Wie absorbierendes Conformal Coating Ihr PDN und die elektromagnetische Abstrahlung beeinflussen

Zachariah Peterson
|  Created: November 17, 2019  |  Updated: October 17, 2020

Signal integrity analysis and measurements on a PCBDie Analyse und Messung der Signalintegrität gehen Hand in Hand

Ich kann mich noch gut erinnern, wie ich – damals, als ich noch mit Sensoren arbeitete – zum ersten Mal Stickstoffdioxid in eine Feuchtkammer gepumpt habe, um ein Messobjekt zu untersuchen. Mit der Zeit begann die Oberfläche meiner Kupferleitungen langsam zu korrodieren, da sie schutzlos dieser schädlichen Umgebung ausgesetzt waren. Angesichts der Tatsache, dass mein Elektronik-Experiment ein Doppelleben als Chemie-Experiment führte, fragte ich mich, ob ich einen Schutzlack auf blanken Leitungen verwenden sollte. Denn Probleme wie Verflüchtigung und Ausgasung hätten meine empfindlichen Gaskonzentrationsmessungen beeinträchtigen können.

Entwerfen Sie eine neue Leiterplatte, die in einer rauen Umgebung eingesetzt werden soll? Hierfür sind auf dem Markt eine Reihe von Conformal Coatings (dt. Schutzbeschichtungen) verfügbar, die Sie in Erwägung ziehen sollten, auf die Oberfläche Ihrer fertigen Leiterplatte aufzutragen. Diese Beschichtungen („Schutzlacke“) bieten eine Reihe von Schutzfunktionen, die die Lebensdauer Ihres Produkts verlängern können. Ein Aspekt, dem dabei nicht genug Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist ihre Wirkung auf Signal- und Power-Integrität sowie elektromagnetische Störausstrahlungen (EMI). Schauen wir uns insbesondere absorbierende Conformal Coatings an und wie sie die Power-Integrität und die abgestrahlte EMI beeinflussen.

Wozu überhaupt Conformal Coatings für Ihre Leiterplatte verwenden?

Conformal Coatings werden typischerweise verwendet, um ein PCB vor spezifischen Umwelteinflüssen zu schützen. Beispielsweise sollte Elektronik, die in einer übermäßig feuchten Umgebung (z. B. auf einem Boot) eingesetzt werden soll, wasserfest gemacht werden. Die Verwendung eines Conformal Coating bietet eine zusätzliche Sicherheit, da sie die Leiterbahnen hinter einem dünnen Film aus wasserfestem (normalerweise hydrophobem) Material versiegelt. Andere Beispiele sind Conformal Coatings mit hoher Durchschlagsfestigkeit zur Verwendung in Hochspannungs-PCBs. Diese bieten einen zusätzlichen Schutz gegen Entladung. Eine weitere Anwendung ist der Schutz vor Staub und Schmutz, die einen Kurzschluss zwischen den Bauteilepins verursachen können. Diese Beschichtungen sind in der Kfz-Elektronik und in militärischen Systemen üblich.

Leiterplatten, die bei hohen Frequenzen und in rauen Umgebungen arbeiten sollen, können ebenfalls mit einem speziellen Schutzlack versehen werden: Einige spezielle Beschichtungen sind für ihren Einfluss auf die Signal-Integrität von Bedeutung, da sie HF-Leiterplatten vor Wasserabsorption, schädlichen Gasen und Hochspannungsentladungen schützen können. Diese Beschichtungen weisen typischerweise einen sehr niedrigen Verlustfaktor bis zu einigen 10 GHz auf. Jedoch sind die meisten kommerziell erhältlichen Beschichtungen nicht für das Ka-Band (~40 GHz) geeignet, da der Verlustfaktor drastisch ansteigt, was zu einer schnellen Signalverschlechterung führt.

Thermal deposition of conformal coatings in a vacuum chamber
Die thermische Abscheidung im Vakuum ist eine Methode zur Aufdampfung von hochleistungsfähigen Polymerschutzbeschichtungen, einschließlich Absorbern.

Es gibt einen weiteren Aspekt bei Conformal Coatings, der meist nicht diskutiert wird: ihre Auswirkungen auf die Power-Integrität und die elektromagnetische Abstrahlung. Dieser ist ziemlich wichtig, wenn es um Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Mehrschichtleiterplatten geht. Wir haben die Power-Integrität an verschiedenen Stellen in diesem Blog erörtert. Das primäre Designziel zur Gewährleistung der Power-Integrität ist die Aufrechterhaltung einer stabilen Spannungsversorgung für die Schaltung im Falle der Verwendung von schaltenden Komponenten. Hierzu verweise ich den interessierten Leser auf einen kürzlich erschienenen Artikel über die Impedanzanalyse als Teil des Power-Integrity-Designs.

Wenn sich ein Transient auf einer Stromleitung ausbreitet, kann er als elektromagnetische Störung abgestrahlt werden. In ähnlicher Weise erregt der Stromstoß, wenn ein Signal zwischen den Schichten einer Leiterplatte hindurchfließt, ein starkes Feld im Inneren der Leiterplatte. Diese Effekte können Hohlraumresonanzen im Inneren des Boards anregen, die dann zur Leiterplattenkante gelenkt werden, wo sie starke EMI-Strahlung erzeugen. Dies ist in der Fachwelt als Hohlraumresonanz-Kanteneffekt (Cavity Resonance Edge Effect, CREE) bekannt.

Wie kann ein Conformal Coating die EMI-Strahlung reduzieren?

Hier unterdrückt ein im relevanten Frequenzband stark absorbierender Schutzlack die von der Leiterplattenkante emittierte EMI-Strahlung. In der Praxis werden alle sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen, die durch ebene Lagen zu den Leiterplattenrändern geleitet werden, gedämpft, wenn sie in die Beschichtung eindringen. Dies wurde in 3D-Simulationen bei Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 10 GHz verifiziert.

Wie ein kürzlich erschienener Artikel zeigt, reduziert das Aufbringen einer kommerziell erhältlichen absorbierenden Beschichtung auf den Leiterplattenrand auch die Impedanz des PDNs. Da die Schutzschicht faktisch zum PDN parallel geschaltet wird, veränderte die Beschichtung den Gleichstromwiderstand des PDN nicht, sondern verursachte eine Impedanzreduzierung. Wenn Entkopplungskondensatoren mit hohen Eigenresonanzfrequenzen in der Nähe der Leiterplattenkanten hinzugefügt wurden, nahm auch die PDN-Impedanzmatrix (sowohl die diagonalen Elemente als auch die nicht diagonalen Kopplungselemente) ab. 

PDN impedance modification with absorbing conformal coating

Reduzierung des PDN-Impedanzmatrixelements durch Aufbringen eines absorbierenden Conformal Coating und den Einsatz von Entkopplungskondensatoren. Quelle: www.jpier.org

Im Vergleich zur Verwendung einer Via Fence entlang der Leiterplattenkante zur Erzeugung einer Image Pane könnte die Verwendung einer Beschichtung kostengünstiger sein, da sie die Anzahl der erforderlichen Bohrvorgänge reduziert. Dies hängt von der genauen Frequenz oder dem Frequenzbereich ab, den man blockieren will. Die Verwendung einer Via Fence blockiert wirksam eine Frequenz, während die Verwendung einer Absorptionsbeschichtung eine Breitbandlösung darstellt.

Um die jeweils notwendigen Schritte zu bestimmen, müssen die Kosten, die verfügbaren Materialien und die Beschichtungsmethode abgewogen werden – und zwar unter Berücksichtigung der ersten EMV-Tests Ihres Prototyps. Wenn Sie die zulässigen Grenzwerte bei einer bestimmten Frequenz überschreiten und diese als Hohlraumresonanz identifizieren können, dann hilft der Einsatz einer Via Fence, der die betreffende Resonanzfrequenz dämpft. Anderenfalls stellen Hersteller wie Parker Beschichtungen her, die speziell für die Unterdrückung von EMI-Strahlung entwickelt wurden und am Leiterplattenrand und über die Leiterplattenoberfläche aufgetragen werden können.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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