Differenzielle Signalübertragung in Flex-Schaltungen

Hochgeschwindigkeits-Flex-Schaltungen

Wie bereits in vielen anderen Artikeln erwähnt, verwenden die meisten modernen Produkte aufgrund von Hochgeschwindigkeits-Designs und Designs mit hohen Datenraten eine differenzielle Signalübertragung. Mit den richtigen Design-Protokollen und Design-Tools ist die Handhabung von differenziellen Signalen in Rigid-Flex Standard-Leiterplatten leicht machbar. Die differenzielle Signalübertragung in flexiblen Schaltungen führt jedoch zu einer Reihe von Problemen, Fragen und Design-Herausforderungen. Dieser Artikel befasst sich mit differenziellen Signalen in flexiblen Schaltungen und gibt einen Überblick über die wichtigsten Aspekte, die zu berücksichtigen sind. Es sei darauf hingewiesen, dass es viele wirklich gute Artikel zum Thema Flex-PCBs gibt und wir diese in unsere Design-Bibliothek aufgenommen haben (erhältlich über Speeding Edge). Dazu gehören:

• "Comprehensive Analysis of Flexible Circuit Materials Performance in Frequency Time Domains" von Glenn Oliver, Jim Nadolny, Deepukumar Nair, vorgestellt auf der DesignCon im Jahr 2012.
• "Important Considerations for Flex/Rigid-Flex Designs" von Anaya Vardya und David Lackey.
• "The Dos and Don'ts of Better Flexible Circuit Design" von Mark Finstad.
• "Flex and Rigid Flex Guidelines" von EPECTEC.

All diese Artikel enthalten eine Vielzahl von Informationen zum Design von flexiblen Schaltungen und für alle tiefgehenden Design-Richtlinien und Fragen verweisen wir unsere Kunden auf diese Inhalte. Darüber hinaus habe ich auch die praktische Erfahrung des Gründers und Präsidenten von Speeding Edge, Lee Ritchey, berücksichtigt, der zahlreiche Flex-Schaltungen mit differenzieller Signalübertragung entworfen hat.

Die Vor- und Nachteile der flexiblen Schaltungstechnologie

Differenzielle Signale in Flex-Schaltungen

Bei der Implementierung von differenziellen Signalen in Flex-Schaltungen ist es zunächst wichtig zu verstehen, dass sie auf die gleiche Weise wie eine Oberflächen-Mikrostreifenleitung entworfen werden. Als Erinnerung: Eine Oberflächen-Mikrostreifenleitung gehört zu den vier Arten von Übertragungsleitungen in PCBs und wird durch das Ätzen einer Oberfläche eines doppelseitigen Materials erzeugt. Die Oberseite und die Seiten der Leitung sind der Luft ausgesetzt und auf eine Leistungs- oder Masseebene bezogen.

Wichtige Merkmale von Flex-Schaltungen:

• Sie sind Hybride aus Leiterplatten und Runddrähten und bieten die Vorteile von beiden.
• Sie bieten mehr Möglichkeiten in der Gehäusegeometrie als starre Leiterplatten.
• In den Bereichen einer Flex-Schaltung, in denen die Befestigung, Halterung und Strapazierfähigkeit von Bauteilen erforderlich sind, werden Versteifungen hinzugefügt, um die Schaltung zu unterstützen. Diese Versteifungen reichen typischerweise von 0,005" bis 0,125".
• Die Impedanz ist die wichtigste Eigenschaft einer Übertragungsleitung in einer Flex-Schaltung.

Produktarten mit Flex-Schaltungen

Lee Ritchey erklärt: „Eine Flex-Schaltung ist eine ein- oder zweilagige Platine. Sie hat selten mehr als eine oder zwei Lagen, weil sie dann nicht mehr flexibel ist. 95 % aller Flex-Schaltungen sind einlagig. Wenn Sie ein Smartphone öffnen, werden Sie wahrscheinlich acht oder neun davon finden.“

„Ich würde sagen, dass 99 % der flexiblen Schaltungen in Mobiltelefonen oder Tintenstrahldruckern eingesetzt und im Ausland gebaut werden. Die Flex-Schaltungen, die in den USA entwickelt werden, sind für Produkte der Luft- und Raumfahrt.“ (Mehr dazu weiter unten.)

Ritchey fährt fort: „Die Herausforderung ist: Wie erreicht man eine 50-Ohm-Impedanz mit einem wirklich dünnen Dielektrikum? Es ist wirklich schwierig, schmale Leiterbahnen mit einem subtraktiven Prozess zu ätzen, wie es bei flexiblen Schaltungen eigentlich immer der Fall ist.“

„Das dielektrische Material, das normalerweise für flexible Schaltungen verwendet wird, ist Kapton® (ein Polyimid), aber es ist ein verlustbehaftetes Dielektrikum“, so Ritchey weiter. „Wenn ich verlustarme flexible Schaltungen bauen muss, verwende ich ein LCP (Flüssigkristallpolymer) von Rogers.“

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Bereichen, in denen die differenzielle Signalübertragung in flexiblen Schaltungen verwendet wird, darunter HDMI, USB und PCI Express. Ritchey merkt an: „Vor ein paar Jahren haben wir an einem Design gearbeitet, bei dem wir flexible Schaltungen für Datenraten von 5 Gb/S eingesetzt haben. Aufeinanderfolgende Design-Iterationen haben fast die vierfache Geschwindigkeit erreicht und die gleiche Schaltungstechnologie wird noch immer verwendet.“

Er fügt hinzu: „Bei den meisten Flex-Schaltungen geht es darum, einen vollständigen Bus zu schaffen. Parallele Busse werden mit Hilfe der Flex-Schaltungstechnologie aufgebaut. Es ist billiger, eine einfache Flex-Schaltung zu bauen, wenn man viele Drähte hat. Das ist der eigentliche Grund, warum Flex-Starr in der Luft- und Raumfahrt vorkommt – man wird die Kabelbündel los. Ich habe einmal ein Produkt gebaut, das eine Backplane und an allen vier Seiten eine flexible Schaltung mit Steckverbindern hatte, die aus dem Gehäuse herausführten. Die Karten waren parallel in die Backplane eingesteckt. Als wir die ganzen Kabelbäume losgeworden sind, hat die gesamte Baugruppe deutlich weniger gewogen. Weniger Gewicht ist immer ein großer Vorteil, besonders in der Luft- und Raumfahrttechnik.“

Im obigen Szenario musste eine Kombination aus flexiblen und starren Schaltungen hergestellt werden. Ritchey sagt: „Beide Schaltungsarten gleichzeitig herzustellen ist ziemlich komplex. Aber wenn man fertig ist, gibt es keine Kabel, keine Kabelbäume und man kann sie in die Platine einstecken, festschrauben und loslegen.“

Es ist wichtig zu wissen, dass die größten Ausfälle in der Avionik an den Stellen auftreten, an denen Kabel auf Steckverbinder treffen. Insbesondere die Lötverbindungen lassen mit der Zeit nach. Manchmal ist diese Verschlechterung auf den wiederholten Gebrauch zurückzuführen, manchmal jedoch auch darauf, dass die ursprünglichen Verbindungen (Stärke der Verbindung) nicht von hoher Qualität waren.

Ritchey weist darauf hin: „Bei Elektronik liegt der Fehler fast immer bei den Verbindungen. Insbesondere Avionikprodukte sind vielen Stößen und Vibrationen ausgesetzt, und für die meisten Anschlüsse ist das die Ursache für den Ausfall. Ein Draht bricht dort, wo ein Kontakt zwischen den Anschlüssen besteht. Wenn ich sehe, dass etwas ausfällt, suche ich immer nach der fehlerhaften Verbindung.“

Wichtige Faktoren, die Sie berücksichtigen sollten

Wir gehen in unseren Kursen nicht speziell auf das Design für flexible Schaltungen ein, da es sich dabei um eine spezielle Designtechnik handelt, die sehr spezifische Fähigkeiten erfordert. Wenn wir in unseren Kursen nach Flex-Schaltungen gefragt werden, verweisen wir die Lernenden auf die vier Artikel, die am Anfang dieses Artikels aufgeführt sind.
Es gibt bei dem Entwurf von Flex-Schaltungen jedoch einige grundlegende Dinge zu beachten und eine Übersicht darüber wird im Folgenden gegeben.

• Spezifizieren Sie unkritische Features nicht übermäßig in der Zeichnung (oder in den Design-Spezifikationen).
  • Dies ist für die Herstellung des Designs nicht hilfreich und verursacht außerdem zusätzliche Kosten.
• Geben Sie die Klebstoffdicke nicht in der Zeichnung an.
  • Geben Sie nur die Gesamtdicke der Schaltung und die Gesamtdicke der kritischen Dielektrika an, die die Impedanz beeinflussen können.
• Fügen Sie der Schaltung nicht mehr Tests als nötig hinzu. Zusätzliche Tests verursachen mehr Kosten.
  • Sprechen Sie mit Ihrem Schaltungslieferanten, bevor Sie die benötigte Größe der Komponentenpalette festlegen.

Das Ziel ist es, die Palette in einer Form zu erhalten, in der die Bauteile mit Pick-and-Place-Geräten einfach und effizient platziert werden können.

Designaspekte:

• Platzieren Sie keine Durchkontaktierungen in einem Biegebereich. Viele Elemente, die in starren oder starr-flexiblen Platine eingesetzt werden, sollten nicht in Flex-Schaltungen verwendet werden. Die Vias können Probleme im Biegebereich verursachen und Unstetigkeiten im Betrieb der Schaltung hervorrufen.
• Ändern Sie die Leiterbreite oder -richtung nicht in einem Biegebereich.
• Stapeln Sie Strukturen nicht über mehrere Lagen; dies erhöht die Dicke und kann einen unerwünschten I-Beam-Effekt erzeugen.
• Verwenden Sie kein starr-flexibles Design, wenn eine mehrlagige Flex-Schaltung mit Versteifungen die Aufgabe erfüllen kann.
  • Starr-flexible Designs kosten das Zwei- oder Dreifache einer vergleichbaren mehrlagigen Flex-Schaltung.
  • Verwenden Sie keine scharfen Kurven an der Schaltkreisgrenze, da scharfe Ecken anfällig für Risse sind und sich ein kleiner Riss schnell ausbreiten kann.

Fertigungsaspekte:

• Verwenden Sie keine Heißluftpistole, um Flex-Schaltungen zu formen. Heißluftpistolen arbeiten mit extremen Temperaturen, die eine flexible Schaltung nicht aushält.
• Verwenden Sie keine Temperaturprofile von starren Leiterplatten zum Reflow von flexiblen oder starr-flexiblen Leiterplatten.
  • Die meisten Flex-Strukturen sind Kombinationen aus Polyimid-Filmschichten und Kupferfolie, die miteinander verbunden sind. Dieser Aufbau bewirkt eine hohe Feuchtigkeitsaufnahme und eine geringe Toleranz gegenüber erhöhten Temperaturen.
• Zögern Sie nicht, sich während des Designprozesses an einen Hersteller von flexiblen Schaltungen zu wenden. Hersteller können eine Fülle von Informationen und gute Design-Ratschläge geben.

Zusammenfassung

Wie bei allen anderen elektronischen Produkten gilt: Wenn Sie verstehen, was in einer Flex-Schaltung erreicht werden kann, können Sie sicher sein, dass Sie das Produkt erhalten, das Sie entwerfen. In flexiblen Schaltungen erreichen Sie die differenzielle Signalübertragung, indem sie die Signale als Oberflächen-Mikrostreifenübertragungsleitungen entwerfen. Mit diesem Ansatz ist es möglich, Hochgeschwindigkeits-Flex-Schaltungen mit hoher Datenrate zu entwickeln.

Das Design von Flex-Schaltungen ist eine einzigartige Fähigkeit, aber es gibt mehrere gute Informationsquellen, die als veröffentlichte Arbeiten, Artikel und Konferenzberichte verfügbar sind. Darüber hinaus können auch Hersteller von Flex-Schaltungen sehr hilfreich sein und Ihnen Richtlinien zur Verfügung stellen, um ein gutes, funktionierendes Flex-Schaltkreisdesign zu erreichen.

Die Design-Tools in Altium Designer® enthalten alles, was Sie brauchen, um mit neuen Technologien Schritt zu halten. Sprechen Sie noch heute mit uns und finden Sie heraus, wie wir Ihr nächstes PCB-Design verbessern können.