology Seite

2 Agenda S Impedanz und Leiterplatte I Signalintegrität bei Starrflex A G N Designoptionen bei Starrflex Kooperativer Designablauf Messung und Dokumentation L Zusammenfassung, Q&A Seite

Kooperativer Designablauf Messung und Dokumentation L

3 Warum kommt das Signal nicht unverändert an? Schnittstellen Spezifikation Quelle: Polar Seite

4 Impedanz und Leiterplatte Leiterplatte ist kein ideales Übertragungsmedium zwischen Sender und Empfänger Veränderung der Information in der Leiterplatte u.a. durch: Länge und Breite des Leiters Verluste durch ohmsche, kapazitive und induktive Widerstände Basismaterial - Verlustfaktor und Dielektrizitätskonstante Leiter Querschnittsänderungen = Impedanzsprünge Wechsel von Bezugspotenzialen = Impedanzsprünge Reflexionen aufgrund von DK - Bohrungen Übersprechen zwischen Leitern (crosstalk) Störeinstrahlung von externen Quellen (z.b. EMV Abschirmung) Seite

5 Signalintegrität und Leiterplatte Kernthemen: Impedanz Leistungsanpassung Laufzeit / Gruppenlaufzeit (Timing) Reflexionen Beispiel aus USB3-Schaltung: Seite

6 Impedanz angepaßte Leiterplatte Die Leiterplatte als Kommunikationsträger Optimale Situation: Leistungsanpassung Z=Konstant Impedanz definierte Leiterplatte Sender T Empfänger Z Leitung =50Ω Z Quelle =50Ω Leiterplatte Z Empfänger =50Ω Seite

Z=Konstant Impedanz definierte Leiterplatte Sender T Empfänger Z

7 Parameter bei der Leiterplatte Einfachstes Modell: Single Strip Line mit einer Referenzlage Annahme: verlustfreie Übertragung R R;G=0 Z= R+jωL G+jωC L C R;G=0 Widerstands und Ableitungsbelag Z= L C Seite

Übertragung R R;G=0 Z= R+jωL G+jωC L C R;G=0 Widerstands

8 Parameter bei der Leiterplatte L ist im wesentlichen die Länge des Leiters Z= L C R C ist im wesentlichen bestimmt durch: Länge x Breite; Abstand; εr L C Seite

9 Modelle: Lagen / Leiterbahn Konfiguration Lagen Konfiguration: Surface Coplanar Surface Microstrip Embedded Microstrip Stripline Leiterbahn Konfiguration: line width Single Ended line width space Differential Pair Seite

Stripline Leiterbahn Konfiguration: line width Single Ended

10 Parameter für die Impedanzberechnung C2 Dicke Lötstopplack über Leiterbahn r Dielektrizitätskonstante Lötstopplack [typ. 3,5] S1 Leiterbahnabstand Layout W2 Leiterbahnbreite (Kopf) T1 Kupferschichtdicke C1=C3 Dicke Lötstopplack über FR4 H1 Isolationschicht Signal > Referenzlage r Dielektrizitätskonstante FR4 W1 Leiterbahnbreite (Fuß) = Layout Seite

3,5] S1 Leiterbahnabstand Layout W2 Leiterbahnbreite (Kopf) T1 Kupferschichtdicke C1=C3 Dicke

Wirkung der Parameter Impedanz - Einflussgrößen stark klein mittel stark Leiterbreite Lagenabstand Kupferschichtdicke Dielektrizitätkonstante ε r

11 Wirkung der Parameter Impedanz - Einflussgrößen stark klein mittel stark Leiterbreite Lagenabstand Kupferschichtdicke Dielektrizitätkonstante ε r w+h = Layouter / Entwickler + Leiterplattenhersteller t = Galvanikprozess, Basiskupfer ε r = Basismaterial t w h Seite

w+h = Layouter / Entwickler + Leiterplattenhersteller t =

12 Besonderheiten bei Starrflex großer Materialmix (Starrmaterial, Flex-Kerne, Kleber, Bondply, etc.) unterschiedliche Aufbauten im Starr- und Flexbereich Beispiel: Symmetrical-Strip-Line aus Rigid führt in Surface Strip Line im Flex geringe r Werte bei Polyimid geringe dielektrische Abstände Standard Polyimid: 50µm Dickere PI-Filme extrem teuer Seite

Rigid führt in Surface Strip Line im Flex geringe r Werte bei Polyimid geringe dielektrische

Fibt es mechanische Anforderungen (Biegeradien, dynamische Biegungen)?

13 Besonderheiten bei Starrflex Lösungsansatz: Zielimpedanz festlegen Impedanzmodell auswählen H der Flexlage wählen (! 75µm / 100µm PI sind Preistreiber!)? Fibt es mechanische Anforderungen (Biegeradien, dynamische Biegungen)? Simulation: Leiterbahnbreiten anpassen. W min mit LP-Hersteller absprechen Hatch - Option Referenzlage Z flex = Z rigid Seite

14 Es erfolgt eine Umfrage Welcher Parameter muss speziell bei Starrflex beachtet werden und hat einen großen Einfluß auf die Impedanz? Seite

Z diff [ ] Auswirkung line / space Parameter 100 95

Leiterbreite 100µm 125µm 75 150µm 70 65 60 55 50 100

15 Z diff [ ] Auswirkung line / space Parameter Designstrukturen, Polyimid 50µm Leiterbreite 100µm 125µm µm Abstand [µm] Seite

cross-hatch Kupferanteil Kupferöffnungen verbessern die Biegbarkeit Trocknung des

16 Z diff [ ] Hatch: aufgerasterte Referenzlagen 130 Referenzlagen mit cross-hatch microstrip 125µm/150µm/125µm Polyimidfilm 100µm µm 50µm % 50% 75% 100% cross-hatch Kupferanteil Kupferöffnungen verbessern die Biegbarkeit Trocknung des Flexmaterials erhöhen die Impedanz Tipp für diff. pair: (hier 20% Cu) Seite

17 Referenzlage mit shield opening Differentielles Leiterpaar im Flexbereich unter Leiterpaar 100% Kupfer restliche Flächen aufgerastert für Trocknung! IPC Seite

Kupfer restliche Flächen aufgerastert für

18 Berechnung und Dokumentation 5Ri-4F-5Ri Seite

19 Berechnung und Dokumentation 5Ri-4F-5Ri Seite

20 Berechnung und Dokumentation 5Ri-4F-5Ri Seite

21 Lagen Konfiguration: 1-lagig im Flex- / Biegebereich Starrflex 1F xri Surface Coplanar ohne Referenzlage FR4 Semiflex 1Ri xri Anmerkung: Seite

22 Lagen Konfiguration: 2-lagig im Flex- / Biegebereich Starrflex xri 2F xri Surface Microstrip mit 1 Referenzlage FR4 Semiflex 2Ri xri Seite

23 Lagen Konfiguration: > 2-lagig im Flexbereich Stripline mit 2 Referenzlagen Starrflex > xri 2F xri, z.b. 1Ri 6F 1Ri Seite

24 Impedanzmessung mit Testcoupons Standard Single ended Differentiell pair Spezifisch Flex und starrflex möglich Kleiner zur Integration in den Nutzenrand Gemischte Modelle 150 mm 23 mm 28 mm Seite

25 Impedanzmessung TDR Technology Windows Oberfläche 10% - 90% rise time lower than 65ps Ultra stable time base (RMS-Jitter < 500fs) Analog sampling bandwidth > 10GHz All specifications valid for 0 C T 40 C High stability w/o recurring calibrations Deutsches Produkt Seite

26 Impedanzmessung Diagramm Seite

27 Impedanzmessung Protokoll Seite

28 Es erfolgt eine Umfrage Welcher Punkt ist Ihnen am Wichtigsten? Seite

29 Zusammenfassung Dientleistungen Signalintegrität bei Starrflex Starrflex und Semiflex haben systematische Vorteile konstruktive Besonderheiten erfordern entsprechende Maßnahmen NEU: Ganzheitliche Berechnung und Dokumentation NEU: Möglichkeit, gerasterten Referenzlagen zu rechnen Design und Messung von starrflexiblen verkleinerten Impedanz Testcoupons Seite

30 Die Kenntnis der Zusammenhänge ist ein Erfolgsgeheimnis! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Andreas Schilpp WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG Produkt Management Circuit Board Technology T.: E. W. Seite

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