Warum gemessene Werte auf FR4 von den Berechnungen abweichen können

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	Applikationsschrift 139 Warum beim Einsatz von glasfaserverstärkten Laminaten die gemessenen Impedanzwerte von Field Solver Ergebnissen abweichen können. - speziell bei differentiellen Strukturen

Hintergrundinformation Field Solver sind weit verbreitet zur Berechnung und Analyse von impedanzkontrollierten Strukturen. Für das Design von differentielle Strukturen - speziell in Feinleitertechnik - ist ein gutes Verständnis der Basislaminat- und Prepreg-Struktur erforderlich, um einen hohen Yield zu erzielen. Design-Betrachtungen FR4 (und andere Glasgewebe-Laminate) bestehen aus einer Harzmischung und einem Glasgewebe zur Verstärkung. Das Bild rechts zeigt ein Schliffbild eines Querschnitts einer FR4-Leiterplatte, auf welchem deutlich zwei Lagen, ein differentielles Leitungspaar und die Glasfaserbündel in einer Gewebestruktur. Die Zwischenräume sind mit Harz ausgefüllt.	Schliffbild einer unsymmetrischen und differentiellen Struktur in FR4 (Beachten Sie, dass sich die Position der Glasbündel von Board zu Board unterscheidet) Die obige Struktur ist eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Dielektrika. Glas besitzt eine Dielektrizitätskonstante von ca. 6 und das Harz in FR4 weist eine Dielektrizitäts-konstante von ca. 3 auf. Wenn differentielle Leitungspaare sehr nahe aneinander liegen, so "sieht" das elektrische Feld ein Harzreiches Gebiet und sie müssen dies durch ein niedrigeres Er in der Berechnung kompensieren.
Warum weichen die Ergebnisse von der Theorie ab ? Betrachten wir zunächst die Dielektrizitätskonstante Er. Ein Wert von 4.2 ist typisch für FR4. Dies ist jedoch ein Nominalwert für das Gesamtmaterial. Mit einem Er von 6 für Glas und einem Er von 3 für Harz (auch niedriger bei manchen High-Performance-Materialien) ist es unwahrscheinlich, dass das elektrische Feld die Dielektrizitätskonstante des Gesamtmaterials "erfährt". Betrachten Sie das differentielle Leitungspaar auf dem Bild. Sind die Leiter sehr nahe aneinander und relativ weit von den benachbarten Masselagen entfernt, so ist das Feld zwischen den beiden Leitern sehr stark. Das Feld zwischen den Leitern auf dem Bild wird ein Er erfahren, welches eher dem Wert von Harz als jenem des Glas/Harz-Gemisches entspricht. Wenn Sie FR4 spezifizieren, so müssen Sie Ihrem Leiterplattenhersteller auch eine größere Toleranz für differentielle Leiter zugestehen. Sind Sie ein Leiterplattenhersteller, so sollten Sie berücksichtigen, dass das effektive Er nicht nur vom gewählten Material sondern auch von der Struktur und deren Abmessungen abhängt. Ein Blick auf das Schliffbild bietet eine Erklärung, warum die gemessene Impedanz höher sein kann als in der Vorausberechung.	Was ist zu tun, wenn die Anforderungen an die differentielle Impedanz sehr hoch sind ? Verwenden Sie ein Laminat, dessen Gewebe-verstärkung ein ähnliches Er aufweist wie das Harz. Besprechen Sie dies mit Ihrem Lieferanten und setzen Sie den höheren Yield mit den höheren Kosten ins Verhältnis. Laminate mit einer Aramid-Verstärkung stellen eine Alternative dar, da die Verstärkung ein ähnliches Er wie das Harz aufweist. Stellen Sie sicher, dass Ihre Messungen korrekt sind. Welches TDR Sie auch für die Impedanzmessung verwenden - stellen Sie sicher, dass dieses mit einer rückführbaren Referenzimpedanz kalibriert wird. TDR Messungen müssen unter den gleichen DC-Bedingungen am Ende der Leiterbahn durchgeführt werden, unter denen das Gerät auch Kalibriert wurde. Da die meisten Coupons am Ende offen sind, ist es zweckmäßig, eine rückführbare Referenz-Eichleitung oder eine Präzisions-Semi-Rigid Koaxleitung zur Kalibration zu verwenden. Die Kalibrierung eines TDR mit einem Präzisionswiderstand kann einen Messfehler in der Größenordnung von 3-4Ohm bei 50 Ohm verursachen.
Mögliche Abweichungen Betrachten Sie die Grafik unten. Sie sehen den Impedanzbereich eines differentiellen Leitungspaars bei verschiedenem Er. Dies sind die zu erwartenden Fehler, wenn Sie die obigen Effekte nicht berücksichtigen. Diese Effekte sind real existierend und beruhen auf den physikalischen Eigenschaften des Materials welches Sie verwenden. Wenn Sie den Fertigungsprozess optimieren möchten, so müssen Sie verschiedene Er-Werte für unsymmetrische Strukturen, differentielle Strukturen und vielleicht auch für koplanare Strukturen anwenden. Dies kann experimentell ermittelt werden, indem Sie einige Muster-Coupons anfertigen und Messungen durchführen. Eine effiziente Möglichkeit wäre, einfach zusätzliche Coupons zu den Boards hinzuzufügen, welche sich gerade in der Fertigung befinden.	Wie kann ich eine genauere Vorhersage treffen? Die Hersteller sollten sich bei der Wahl des richtigen Er-Wertes zur Berechnung sowohl auf ihre Erfahrung als auch auf die Materialspezifikationen verlassen. Berücksichtigen Sie den geringeren Glasanteil bei differentiellen Strukturen und wählen Sie ein niedrigeres Er als für das Gesamtlaminat angegeben. Die Erfahrung zeigt, dass bei den heute üblichen Leiterbahnbreiten von 5 mil und einem Abstand von 5-7 mils zwischen den Leitern und >8 mil Laminatstärke ein Er im Bereich von 3.6 - 3.9 für FR4 angewendet werden sollte. Dies entspricht einer Reduktion des Er im Bereich von 10 ~ 15 %. (Siehe markierter Bereich in der Tabelle unten) Die Verwendung eines Nicht-gewebten Aramid-Materials oder ein Laminat mit einer Verstärkung, dessen Er jenem des Harzes entspricht, kann das Problem lösen. Die Leiterplattenhersteller sollten dies mit den Schaltungsentwicklern genau abklären und den höheren Yield mit den höheren Materialkosten ins Verhältnis setzen.
Wie eine vorhergesagte differentielle Impedanz von 100 Ohm aufgrund des höheren Harzanteiles zwischen den Leitern in einem tatsächlichen Wert von 107 Ohm resultieren könnte.
Modifikation des Design. Es ist wichtig, dass eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Entwickler und dem Leiterplattenhersteller besteht. Das Polar SI6000B Field Solving Impedance Design System unterstützt Sie bei dieser Aufgabe durch eine leistungsfähige Zielsuch-Funktion und durch eine grafische Darstellung der Fertigungsparameter.
Weitere Informationen ? Weitere Informationen über die Messung von impedanzkontrollierten Leiterplatten oder über die Si6000B Field Solving Impedance Design Software erhalten Sie gerne per E-Mail von Hermann.Reischer@polarinstruments.com


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