Übersicht über Materialien mit eingebetteter Kapazität

Kapazität ist Ihr Freund, wenn Sie eine stabile Stromintegrität benötigen, weshalb so viel Wert auf Entkopplungskondensatoren gelegt wird. Obwohl diese Komponenten wichtig sind und zur gezielten Lösung von Stromintegritätsproblemen bestimmter Komponenten eingesetzt werden können, gibt es ein spezielles Material, das verwendet wird, um die Kapazität in Ihrem PCB-Stackup oder Substrat des Gehäuses zu erhöhen. Diese Art von Spezialmaterial wird als eingebettetes Kapazitätsmaterial oder ECM bezeichnet.

Diese Laminate können in einen PCB-Stackup integriert werden, um eine sehr hohe Kapazität zu bieten, die die Stromintegrität unterstützt. Diese Materialien können auch als Ersatz für eine Gruppe von Entkopplungskondensatoren dienen, falls nötig. Dieser Artikel wird die richtige Verwendung dieser Materialien sowie ihre Materialeigenschaften bei Verwendung in IC-Substratpaketen und PCBs untersuchen.

Was ist ein eingebettetes Kapazitätsmaterial?

Eingebettete Kapazitätsmaterialien sind kupferkaschierte Laminate mit sehr dünner Schichtdicke und hoher Dielektrizitätskonstante. Diese Materialien sollen eine Strom- und Masseebene in einem PCB-Stackup trennen und dadurch eine gewisse Kapazität bieten, die in den PCB-Stackup eingebettet ist. Eingebettete Kapazitätsmaterialien sind im IPC 4821 Standard definiert und beschrieben (Spezifikation für eingebettete passive Gerätekondensatormaterialien für starre und mehrlagige gedruckte Schaltungen).

Diese Materialien erfüllen zwei grundlegende Funktionen:

• Bereitstellung hoher Ebenenkapazität in einem PDN durch ihren hohen Dk-Wert und geringe Dicke
• Bereitstellung von Dämpfung für elektromagnetische Wellen durch ihren mäßig hohen Verlustfaktor

Die Hauptfunktion dieser Materialien besteht darin, eine höhere Kapazität in einem PDN zu bieten (was zu einer niedrigeren PDN-Impedanz führt) und eine größere Dämpfung für die Schwankungen der Stromversorgungsschiene (was zu weniger intensiven Strombahnen-/Hohlraumresonanzen bei GHz-Frequenzen führt) aufgrund des höheren Verlustfaktors des Materials. Aus der Sicht der Schaltung bieten diese Materialien gleichzeitig Dämpfung und Kapazität, aber mit niedriger Streuinduktivität, sodass sie sich wie ein kontrollierter ESR-Kondensator verhalten.

Verbesserte Stromversorgungsintegrität

Ein Beispiel für die Auswirkungen eines ECM auf die Stromversorgungsintegrität wird in den folgenden PDN-Impedanzdaten gezeigt. In diesem Diagramm können wir ganz deutlich sehen, dass die Anwesenheit eines dünneren ECM-Materials die PDN-Impedanz wie erwartet senkt. Das dünnere Material mit einem hohen Verlustfaktor dämpft auch die PDN-Resonanzen, wie in den kleineren Spitzen nahe 1 GHz illustriert, was genau im Frequenzbereich liegt, in dem IC-Pakete schnelle Pulsantworten im PDN benötigen.

Das oben genannte Ergebnis tritt auf, weil ein dünneres ECM mehr Kapazität bietet, aber nicht mehr Induktivität. Außerdem führt die zusätzliche Dämpfung im ECM zu niedrigeren Q-Wert-Resonanzspitzen. Zusammen senken diese Effekte die gesamte PDN-Impedanz und verringern den Q-Wert der Hochfrequenzresonanzen.

Verbesserte Signalintegrität

Verbesserte Leistungsintegrität führt auch zu verbesserter Signalintegrität, wie die untenstehenden Augendiagramm-Daten zeigen. In diesem Graphen können wir sehen, dass das Augendiagramm signifikantes Jitter aufweist, selbst wenn wir dünnes FR4 als Laminat für das Strom-/Masseebenenpaar und 100 SMD-Kondensatoren zur Unterstützung niedriger PDN-Impedanz verwenden. Dies tritt auf, weil Ripple auf dem PDN auch Variationen im Signalpegel verursachen wird, wenn ein Ausgangspufferkreis Logikzustände wechselt. Das Ergebnis ist eine Variation im Timing des Ausgangssignals, was als Jitter im Augendiagramm erscheint.

Das Graph auf der rechten Seite zeigt ein Augendiagramm mit einem ECM und ohne SMD-Kondensatoren auf der Testplatine. Das Ergebnis ist eine ungefähre Reduktion des Jitters um den Faktor 2 und eine größere Augenöffnung. Dies ist eine klare Verbesserung der Signalintegrität und resultierte vollständig aus der Reduzierung des Ripple auf dem Strombus.

• Erfahren Sie mehr über die Beziehung zwischen Ripple auf dem Strombus und Signalintegrität.

Die oben genannten Faktoren veranschaulichen die bekannte Beziehung zwischen SI und PI. Es kommt auch zu einer Reduktion der abgestrahlten EMI, die von den Kanten der Leiterplatte gemessen wird, wenn ECM-Materialien verwendet werden. Dies entsteht, weil die durch die Schwankungen der Stromversorgung erzeugte Strahlung eine stärkere dielektrische Dämpfung erfährt, wenn sie sich zur Kante der Platine bewegt, und somit die Platine mit geringerer Intensität verlässt.

Wo ECMs verwendet werden sollten

Nicht alle Leiterplatten müssen ein ECM verwenden, um die Stromintegrität zu gewährleisten. In einigen Fällen ist das durch ein ECM bereitgestellte Kapazitätsniveau übertrieben, und es wird möglich sein, ausreichende Kapazität in Ihrem PDN mit Standard-Laminatmaterialien und kleinen Kondensatoren zu bieten. In einigen Entwürfen ist ein sehr dünnes ECM eine der einzigen Lösungen, die die benötigte Kapazität für die Stromintegrität bereitstellen können. Einige der typischen Fälle, in denen ECMs in einer Leiterplatte verwendet werden, umfassen:

• Kleine Platinen, die viele Hochgeschwindigkeitssignale unterstützen (mobile Geräte, Tablets usw.)
• Platinen mit geringer Lagenanzahl, die viele Hochgeschwindigkeitsbusse aufweisen (fortgeschrittene IoT-Produkte und mmWave-Sensoren)
• Sehr dichte, mäßig kleine Platinen, die keinen Platz für diskrete Kondensatoren haben (ältere Telefone, neuere Erweiterungskarten, kleine Motherboards)

Platinen mit niedrigerer Lagenanzahl (6-10 Lagen) neigen dazu, ein ECM in der mittleren Lage zwischen einer dedizierten Stromversorgungsschicht und einer Masseebene zu verwenden. Bei Platinen mit höherer Lagenanzahl (bis möglicherweise 24 oder 32 Lagen) kann die Zuweisung der Lagenpaare variieren, aber eine sehr dünne Lage wird benötigt, um ausreichende Kapazität zu bieten, um SI/PI für alle Signale im Gerät zu unterstützen. Die gleiche Strategie wird für IC-Substrate verwendet.

Eigenschaften von PCB ECM

Unten ist eine Liste möglicher Materialeigenschaften für ECM-Materialien zur Verwendung in PCBs dargestellt. Diese Materialien sind als starre Materialien verfügbar (z.B. FaradFlex und 3M), oder sie können auf flexible Polyimidmaterialien aufgebracht werden (z.B. von DuPont). Sie sind so konzipiert, dass sie in einen standardmäßigen Laminierungsprozess für den Aufbau eines PCB-Stackups integriert werden können.

Paket- und Modul-ECMs

ECMs werden auch für den Einsatz in IC-Substratpaketen vermarktet. Diese Pakete beinhalten das Platzieren eines Halbleiter-Dies auf einem organischen Substrat, möglicherweise auf einem Interposer sitzend, um zusätzliche Konnektivität zwischen den Halbleiter-Dies, dem Paket-Substrat und letztendlich der PCB zu bieten. Das Substratmaterial verteilt dann diese Kupferverbindungen auf das BGA-Muster des Pakets auf der Unterseite des Pakets.

Für Pakete und Module ist die Schichtdicke ebenfalls viel dünner als das typische FR4-Laminat, aber mit einem Ziel-Dk-Wert, der viel höher ist als die Materialien, die in einem PCB-Substrat verwendet werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass ein ECM, der für eine PCB vermarktet wird, auch in einem IC-Substrat verwendet werden könnte, aber nicht notwendigerweise genauso effektiv wäre. Beachten Sie, dass einige ECM-Materialien speziell für PCBs oder ICs vermarktet werden (zum Beispiel FaradFlex). Im Gegensatz dazu werden einige ECM-Produktlinien (wie 3M) sowohl für den Einsatz in PCBs als auch in ICs vermarktet.

Im Allgemeinen haben ECMs für den Einsatz in IC-Verpackungen die folgenden Anforderungen:

• Ein höherer Dk-Wert wird bevorzugt
• Ein höherer Verlustfaktor wird bevorzugt
• Eine dünnere Schichtdicke wird bevorzugt
• Der Tg-Wert ist weniger wichtig

Der höhere Dk-Wert ist eine Anforderung, weil wir eine größere Kapazitätsdichte der Ebene (gemessen in Kapazität/(Substratfläche)) haben möchten. Der Tg-Wert ist weniger wichtig, da die Tg-Werte für ECM-Materialien bereits weit über den Temperaturgrenzen für ICs liegen. Der höhere Verlustfaktor in einem ECM (sowohl für PCBs als auch für IC-Substrate) ist wichtig für die Kontrolle von Ripple und wird in einem der folgenden Abschnitte näher erläutert.

Um dieselbe Kapazität wie ein ECM mit niedrigerem Dk in einer PCB zu bieten, müsste das in einem IC-Substrat verwendete ECM ein viel höheres Dk haben, da die Größe des Package-Substrats kleiner sein wird. Dies verleiht einem IC-Substrat ausreichende Package-Kapazität, die die Leistungsintegrität auf dem Chip im GHz-Bereich unterstützt, insbesondere wenn für Chipkondensatoren im Package kein Platz ist und wenig Kapazität auf dem Chip vorhanden ist. Da eine PCB in der Regel eine größere Fläche hat, kann sie sich mit einem niedrigeren Dk-Wert behelfen, falls nötig.

ECM-Schichten in Ihren CAD-Tools

Ein ECM in Ihren PCB-Stackup innerhalb Ihrer CAD-Tools zu integrieren, ist einfach. Sie müssen lediglich die Materialeigenschaften und die Dicke in Ihrem PCB-Stackup definieren, genau wie Sie es mit jedem anderen Material tun würden. Wenn Sie planen, Ihre Platine in einer Feldlösersimulation zu verwenden, wie zum Beispiel für Leistungs- oder Signalintegrität, dann müssen Sie die dielektrischen Eigenschaften in Ihrer Schichtdefinition des Stackups einbeziehen, damit diese in einem Simulationsmodell berücksichtigt werden können.

Es ist auch eine gute Idee, Ihre Materialauswahl in Ihrem PCB-Stackup auf Ihrer Fertigungszeichnung und in einer Fertigungsnotiz zu definieren. Wenn Sie die Stackup-Figur in Ihrer Fertigungszeichnung erstellen, stellen Sie sicher, dass die ECM-Schicht vorhanden ist und dass sie nicht mit einem FR4-Material oder einem anderen Material verwechselt wird. Wenn Sie Draftsman verwenden, können Sie Ihre Schicht-Stackup-Figur automatisch generieren und diese schnell in Ihre Fertigungszeichnung einfügen.

Stellen Sie außerdem sicher, dass Ihre ECM-Spezifikation in Ihren Fertigungsnotizen aufgeführt ist. Die IPC-Standards-Konformität Ihres ECM, die Dicke, das Kupfergewicht, das Schichtpaar, die Teilenummer des Distributors (falls verfügbar) und der Markenname sollten alle in einer Fertigungsnotiz angegeben werden. Ein Beispiel wird unten gezeigt.

Da die Elektronik weiterhin die Grenzen der Funktionsdichte und Komponentendichte ausreizt, werden ECMs immer wichtiger, um eine ausreichende Entkopplung zu gewährleisten, wenn der Platz für diskrete Kondensatoren begrenzt ist. Ähnlich ist bei IC-Gehäusen, die mehrere Dies in 2.5D und 3D integrieren, eine ausreichende Entkopplung erforderlich, um die Stromintegrität im Gehäuse zu gewährleisten, wenn die Kapazität auf dem Die gering ist. Um mehr über die Verwendung dieser Materialien in PCBs und Substratpaketen zu erfahren, ermutige ich die Leser, auf die folgenden Ressourcen zuzugreifen.

• Novak, Istvan. „SUNs Erfahrungen mit dünnen und ultradünnen Laminaten für Anwendungen in der Stromverteilung“, TechForum TF-THA2, DesignCon (2006).
• Borland, Bill. „Entkopplung von Hochleistungs-Halbleitern mit eingebetteter Kondensatortechnologie“, 2006 15. IEEE International Symposium über die Anwendungen von Ferroelektrika.

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