Charakteristische Impedanz, Kupferdicke und flankengekoppelte Leitungen

Applikationsschrift 151

Kupferdicke, flankengekoppelte Leitungen und charakteristische Impedanz


Hintergrundinformation Leiterplattenhersteller erhalten mitunter Designs, welche mit den geforderten Spezifikationen als unrealisierbar erscheinen. Es kann ein einfach ein Fehler des Absenders vorliegen, oder der Designer hat die Beschränkungen des Fertigungsprozesses nicht berücksichtig. Die Lösung ? Wenn der Fehler offensichtlich ist, so muss der Absender kontaktiert werden und die Spezifikation überarbeitet werden. Wenn kein offensichtlicher Fehler vorliegt, das Board dennoch unmöglich zu fertigen ist, so müssen Sie die verfügbaren Spezifikationen analysieren und prüfen, ob unter Berücksichtigung der Grenzwerte ein Spielraum besteht. Diese Applikationsschrift beschreibt solch einen Fall mit einem Edge Coupled Differential Pair. Dies ist eine relativ ungewöhnliche Struktur, da keine Referenzlagen vorhanden sind - es ist ein "reines" differentielles Leitungspaar.	Edge Coupled Differential Pair ohne Bezuglagen Die obige Struktur beruht auf der Kopplung zwischen zwei Leiterbahnen und weist im Gegensatz zu üblichen Strukturen keine Bezugslage auf. Dies beschränkt die verfügbaren Optionen, wenn die Struktur nicht die geforderten Spezifikationen erfüllt. Normalerweise würde man versuchen, die Leiterbreite, den Leiterabstand oder die Materialdicke zu verändern, um die geforderte Impedanz zu erzielen. Bei Strukturen mit einer Bezugslage ist die Leiterbreite maßgeblichen Einfluss auf die Impedanz.

Hier ist das Problem und ein Lösungsvorschlag...
Die Boardspezifikation verlangte ein differentielles Paar mit 100 Ohm, die geforderten Leiterbahnabmessungen ergaben jedoch eine Impedanz von 135 Ohm. Die Herausforderung lag nun darin, die geforderte Impedanz zu erzielen, ohne größere Änderungen in der Spezifikation vorzunehmen. Dieses Edge Coupled Differential Pair besitzt keine Masselage und eine Reduzierung der Leiterbreite (gegen 3 mil) führt zu Problemen beim Yield. Zu Beginn versuchten wir es mit einer Erhöhung der Leiterbreite bei gleich bleibender Separation. Dies ergab nur geringe Änderungen der Impedanz, so dass weitere Möglichkeiten untersucht wurden. Ein zweiter Ansatz beruhte auf einer Erhöhung der Leiterbreite bei gleichzeitiger Reduzierung der Separation. Um Routing-Probleme zu vermeiden, haben wir das Si6000b Tabellenblatt mit einer Spalte für konstanten Abstand zwischen Mitte-Mitte der beiden Leiterbahnen versehen. Jede Breitenerhöhung führt somit automatisch zu einer Reduktion der Separation. Obwohl mit diesem Ansatz bessere Ergebnisse erzielt wurden, konnte dennoch keine endgültige Lösung gefunden werden.
Ein angepasstes Si6000 Tabellenblatt ermöglicht die Änderung der Separation bei konstantem Abstand zwischen Leitermitten. Dadurch kann die Arbeitsvorbereitung die Leiterbreite und Separation ändern, ohne das Layout zu modifizieren. Si6000b Tabelle mit Spalte für Leitermittenabstand. (klicken Sie auf das Bild um zu vergrößern) Die Separation errechnet sich aus s=p-w1
Durch die Untersuchung der Struktur war offensichtlich, dass der Hauptanteil des Feldes zwischen den Leiterbahnen liegt und daher eine Erhöhung der Kupferdicke einen Einfluss haben sollte. Wie groß nun dieser Einfluss ist, kann mit der Si6000b untersucht werden. Die Grafik unten zeigt zwei Kurven für Zo bei Erhöhung der Leiterbreite und konstantem Leiter-Mittenabstand. Die gelbe Kurve zeigt, dass die Zielimpedanz nur mit einer Separation von 3 mil (~75µm) erreicht werden kann, während die untere Kurve zeigt, das bei einer Aufkupferung auf 1.5 Unzen die Impedanz bereits bei einer Separation von 4 mil erzielt werden kann - was eine beträchtliche Vereinfachung in der Fertigung bedeutet.
Erhöhung der Kupferdicke um 1/2 Unzen reduziert in diesem Fall die Impedanz um 5 bis 7 Ohm
Modifizierung des Designs. Durch die Grafikdarstellung der Si6000b können aussagekräftige Daten zwischen Leiterplattenhersteller und Designer ausgetauscht werden, um Probleme in der Fertigung zu vermeiden.
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