Inwiefern beeinflusst die FR4-Streuung Laufzeitverzögerungen?

Wenn ich daran zurückdenke, wie ich vor vielen Jahren an neuen optoelektronischen Bauarbeiten gearbeitet habe, fällt mir auf, wie chaotisch die von uns gebauten Prototypen ausfielen. Anstatt unser Geld für hochwertige Materialien auszugeben, verwendeten wir standardisiertes, günstiges Material und Messinstrumente, um unsere Geräte zum Laufen zu bringen. Die Geräte funktionierten, nur die Ästhetik fehlte. Als aber die Zeit kam, um die Umsetzbarkeit unserer Geräte in echten Anwendungen unter Beweis zu stellen, wurde uns bewusst, dass wir damit anfangen mussten, mit Materialien mit dem richtigen Reinheitsgrad zu arbeiten.

Man muss Kompromisse eingehen, wenn man sich zwischen günstigerem und beliebtem oder teurem und effektivem Material entscheidet. Da FR4 bei PCB-Designern und Herstellern sehr beliebt ist und immer mehr Geräte mit Highspeed oder hohen Frequenzen laufen, ist es wichtig, mehr darüber zu erfahren, inwiefern sich FR4 auf die Signalintegrität und Laufzeitverzögerung Ihrer Leiterplatte auswirkt.

FR4 und Highspeed-/High-Frequency-Design

Wer mit Highspeed-Design vertraut ist, weiß, dass sich die Geometrie und Position von Leiterbahnen sowie das Trägermaterial der Platine alle auf die Signalgeschwindigkeit, Impedanzanpassung und Laufzeitverzögerung auswirken. FR4 ist nicht immer die beste Option, wenn Sie ein Highspeed- oder High-Frequency-Gerät designen. Die meisten Designer und Techniker empfehlen die Verwendung von anderem Material als Trägermaterial für High-Frequency-/Highspeed-Geräte.

Durch die Laufzeitverzögerung verfügen sowohl analoge als auch digitale Pulsformen über entscheidende Verbindungslängen, die ihre Umwandlung in Übertragungsleitungsverhalten bestimmen. Sobald sich die Verbindungen als Übertragungsleitungen verhalten, wird die Impedanzanpassung bei der Vermeidung von Tönen und Resonanz zwischen Quellen und Ladungen auf Ihrer Platine wichtig. Diese Umwandlung hängt von einem Vergleich zwischen der Signalanstiegszeit und der Laufzeitverzögerung ab.

Aneinander grenzende Leiterbahnen auf einer einfachen Schicht sowie aneinander angrenzende Schichten auf Mehrschichtplatten bilden einen Kondensator. Der Abstand zwischen den Leiterbahnen und die dielektrische Konstante von FR4 bestimmen die äquivalente Kapazität. Die Impedanzanpassung ist im Übertragungsleitungssystem von großer Bedeutung und ihre parasitäre Kapazität sollte beim Design der Platinen in Betracht gezogen werden, insbesondere bei der Arbeit mit Highspeed-/High-Frequency-Signalen.

^{Entdecken Sie, inwiefern FR4-Streuung Laufzeitverzögerungen in High-Speed-PCB-Designs beeinflusst.}

All dies hängt von der Präsenz dielektrischer, beinahe leitfähiger Leiterbahnen ab. Die dielektrische Konstante des Leiters bestimmt die Geschwindigkeit des Signals, das am Leiter entlangläuft. Wenn wir uns eine einem Vakuum ausgesetzte Leiterbahn vorstellen, hängt die Signalgeschwindigkeit der Leiterbahn ausschließlich von der dielektrischen Konstante des Leiters ab. In Gegenwart der naheliegenden Dielektrika (wie beispielsweise ein FR4-Trägermaterial) nimmt die dielektrische Kontante des Trägers einen anderen Wert ein.

Diese modifizierte dielektrische Konstante nennt man effektive dielektrische Konstante. Dies wird in der Regel kalkuliert, indem man die Auswirkungen der Streuung und Absorption im Trägermaterial ignoriert. Bei niedrigen Frequenzen und Schaltgeschwindigkeiten funktioniert das problemlos, doch die gleichen Berechnungen ergeben eine falsche Laufzeitverzögerung bei hohen Frequenzen und Schaltgeschwindigkeiten. Die Stärke der Platine verändert ebenfalls die effektive dielektrische Konstante der Platine, die dadurch die parasitäre Kapazität und benötigte Impedanzanpassung beeinflusst.

FR4-Platinen können in Highspeed-Geräten verwendet werden, wenn die Schichten mit Highspeed-Schichtstoff belegt sind. Diese Schichtstoffe bedeuten geringere Verluste als FR4 und bestimmen größtenteils die effektive dielektrische Konstante auf den Leiterbahnen. Eine Kombination aus FR4 und einem Highspeed-Schichtstoff ist möglicherweise gegenüber anderen Materialien zu präferieren, je nach anfallenden Kosten.

Absorption und Streuung

Die Laufzeitverzögerung einer PCB-Leiterbahn hängt von der dielektrischen Konstante des Trägermaterials, den Dimensionen der Leiterbahn und davon ab, ob es sich bei der Leiterbahn um eine Streifenleitung oder einen Mikrostreifen handelt. Bei sehr niedrigen Frequenzen und Schaltgeschwindigkeiten reagiert die Laufzeitverzögerung relativ unempfindlich auf Geschwindigkeitsänderungen der Frequenz und Schaltung. Bei höheren Geschwindigkeiten und Frequenzen reagiert die Laufzeitverzögerung jedoch immer empfindlicher.

Das liegt an der Streuung des FR4-Trägermaterials. Leiterplatten für RF, Radar und Gigabit Datenanwendungen müssen unter Berücksichtigung der Streuung und ihrer Auswirkungen auf die Laufzeitverzögerung entworfen werden. Da diese Anwendungen meist ein geringes Grundrauschen vorweisen, werden unterschiedliche Leiterbahnen verwendet, um Überlagerungen zu vermeiden. Die Laufzeitverzögerung wirkt sich dann auf die Toleranz in Bezug auf die Anpassung zwischen parallelen Leiterbahnen aus.

Leiterbahnen auf FR4 weisen in der Regel höhere Verluste als andere PCB-Materialien auf, die auf RF-Anwendungen über 1 GHz spezialisiert sind. FR4 hat bei steigenden hohen Frequenzen eine negative Streuung und steigende Verlusttangenten. Im Vergleich zu anderen Materialien, die auf höhere Frequenzen spezialisiert sind, steigert die Streuung die Signalgeschwindigkeit höherer Frequenzen und senkt somit die Laufzeitverzögerung bei höheren Frequenzen.

Die elektromagnetische Absorption von FR4 nimmt ab rund 100 KHz rapide zu und steigert sich dann stetig auf bis zu 100 GHz. Das führt dazu, dass die Leiterbahnen auf FR4 eine höhere Dämpfung bei hohen Frequenzen für eine bestimmte Platinenstärke haben. Dies ist der Hauptgrund dafür, warum Highspeed-Schichtstoffe auf FR4-Platinen verwendet werden.

^{Design der Wärmeausdehnung auf einer FR4-Leiterplatte}

Die Berechnung des korrekten Wertes für die Laufzeitverzögerung erfordert das passende Modell für die Materialparameter des Trägermaterials. Die linearen Baseline-Modelle für Streuung und Absorption zeigen bei Frequenzen oder Schaltgeschwindigkeiten über 4 GHz deutliche Fehler auf. Das Breitband Debye-Modell ist eindeutig das beste Modell, um diese wichtigen Materialparameter für FR4 über einen breiten Frequenzbereich zu beschreiben.

Wenn Sie das Frequenzspektrum eines digitalen Impulses betrachten, werden Sie feststellen, dass sich ein Großteil der Intensität auf die digitalen Signale zwischen der Schaltfrequenz und der Kniefrequenz konzentriert. Die Kniefrequenz beträgt rund ein Drittel des Kehrwerts der Signalanstiegszeit.

Da es sich bei einem digitalen Impuls tatsächlich lediglich um eine Überlagerung analoger Pulsformen handelt, wirkt sich die Streuung jeweils leicht unterschiedlich auf diese analogen Frequenzen aus. Eine gute Annahme besteht darin, sich die Streuung ausschließlich in Form der Schaltfrequenz vorzustellen. Diese Annahme kann für geringe bis moderate Streuung gelten.

In Anbetracht der Designkompromisse, die man bei der Wahl eines Trägermaterials berücksichtigen muss, entscheiden Sie sich am besten für eine PCB-Designsoftware, die Ihnen Flexibilität bei der Wahl des richtigen Trägermaterials gewährt. Die CAD-Tools, intuitiven Layer Stackup Tools und Simulationsfunktionen von Altium Designer 20 ermöglichen Ihnen das problemlose Design Ihres nächsten Highspeed- oder High-Frequency-Geräts auf FR5. Wenden Sie sich heute an einen Altium Experten, um mehr zu erfahren.