Wie man einen Hybrid-PCB-Stackup entwirft

Das oben gezeigte Radar-Evaluationsmodul von Texas Instruments ist ein Beispiel für ein Design, das einen mmWave-Bereich mit RF-Routing und Hochleistungsübertragung sowie einen moderaten digitalen Bereich mit mehreren ICs enthält. Ich bin nicht mit TI verbunden, aber der Hauptgrund, warum ich dieses Board als Lehrmittel schätze, ist, dass es eine Möglichkeit zeigt, PTFE-basierte Laminate wie Rogers oder Taconic zu verwenden, um ein kommerzielles RF-Produkt zu bauen. Manchmal, wenn wir über die Verwendung von PTFE-Laminaten oder Alternativen wie Low-Dk-Glasgewebe-Laminaten sprechen, geht es nicht darum, den gesamten Stackup aus einem teuren PTFE-Material mit Bondplys zu bauen.

In einigen Fällen macht es Sinn, eine Platine vollständig aus PTFE-Laminaten oder einem Low-Dk-Laminat zu bauen. Ich habe dies mit Hochgeschwindigkeits-Backplanes gemacht, die Dutzende von langen Verbindungen auf mehreren Schichten mit Bandbreitenbegrenzungen bei ~80 GHz unterstützen. Wenn Sie Multi-Gig-Seriensignale zwischen zwei Anschlüssen über 15 Zoll Platinenraum routen müssen, müssen Sie die Verluste so gering wie möglich halten, um sicherzustellen, dass die Signale am Empfänger wiederhergestellt werden können. In anderen Fällen benötigen Sie jedoch wirklich nur ein verlustarmes Laminat auf einer Schicht. Dies ist das Wesen eines hybriden PCB-Stackups und könnte eine bessere Wahl für Ihre Platine sein.

Wann man einen Hybrid-PCB-Stackup verwenden sollte

Die erste Frage, die bei der Auswahl der Materialien und der Planung eines Stackups auftauchen sollte, lautet: Welche Materialien werden benötigt und wie viele Schichten sollten verwendet werden? Angenommen, Sie haben festgestellt, dass Sie ein Laminat mit geringen Verlusten benötigen und Sie haben Ihre erforderliche Schichtanzahl bestimmt, ist es an der Zeit zu überlegen, ob Sie einen Hybrid-Stackup verwenden sollten. Es gibt einige allgemeine Situationen, in denen Sie einen Hybrid-Stackup mit Laminaten mit geringen Verlusten in Ihrer PCB in Betracht ziehen könnten:

• Kosteneinsparungen: Die Verwendung von ausschließlich PTFE oder Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (Dk) kann teuer sein. Bei Prototypen ist der Kostenunterschied nicht riesig, aber diese Kostenunterschiede summieren sich bei hohen Stückzahlen.
• Niedrige Anzahl an HF-Verbindungen: Wenn es möglich ist, alle Hochgeschwindigkeits-/HF-Signale auf einer Schicht unterzubringen, macht es keinen Sinn, den gesamten Stackup aus spezialisierten Low-Loss-Laminaten zu bauen. Man könnte erwägen, die Größe der Platine zu erhöhen, um die Anzahl der Vias zu reduzieren und alles auf der Low-Loss-Schicht unterzubringen.
• mmWave-Designs: Einige HF-Systeme, die im ISM-Band oder bei 6-7 GHz WiFi arbeiten, funktionieren auf FR4-Grad-Laminaten ganz gut, solange die Verbindungen kurz sind. Sobald man jedoch zu Frequenzen von Autobahnradaren oder höher kommt, benötigt man in der Regel Low-Loss-Laminate, es sei denn, die Verbindungen sind so kurz, dass sie praktisch unbrauchbar sind.

Das Bild unten zeigt einen 6-Lagen-Hybrid-Stackup, den ich in einem vorherigen Beitrag vorgestellt habe. Dieser Stackup ist ein gutes Beispiel für Radar-Module oder andere spezielle Anwendungen von mmWave-Signalen wie Bildgebung.

Der oben genannte Stackup eignet sich auch gut für digitale Systeme mit Bandbreiten, die weit in den mmWave-Bereich hineinreichen, obwohl man auf Dispersion in der Schicht mit geringen Verlusten achten sollte. Hersteller von HF-Materialien versuchen, ihre Laminatsysteme mit flacher Dispersion bis in hohe GHz-Frequenzen zu bauen. Jedoch wird oberhalb einer bestimmten hohen Frequenzgrenze wieder Dispersion auftreten, was zu weiteren Verlusten und Phasenverzerrungen in digitalen Signalen führt. Wenn Sie bei extrem hohen Frequenzen oberhalb der dispersionsfreien Grenze arbeiten, stellen Sie sicher, dass Sie den Laminatlieferanten nach Daten für die dielektrische Konstante kontaktieren, damit Sie genaue Impedanz- und S-Parameter-Berechnungen durchführen können.

Zusätzlich könnten Ihnen einige Hersteller sagen, dass dieser Stackup nicht hergestellt werden kann, weil Sie PWR und SIG in den zwei internen Schichten nebeneinander platziert haben. Wenn das Board klein ist, spielt das keine Rolle; dieses Board wird keine Verbiegungen erfahren, bis seine Spannweite Multi-U-Backplane-Größen erreicht. Sie können auch die interne Schicht mit Kupferfüllung ausgleichen, falls nötig.

Sprechen Sie frühzeitig mit Ihrem Hersteller

Wenn Sie einen Hybrid-Stackup basierend auf Ihren Verlustanforderungen, der Dicke der Leiterplatte und der Lagenanzahl zusammengestellt haben, sollten Sie Ihren Stackup an Ihren Hersteller senden, bevor Sie mit Ihrem Design beginnen. Dies ist ziemlich wichtig, da Ihr Hersteller bestimmen kann, ob die Platine den Laminierzyklus ohne Zersetzung oder Delaminierung überstehen kann, da einige Materialien höhere Temperaturen und Drücke benötigen als andere. Scheuen Sie sich nicht, frühzeitig einen Hersteller zu kontaktieren, um dessen Rat zur Verwendung Ihres gewünschten Low-Loss-Laminats in einem Hybrid-Stackup einzuholen. Stellen Sie sicher, dass Sie ihnen folgendes geben:

• Erforderliche Lagenanzahl
• Gewünschte Lagenstärken
• Cap Low-Loss-Laminatmaterial
• Fülllaminatmaterialien

Versuchen Sie zu entscheiden, welche Anforderungen unverzichtbar sind und welche eher wünschenswert, da Sie möglicherweise bei einigen Ihrer Anforderungen Kompromisse eingehen müssen.

Platz für Bondply lassen

Ihr Fertiger kann Ihnen einige Einblicke in die Dickenvariation geben, die Sie im fertigen Board erwarten können, sobald Bondply hinzugefügt wird. Stellen Sie sicher, dass Sie dies bei der Planung des Stackups berücksichtigen. Im Allgemeinen müssen Sie sich keine Gedanken über die dielektrische Konstante der Bondply-Schicht machen, es sei denn, Sie müssen darüber routen. Wenn Sie mit einem verlustarmen Laminat auf der obersten Schicht entworfen haben, muss das Bondply möglicherweise zwischen L2 und L3 sitzen, damit das verlustarme Material an den FR4-Grad-Laminaten haftet. Ihr Fertiger kann Ihnen zu diesem Punkt weitere Informationen geben.

Reichen Sie einen vorläufigen Stackup ein

Auch nachdem Sie einen vorläufigen Stackup erstellt haben, sollten Sie diesen an Ihren Hersteller senden, damit dieser ihn vor der Fertigung überprüfen kann. Manchmal können Sie nicht einfach jedes beliebige Materialsystem und Laminat mit geringen Verlusten für einen Hybrid-Stackup verwenden. Ihr Hersteller wird ein Mitspracherecht haben, welche Materialien verfügbar sind, eine geringe Vorlaufzeit haben oder ob die Fertigung ausgelagert werden muss. Wenn Sie Ihren Stackup überprüfen lassen, bevor Sie den Rest Ihres Designs erstellen, könnte Ihr Hersteller ein alternatives Materialsystem empfehlen, das mit dem erforderlichen PCB-Laminierungsprozess kompatibel ist. Sie könnten auch einige alternative Laminatdicken empfehlen, die Ihnen helfen, Ihre Gesamtanforderungen an die Dicke der Leiterplatte zu erfüllen.

Materialdatenblätter lesen

Wenn Sie Materialien für einen Hybrid-Stackup auswählen und eine aktivere Rolle beim Aufbau eines Hybrid-Stackups übernehmen möchten, werfen Sie einen Blick auf die Datenblätter der Materialien, bevor Sie einen vorgeschlagenen Stackup erstellen. Versuchen Sie, CTE-Werte, Tg-Werte sowie Fließ- und Aushärtetemperaturen des Harzes abzugleichen, um eine vollständige Kompatibilität zu gewährleisten. Sie sollten den Stackup dennoch zur Überprüfung einsenden, um die Herstellbarkeit sicherzustellen.

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