Resonanzen

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Transmission Line
16. Februar 2024
 
 

Prepreg Material


Betrachtet man den Querschnitt eines PCB-Laminats unter dem Mikroskop erkennt man, dass das Substrat kein homogenes Material ist. PCB-Laminate (Prepregs) bestehen aus einer Glasfaserwebestruktur, bei der das Glasgewebe mit Harz ummantelt wird.

Die elektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante εr) des Prepregs sind aufgrund dessen, dass sich Harz und Glasgewebe abwechseln sehr unterschiedlich (siehe Abbildung unten). Dies führt wiederum zu Signalintegritätsproblemen mit Dispersion, Absorption und Änderungen der effektiven Dielektrizitätskonstante entlang der Verbindung.


 

Bei Signalen mit langsamer Flankensteilheit grösser 2ns können die Verzerrung klein ausfallen (kaum bemerkbar). Es ist jedoch zu beachten, dass die meisten heutiger IC’s schnellere Flanken aufweisen. Dies führt zu erheblichen Impedanzproblemen. Die Abbildung oben zeigt ein Beispiel eines 1080 Prepreg Materials: Gemäss Messungen einer Impedanzgeführten Leitung, wurden alternierend Werte zwischen 88Ω und 117Ω gemessen, anstelle von konstanten 100Ω.

Das Glasgewebe hat einen sehr geringen Verlust und eine Dielektrizitätskonstante nahe 6. Auf der anderen Seite hat das Epoxid einen gewissen Verlust und eine Dielektrizitätskonstante von etwa 3.8 oder weniger. Dieses Beispiel zeigt auf, dass Leiterplattensubstrate wie FR4 inhomogen sind und die Wahl der richtigen Materialen eine wichtige Rolle spielt.

Wirft man einen Blick auf die folgende Abbildung zeigt dieser den Aufbau einer Faserbindung im Substrat mit zwei Leiterbahnen, die in einem Winkel entlang des Substrats angeordnet sind.


Die Glasbereiche und die Epoxidbereiche haben unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten, so dass die Impedanz in jedem Bereich unterschiedlich ist. Im Allgemeinen weist ein Substrat mit einem engeren Glasgewebe (d.h. kleineren Poren zwischen den Glasabschnitten) geringere Schwankungen auf die Impedanzen auf. Diese Unterschiede in der effektiven Dielektrizitätskonstante entlang der Leiterbahn erzeugen zwei Effekte:

Zeitversatz „Skew“

Bei niedrigen Taktraten ist der Versatz zwischen den Signalen klein. Sind die Leiterbahnen innerhalb einer gewissen Toleranz längenangepasst, wird der Versatz kaum bemerkt. Bei steilen Flanken und einer Geschwindigkeit ab 480 Mbit/s oder höher wird ein Versatz zwischen den Leiterbahnen jedoch parallele Signale vollständig desynchronisieren. Bei differentiellen Paaren eliminiert dies die Gleichtakt-Rauschimmunität und verursacht Bit-Fehler.

Impedanz- und Ausbreitungsgeschwindigkeit

Da das εr des Prepregs die Verluste in der Leiterbahn bestimmt, variiert auch dementsprechend die Impedanz sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Dispersion) der Leiterbahn. Diese Effekte sind minimal, solange die Verbindungen relativ kurz sind, ansonsten ist mit Signalverzerrung durch Dispersion zu rechnen (Abbildung unten).


Wenn zwei Leiterbahnen parallel entlang des exakt gleichen Prepreg-Musters verlegt werden, erfahren die beiden Leiterbahnen aufgrund der Dispersion die gleiche totale harmonische Verzerrung, was die Möglichkeit von Bitfehlern ausschliesst. In einem praktischen Fall ist dies aber unmöglich.

Prepreg Resonanz


Dieses spezielle Problem wird von vielen Elektronik Ingenieuren ignoriert. Da Signale periodisch in eine Verbindung eingespeist werden und sich entlang einer Bahn ausbreiten, ist das Signal nicht wirklich innerhalb des Leiters begrenzt. Ein Teil des elektromagnetischen Feldes tritt in das Substrat ein, während sich das Signal entlang dieser Bahn bewegt. Dadurch bleibt ein Teil des elektromagnetischen Feldes zwischen Glasgeweben und Epoxidbereichen im Prepreg eingeschlossen.

Reflexion
Der hohe *Brechungsindex Kontrast zwischen dem Glasgewebe und dem Epoxid führt zu einer relativ starken Reflexion. Dies reicht aus, um eine Überlagerung zwischen einfallenden und reflektierten Wellen in diesen Substrathohlräumen zu bewirken. Das bedeutet, dass Hohlräume zwischen Glasgewebe und Epoxidharz ein gewisses Resonanzfrequenzspektrum aufweisen. Gleiches gilt für analoge Signale. Diese Resonanz kann induktives Übersprechen in einer weiteren nahegelegenen Leiterbahn erzeugen. *Brechungsindex Kontrast, ist gegeben durch = (n12-n 22) / (2n12), wobei n1 die maximale Brechungsindex im Kern ist und n2 der Brechungsindex von der homogenen Fassade. Termwiki.com


Simulation

Einige einfache Messungen mit Testpunkten auf Leiterplatten können helfen, den durchschnittlichen Versatz zwischen parallelen Signalen auf dem Board zu bestimmen (dafür muss jedoch das Board fertig entwickelt, designed sowie produziert sein).

Eine andere Möglichkeit ist die sogenannte Signal Integrity Analyse zu machen. Dabei werden alle Parameter wie Kupfergeometrie, Lagenaufbau, PCB Material etc. anhand von ODB++ Daten eingelesen und simuliert (siehe Abbildung unten).

Wenn der Effekt des FR4 Leiterplatten Materials bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden kann, können die entsprechenden Toleranzen für das Routing so festgelegt werden, um sicherzustellen, dass keine Signalintegritätsprobleme auf Leiterplatten auftreten.

Die Analyse und Kompensation des Materialeffekts in jedem PCB-Substrat kann eine schwierige Aufgabe sein, aber Sie können alle für die Kompensation erforderlichen Massnahmen als Designregeln und Einschränkungen definieren, wenn Sie das richtige PCB-Design und -Analysesoftwarepaket verwenden.


Melya Systems Team


Wir haben uns als Ziel gesetzt, auf dem neusten Stand in den Gebieten der EMV, Highspeed sowie in Signal- und Power Integrity zu sein. Somit ist unser Team in der Lage die optimalste Elektronik für den Kunden zu realisieren.
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