Die Vorteile von Hoch-Dk-PCB-Materialien

Die Begriffe „Hochgeschwindigkeitsdesign“ und „Low-Dk-PCB-Laminat“ werden oft in denselben Artikeln verwendet, und oft im selben Satz. Low-Dk-PCB-Materialien haben ihren Platz in Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-PCBs, aber High-Dk-PCB-Materialien bieten Leistungsintegrität. Low-Dk-PCBs werden typischerweise gewählt, da sie dazu neigen, einen niedrigeren Verlustwinkel zu haben. Daher werden High-Dk-PCB-Materialien oft für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-PCBs übersehen.

Wenn wir die Leistungsintegrität für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzplatinen betrachten, anstatt nur den Signalverlust zu akzeptieren oder den von einem Hochgeschwindigkeitslaminat bereitgestellten Wert zu akzeptieren, sollten Sie die Dielektrizitätskonstante als Teil der Gesamtstrategie für stabile Leistung in Betracht ziehen. Dies umfasst die realen und imaginären Teile der Dielektrizitätskonstante, da beide die Leistungsintegrität Ihrer PCB beeinflussen. Mit diesem Hintergrund betrachten wir die Rolle, die High-Dk-PCB-Materialien bei der Gewährleistung der Leistungsintegrität spielen.

High-Dk-PCB-Materialien und PCB-Leistungsintegrität

Zuerst einmal, wenn wir die Leistungsintegrität betrachten, versuchen wir immer sicherzustellen, dass die Spannung, die Sie von Ihren Reglerstufen ausgeben, konstant bleibt, während die Leistung durch das PDN fließt. Dies bringt zwei Aspekte der PDN-Analyse und Leistungsintegrität auf:

• Gleichstromanalyse: Hier interessieren wir uns nur für den IR-Abfall über die Leiter, die das PDN bilden. Die Dielektrizitätskonstante spielt bei der Gleichstromanalyse keine Rolle.
• Wechselstromanalyse: Mit Wechselstromanalyse meinen wir das Verhalten eines zeitlich veränderlichen Stroms auf der Stromebene. Hier wird die Impedanz des PDN wesentlich, da die Spannungsvariation, die an einer nachgeschalteten Komponente gesehen wird, das Produkt aus PDN-Impedanz und der zeitlich veränderlichen Spannung (Ohmsches Gesetz) ist.

Ein PCB-Material mit hoher Dk, das als Dielektrikum zwischen der Strom- und Masseebene verwendet wird, bietet einige wichtige Vorteile für die Stromintegrität. Insbesondere wird ein hoher Dk-Wert für PCB-Material zwischen der Masse- und Stromebene eine größere interplanare Kapazität bieten, was bedeutet, dass Ihre Ebenen wie ein größerer Entkopplungskondensator wirken und die PDN-Impedanz niedriger sein wird. Das Näherbringen der Masse- und Stromebenen erhöht ebenfalls die interplanare Kapazität. Einige Beispiel-Simulationsergebnisse aus einem IEEE-Papier von 2006 werden unten gezeigt.

Der andere wichtige Aspekt der dielektrischen Konstante ist der imaginäre Teil oder der Df-Wert. Dies wird normalerweise mit Hilfe des Verlustwinkels zusammengefasst, aber dies ist nicht die einzige Metrik, um die Nützlichkeit eines bestimmten Laminats in Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzplatinen zu untersuchen. Dispersion im Laminat ist ebenfalls sehr wichtig für digitale Signale, da sie dazu führen wird, dass Signale sich dehnen und auf Ihrer Platine verzerren. Für die Leistungsintegrität sind die Dk- und Df-Werte zusammen wichtig wie folgt:

• Hoher Dk bevorzugt: Ein höherer Dk wird bevorzugt, weil er im Allgemeinen zu einer niedrigeren Gesamt-PDN-Impedanz führt. Dies liegt daran, dass das PDN mehr Plattenkapazität haben wird.
• Hoher Df bevorzugt: Der Grund, warum ein höherer Df im Dielektrikum zwischen Masse und Strom gewünscht wird, liegt darin, dass das verlustbehaftete Dielektrikum Resonanzen in der PDN-Impedanzkurve natürlich dämpft. Dies wird durch den Vergleich der durchgezogenen blauen und schwarzen Linien gesehen.
• Dünne Schichten bevorzugt: Eine dünnere Schicht erzeugt mehr PDN-Kapazität und begrenzt mehr vom elektromagnetischen Feld im verlustbehafteten Substrat, sodass die PDN-Impedanzkurve niedriger wird und die PDN-Resonanzen kleinere Spitzen haben.

Zusammenfassend gilt für die Leistungsintegrität in einem PDN, dass der beste Fall ein hohes Dk, ein hohes Df und eine dünne Schicht ist (siehe die durchgezogene schwarze Kurve oben). Deshalb haben eingebettete Kapazitätsmaterialien, die in fortschrittlichen Hochgeschwindigkeits-PCBs verwendet werden, einen sehr hohen Dk-Wert und sind verlustreich, sodass man Signale nicht über sie routen möchte.

Hohe Dk-Werte und Signalintegrität

Für die Signalintegrität sind die Dk- und Df-Werte einzeln wichtig, anstatt nur auf den Verlustwinkel zu schauen. Die Ausnahme bildet der Fall, wenn man sehr dünne Schichten verwendet, die man in einem PCB mit hoher Lagenanzahl/HDI einsetzen könnte; diesen Fall werde ich weiter unten noch ausführlicher besprechen. Beachten Sie, dass bei PCB-Substraten mit geringen Verlusten die Dk- und Df-Werte tendenziell zusammen skalieren (z.B. Rogers-Laminate), aber das ist nicht immer der Fall. Man kann einige Beispiele in beliebten Laminaten sehen; zum Beispiel hat Nelco 4000-13 EP einen etwa 20x niedrigeren Verlustwinkel als FR4, aber der Dk-Wert ist nur etwa 10% niedriger.

Die Bedeutung des Df-Wertes und der Nutzen einiger Materialien für verschiedene Standards der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung werden unten dargelegt. Beachten Sie, dass Dk in dieser Tabelle keine Rolle spielt; was generell zählt, ist der Verlustfaktor und die Rauheit des Kupfers.

Dk beginnt eine Rolle zu spielen, wenn Sie Stromschienen und Signale auf derselben Schicht haben, wie in einem SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR Aufbau. Zusammengefasst gibt es einige Fälle, in denen sowohl hohe Dk/niedrige Df als auch hohe Dk/hohe Df sowohl für die Signalintegrität als auch für die Stromintegrität Vorteile bieten, und es ist wichtig zu wissen, wie man diese mischt:

• Wenn Stromschienen und Signale auf derselben Schicht in PCBs mit geringer Schichtanzahl gemischt sind, könnte ein höheres Dk bevorzugt werden
• Wenn Strom und Signal auf verschiedene Schichten getrennt sind, wird ein höheres Dk für die Trennung von Strom/Boden bevorzugt

Die 2. Option in dieser Liste impliziert, dass Sie einen Hybrid-PCB-Aufbau erstellen könnten, bei dem verschiedene Laminatmaterialien verwendet werden. Abhängig von den beteiligten Laminatmaterialien könnten Sie einige Kosten sparen, indem Sie Laminatmaterialien mischen und abgleichen, anstatt ein einzelnes exotisches Material für den gesamten Aufbau zu wählen.

Hybrid-PCB-Aufbauten: Das Beste aus beiden Welten

Sie können die Vorteile eines Dielektrikums mit geringen Verlusten für die Signalintegrität und eines Dielektrikums mit hohem Dk-Wert für die Leistungsintegrität in einem hybriden PCB-Stackup sehen. Bei dieser Art von Stackup wäre die Schicht mit hohem Dk-Wert eine bessere Option zur Trennung von Strom- und Masseebenen im PDN, was die Selbstimpedanz des PDN und die Transferimpedanz reduzieren würde. Dann würden Sie ein Material mit niedrigem Dk-Wert und geringen Verlusten verwenden wollen, um Signale auf der Oberflächenschicht zu unterstützen und Streifenleitergeometrien auf den inneren Schichten einzuschließen.

Ein Beispiel für eine 10-Lagen-Platine wird unten gezeigt. Diese Stackups können ein wenig ungewöhnlich und schwierig zu erstellen sein, da Sie Symmetrie gewährleisten möchten. Dies stellt sicher, dass jeglicher durch CTE-Unstimmigkeiten erzeugter Stress gleichmäßig ist, sowohl während der Montage als auch im Betrieb. Beachten Sie, dass jede der Masseebenen gegen eine Stromebene mit unterschiedlicher Spannung ausgetauscht werden könnte und sie dennoch als Referenz für eine angrenzende Signalebene dienen könnte.

Bevor Sie einen Hybrid-Stackup erstellen, sollten Sie sich unbedingt mit Ihrem Hersteller bezüglich seiner Fähigkeiten und den von ihm empfohlenen Materialien beraten. Wenn Sie sich für einen Hybrid-Stackup entscheiden, kann Ihr Hersteller einige Grenzen für CTE-Unterschiede zwischen verschiedenen Laminatmaterialien empfehlen, was Ihre verfügbaren Optionen einschränkt. Obwohl PCB-Designsoftware es Ihnen grundsätzlich erlaubt, jeden beliebigen Stackup zu erstellen, bedeutet das nicht, dass Ihr Hersteller ihn auch produzieren kann. Prüfen Sie immer bei einem Hersteller, bevor Sie diesen Typ von Stackup produzieren, um sicherzustellen, dass sie wissen, wie sie diese Platinen handhaben und Delamination während der Montage verhindern können.

Beachten Sie, dass all diese Schichten als Standardharzsysteme mit Faserverstärkung angenommen werden, oder was wir als Standard-FR4-Typ-Laminatmaterial betrachten würden. In der RF-Welt greifen wir oft standardmäßig auf unverstärktes PTFE zurück, das nur einen keramischen Füller verwendet, aber kein Fiberglas hat. Dünne PTFE-Schichten können auch in einem Hybrid-Stackup verwendet werden; lesen Sie diesen Artikel, um mehr zu erfahren.

Hohe Dk-Werte können die Herstellbarkeit bei dünnen Laminaten einschränken

Einer der Nachteile eines Materials mit hohem Dk-Wert für eine Signallage ist die Herstellbarkeit. Dies ergibt sich aus den erforderlichen Leiterbahnbreiten, wenn eine Impedanzkontrolle durchgeführt wird. Die Leiterbahnbreiten müssen dünner sein, um eine Zielimpedanz auf einem Material mit hohem Dk-Wert im Vergleich zu einem Material mit niedrigem Dk-Wert zu erreichen.

Bei dicken Laminaten ist dies kein Problem, und der hohe Dk-Wert kann vorteilhaft sein: Die Leiterbahnbreiten müssen dünner sein, sodass es möglicherweise einfacher ist, bestimmte Komponenten zu verdrahten. Bei dünnen Laminaten wird dies jedoch zum Problem, da die Leiterbahnbreite schließlich so klein wird, dass man an die Grenzen der Fertigungsfähigkeiten stößt. Die Ätztoleranzen werden nun zu einem signifikanten Teil der Leiterbahnbreite, sodass es zu größeren Schwankungen in der Impedanz der Leiterbahn kommt. Mit "dünnem Laminat" beziehen wir uns auf 2 mil äußere Laminate für Mikrostreifen oder 2-4 mil innere Laminate für Streifenleitungen.

Daher ist es bei sehr dünnen Laminaten am besten, ein Material mit niedrigem Dk-Wert wie ein PTFE-Laminat zu verwenden, um die Herstellbarkeit zu gewährleisten. PTFE-Materialien haben das Problem, schwer zu handhaben zu sein, wenn sie keine Glasfaserverstärkung haben, daher kann ein verstärktes Laminat bevorzugt werden, wenn die Signalbandbreiten übermäßige Faserwebungseffekte anregen.

Andere wichtige Auswirkungen von PCB-Materialien mit hohem Dk-Wert

Hier sind einige der anderen wichtigen Auswirkungen von Hoch-Dk-PCB-Materialien auf Ihre Leiterplatte.

• Langsamere Signalübertragung. Das bedeutet, dass Ihre erlaubte Längenabweichung bei parallelen Netzen und Differentialpaaren kleiner sein wird (bei einer gegebenen Zeitabweichung). Mit den richtigen Routing- und Impedanzkontrollwerkzeugen in Ihrer PCB-Designsoftware wird dies jedoch kein Problem darstellen.
• Kleinere Übertragungsimpedanz. Wie ich in einem kürzlich erschienenen Artikel diskutiert habe, beschreibt die Übertragungsimpedanz, wie eine durch eine schaltende Komponente erzeugte PDN-Spannungsstörung die an einer anderen Komponente gesehene Spannungsschwankung beeinflusst. Wenn der Dk-Wert für das Dielektrikum größer ist, dann ist die Übertragungsimpedanz kleiner, die an der anderen Komponente gesehene Spannungsschwankung ist kleiner. Der Df-Wert spielt hier auch eine Rolle, da ein verlustreiches Substrat die an anderen Komponenten gesehene Spannungsschwankung dämpfen wird (siehe Abb. 12 in diesem Artikel).
• Verzögerte Schwankungen zwischen verschiedenen Komponenten. Wenn eine Schwankung bei einer Komponente auftritt, dauert es einige Zeit, bis sie sich entlang des PDN zu anderen Komponenten ausbreitet. Wenn der Dk-Wert des Dielektrikums größer ist, ist die Verzögerung zwischen Schwankungen bei verschiedenen Komponenten länger. Jedoch kompensieren Bypass-Kondensatoren, die bei anderen Komponenten platziert sind, jegliche Schwankung, und der richtige Bypass-Kondensator macht dies zu einem Nicht-Problem.
• Interplanare Hohlraum-Antiresonanzen verschieben sich zu niedrigeren Frequenzen. Dies wird wichtig bis hin zu GHz-Bandbreiten. Bei einer Hohlraum-Antiresonanz spitzt sich die Impedanz bei einer bestimmten Frequenz zu. Die Verwendung eines dünneren Hoch-Dk-Materials mit einem größeren Verlust zwischen Masse- und Stromversorgungsebenen dämpft diese Antiresonanzen (siehe Abb. 11 in diesem Artikel). Ich werde dieses Problem mit Resonanzen in Hohlräumen und Wellenleitern in einem zukünftigen Artikel näher besprechen.

Zusammenfassung

Wenn Sie einen hybriden Stackup für eine Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzplatine bauen, sollten Sie ein Hoch-Dk/Hoch-Df-Dielektrikum zwischen den Masse- und Stromversorgungsebenen verwenden. Wenn Sie dasselbe Laminatmaterial im gesamten Stackup verwenden, können Sie die Leistungsintegrität und die Signalintegrität ausgleichen, wenn Sie ein Hoch-Dk/Niedrig-Df-Dielektrikum verwenden.

Der Nachteil der Verwendung von PCB-Materialien mit hohem Dk-Wert ist eine stärkere kapazitive Kopplung zwischen den Leitern. Das bedeutet, dass parasitäre Kapazitäten, die das Substrat betreffen, größer sind, und Sie müssten dies reduzieren, indem Sie ein dünneres Dielektrikum zum Masseplan verwenden. Dies führt dann dazu, dass Sie schmalere Leiterbahnen verwenden müssen, wie ich oben erwähnt habe. Wenn sich das esoterisch anhört, dann deshalb, weil Ihre Leiterbahnkapazitätswerte größer sein werden; folglich müssen Ihre Leiterbahninduktivitätswerte größer sein, um die Impedanzkontrolle zu gewährleisten. Das bedeutet dann, dass das Übersprechen stärker sein wird, daher sollte der Abstand der Leiterbahnen größer sein, um den größeren Dk-Wert auszugleichen.

Ihr PCB-Stackup ist ein wesentlicher Bestimmungsfaktor für die Leistungsintegrität und Signalintegrität. Sie können sicherstellen, dass Ihre Platine in beiden Aspekten korrekt funktioniert, wenn Sie Zugang zu den richtigen PCB-Design- und Analysewerkzeugen haben. Der Layer Stack Manager in Altium Designer® gibt Ihnen Zugang zu einer Bibliothek von gängigen und spezialisierten PCB-Laminaten. Sie können Materialparameter für ein Speziallaminat für Ihre PCB definieren. Der integrierte 3D-Feldlöser von Simberian verwendet diese Materialparameter, um das Signalverhalten in Ihrer PCB zu modellieren, während Sie Ihr PCB-Layout erstellen.

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