Würth Elektronik Circuit Board Technology

Webinar 2014: Vorteile für Starrflex & Co.:
Impedanzkontrolle für gute Signalintegrität
Würth Elektronik Circuit Board Technology
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03.09.2014
Agenda
S Impedanz und Leiterplatte
I Signalintegrität bei Starrflex
G Designoptionen bei Starrflex
N Kooperativer Designablauf
A Messung und Dokumentation
L Zusammenfassung, Q&A
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Warum kommt das Signal nicht unverändert an?
Schnittstellen
Spezifikation
Quelle: Polar
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Impedanz und Leiterplatte
 Leiterplatte ist kein ideales Übertragungsmedium zwischen Sender
und Empfänger
 Veränderung der Information in der Leiterplatte u.a. durch:
•
•
•
•
•
•
•
•
Länge und Breite des Leiters
Verluste durch ohmsche, kapazitive und induktive Widerstände
Basismaterial - Verlustfaktor und Dielektrizitätskonstante
Leiter Querschnittsänderungen = Impedanzsprünge
Wechsel von Bezugspotenzialen = Impedanzsprünge
Reflexionen aufgrund von DK - Bohrungen
Übersprechen zwischen Leitern (crosstalk)
Störeinstrahlung von externen Quellen (z.B. EMV Abschirmung)
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Signalintegrität und Leiterplatte
Kernthemen:
 Impedanz Leistungsanpassung
 Laufzeit / Gruppenlaufzeit (Timing)
 Reflexionen
Beispiel aus USB3-Schaltung:
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Impedanz angepaßte Leiterplatte


Die Leiterplatte als Kommunikationsträger
Optimale Situation: Leistungsanpassung Z=Konstant  Impedanz definierte Leiterplatte
T
Empfänger
Sender
Z Leitung=50Ω
Z Quelle=50Ω
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Leiterplatte
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Z Empfänger=50Ω
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Parameter bei der Leiterplatte

Einfachstes Modell: Single Strip Line mit einer Referenzlage
Annahme:
verlustfreie Übertragung
R;G=0
R
Z=
R+jωL
R;G=0 Widerstands und Ableitungsbelag
C
G+jωC
L
Z=
L
C
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Parameter bei der Leiterplatte
L ist im wesentlichen die
Länge des Leiters
Z=
L
C
R
C ist im wesentlichen bestimmt durch:
Länge x Breite; Abstand; εr
C
L
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Modelle: Lagen / Leiterbahn Konfiguration
Lagen Konfiguration:
Surface
Coplanar
Embedded
Microstrip
Surface
Microstrip
Stripline
Leiterbahn Konfiguration:
line width
Single Ended
line width
space
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Differential Pair
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Parameter für die Impedanzberechnung
C2
Dicke Lötstopplack
über Leiterbahn
S1
Leiterbahnabstand
Layout
W2
Leiterbahnbreite (Kopf)
T1
Kupferschichtdicke
r
Dielektrizitätskonstante
Lötstopplack
[typ. 3,5]
C1=C3
Dicke Lötstopplack
über FR4
H1
Isolationschicht
Signal > Referenzlage
r
W1
Leiterbahnbreite (Fuß)
= Layout
Dielektrizitätskonstante
FR4
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Wirkung der Parameter
Impedanz - Einflussgrößen
mittel
klein
stark
stark
Leiterbreite
Kupferschichtdicke
Lagenabstand
Dielektrizitätkonstante
εr
w+h = Layouter / Entwickler
+ Leiterplattenhersteller
t
t = Galvanikprozess, Basiskupfer
εr = Basismaterial
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w
h
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Besonderheiten bei Starrflex
 großer Materialmix
(Starrmaterial, Flex-Kerne, Kleber, Bondply, etc.)
 unterschiedliche Aufbauten im Starr- und
Flexbereich
– Beispiel: Symmetrical-Strip-Line aus Rigid führt in
Surface Strip Line im Flex


geringe r Werte bei Polyimid
geringe dielektrische Abstände
– Standard Polyimid: 50µm
– Dickere PI-Filme extrem teuer
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Besonderheiten bei Starrflex
Lösungsansatz:
 Zielimpedanz festlegen
 Impedanzmodell auswählen
 H der Flexlage wählen
– (! 75µm / 100µm PI sind Preistreiber!)
– ? Fibt es mechanische Anforderungen
(Biegeradien, dynamische Biegungen)?
 Simulation: Leiterbahnbreiten anpassen.
Wmin mit LP-Hersteller absprechen
 „Hatch“ - Option Referenzlage
Zflex = Zrigid
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Es erfolgt eine Umfrage
Welcher Parameter muss speziell bei Starrflex beachtet werden und
hat einen großen Einfluß auf die Impedanz?
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Auswirkung line / space Parameter
Designstrukturen, Polyimid 50µm
100
95
Leiterbreite
Z diff []
90
85
100µm
80
125µm
75
150µm
70
65
60
55
50
100
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150
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200
Abstand [µm]
250
300
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Hatch: aufgerasterte Referenzlagen
Referenzlagen mit cross-hatch
microstrip 125µm/150µm/125µm
130
Polyimidfilm
120
100µm
Z diff []
110
75µm
100
50µm
90
80
70
60
25%
Kupferöffnungen
•
verbessern die Biegbarkeit
•
Trocknung des Flexmaterials
•
erhöhen die Impedanz
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50%
75%
cross-hatch Kupferanteil
100%
Tipp für diff. pair:
(hier 20% Cu)
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Referenzlage mit “shield opening”
Differentielles Leiterpaar im Flexbereich
• unter Leiterpaar 100% Kupfer
• restliche Flächen aufgerastert für Trocknung!
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IPC 2223
03.09.2014
Berechnung und Dokumentation 5Ri-4F-5Ri
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03.09.2014
Berechnung und Dokumentation 5Ri-4F-5Ri
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Berechnung und Dokumentation 5Ri-4F-5Ri
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Lagen Konfiguration: 1-lagig im Flex- / Biegebereich
Surface Coplanar – ohne Referenzlage

Starrflex 1F–xRi

FR4 Semiflex 1Ri–xRi
Anmerkung:
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Lagen Konfiguration: 2-lagig im Flex- / Biegebereich
Surface Microstrip – mit 1 Referenzlage

Starrflex xRi–2F–xRi

FR4 Semiflex 2Ri–xRi
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03.09.2014
Lagen Konfiguration: > 2-lagig im Flexbereich
Stripline – mit 2 Referenzlagen

Starrflex > xRi–2F–xRi, z.B. 1Ri–6F–1Ri
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Impedanzmessung mit Testcoupons

Standard
23
mm
– Single ended
– Differentiell pair
28
mm

Spezifisch
150 mm
– Flex und starrflex möglich
– Kleiner zur Integration in den
Nutzenrand
– Gemischte Modelle
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Impedanzmessung







TDR Technology
Windows Oberfläche
10% - 90% rise time lower than 65ps
Ultra stable time base (RMS-Jitter < 500fs)
Analog sampling bandwidth > 10GHz
All specifications valid for 0°C ≤ T ≤ 40°C
High stability w/o recurring calibrations

Deutsches Produkt
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03.09.2014
Impedanzmessung Diagramm
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Impedanzmessung Protokoll
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03.09.2014
Es erfolgt eine Umfrage
Welcher Punkt ist Ihnen am Wichtigsten?
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03.09.2014
Dientleistungen
Zusammenfassung
Signalintegrität bei Starrflex
 Starrflex und Semiflex haben systematische
Vorteile
 konstruktive Besonderheiten erfordern
entsprechende Maßnahmen
 NEU: Ganzheitliche Berechnung und
Dokumentation
 NEU: Möglichkeit, gerasterten Referenzlagen
zu rechnen
 Design und Messung von starrflexiblen
verkleinerten Impedanz Testcoupons
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03.09.2014
Die Kenntnis der Zusammenhänge ist ein Erfolgsgeheimnis!
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Andreas Schilpp
WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG
Produkt Management
Circuit Board Technology
T.: +49 7940 946 330
E. [email protected]
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