Optimale Vorgehensweisen bei der Materialauswahl für High-Speed-PCBs

June 15, 2017 CircuitStudio

Substrate Dielektrika

 

Ich habe es vor kurzem mit Speed-Dating versucht, es ging nicht gut. Das Date war in einem schönen Restaurant in der Nähe meines Hauses. Ich wollte einen guten Eindruck machen und mich von den anderen abheben, also beschloss ich, mein schönes Samthemd anzuziehen. Es hat sich herausgestellt, dass Samt anscheinend nicht so edel wirkt, wie ich dachte, und bin ohne auch nur eine einzige Telefonnummer nach Hause gegangen. An diesem Abend habe ich herausgefunden, dass Materialien eine große Rolle spielen können, und konnte diese Einsicht überraschenderweise auch für das PCB-Design nutzen. Genau wie sich der Stoff, aus dem ein Hemd besteht, auf die Erfolgsaussichten beim Speed-Dating auswirken kann, kann das Material Ihrer Platine Einfluss auf die Signalqualität Ihrer High-Speed-Schaltungen haben. Sie können die Signaldämpfung auf Ihrer Platine minimieren, indem Sie sich für die richtige Glasfaser, das richtige Harz und die richtige Kupferfolie entscheiden. Eine Reihe optimaler Vorgehensweisen kann Ihnen bei der Auswahl der optimalen Kombination helfen; zudem sollten Sie auf den Preis achten und einige weitere Faktoren berücksichtigen.

 

Dicker Amor

Sie sind dafür verantwortlich, Ihre Schaltung mit dem richtigen High-Speed-Substrat zusammenzubringen.

 

Warum sind Materialien wichtig?

 

Mit den richtigen PCB-Materialien sorgen Sie dafür, dass Ihre Schaltkreise keine widersprüchlichen Signale senden. Verluste durch geringwertige Dielektrika oder suboptimale Kupferfolie können schwerwiegendere Auswirkungen haben, als Sie vielleicht glauben.

 

Auf welche Art und Weise sorgen Dielektrika für Verluste in Ihrem System? Alle Dielektrika bestehen aus polarisierten Molekülen. Diese Moleküle vibrieren in den von Signalen erzeugten Magnetfeldern. Je höher die Frequenz ist, desto mehr Vibration entsteht, was zu Energieverlusten in Form von Wärme führt. Diese Energieverluste lassen sich durch den Einsatz von Dielektrika mit geringen Verlustfaktoren verringern, doch dazu kommen wir später.

 

Weitere bedeutende Verluste entstehen auch durch die Kupferleiter selbst. Vielleicht erinnern Sie sich daran, dass Sie an der Hochschule von Eindringtiefe gehört haben. Denken Sie daran, dass Elektronen nicht immer mittig durch Leiter fließen. Bei höheren Frequenzen sind die Stromflüsse auf eine maximale „Eindringtiefe“ beschränkt. Wenn Ihr Leiter mit Nickel beschichtet ist, kann das bedeuten, dass ein Großteil des Stroms durch diese Nickelschicht fließt. Und voilà, es gibt Verluste. Sogar wenn Ihr Leiter vollständig aus Kupfer besteht, kann das Mikroprofil des Kupfers einen Unterschied machen. Weist das Kupfer Mikrograte auf, wird der Strom diese Grate hinauf- und hinunterfließen, was zu höheren Widerständen und Verlusten führt.

 

Die Dielektrika und Leiter auf Ihrer Platine können einen enormen Unterschied für die Signalqualität ausmachen. Lassen Sie uns daher kurz darüber sprechen, wie man diese Variablen beeinflussen kann.

 

RF-Elektronik-Schaltung
Das Substrat wird gerne außer Acht gelassen, ist aber dennoch sehr wichtig.

 

Welche Möglichkeiten stehen zur Auswahl?

 

Es gibt zwei Hauptvariablen, auf die man Einfluss nehmen kann, um Verluste zu verringern: Ihr Substrat und Ihre Folie.

 

  • Substrat –  Ihr PCB-Substrat kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Möglichkeiten reichen dabei von Epoxidharz über Glasfasergewebe bis hin zu Keramikplatten. Für High-Speed-Schaltungen ist ein Substrat mit einer möglichst niedrigen Dielektrizitätskonstante (Dk) die beste Wahl.
  • Folie –  Sie wissen sicher, was Kupferfolie ist; aber vielleicht war Ihnen noch nicht bekannt, dass es unterschiedliche Folienoptionen gibt. Dabei ist natürlich die Option mit dem geringsten Widerstand die beste Variante.

 

Optimale Vorgehensweisen

 

Es gibt mehrere optimale Vorgehensweisen, die Ihnen bei der Auswahl des richtigen Substrats und der richtigen Folie für Ihre High-Speed-Anwendung helfen.

 

  • Abstimmung der Dielektrizitätskonstanten – Beim Dating wollen Sie, dass zwei Persönlichkeiten gut zueinander passen – und bei PCBs sind es die Dks. Wenn das PCB-Substrat aus einem Harz und einem Gewebe besteht, können die Dks dieser Materialien unterschiedlich sein. Uneinheitliche Dks in Ihrem Substrat werden unweigerlich zu Problemen führen. Sie sollten sich bei Ihrem Hersteller erkundigen, um sicherzustellen, dass die Dks aller Ihrer Substrate möglichst wenig differieren.
  • Abstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) – Bei Substraten gibt es mehrere temperaturbezogene Merkmale, doch wir wollen hier nur auf den WAK eingehen. Wenn Sie auf ein Doppel-Date gehen, wird sich die Kompatibilität des guten Freundes oder der guten Freundin auf Ihre auswirken. Der WAK Ihres Substrates kann Einfluss auf dessen Dk haben. Wenn die Komponenten Ihres Substrates unterschiedliche WAKs aufweisen, kann es sein, dass sie sich bei der Herstellung oder während des Betriebs unterschiedlich ausdehnen. Bei der Herstellung kann dies zu Defekten führen. Beim Betrieb könnte sich die physische Geometrie des Substrates ändern und zu uneinheitlichen Dks führen. In Liebesdingen wäre damit die Beziehung zerrüttet.
  • Dichtes Substratgewebe – In einer Beziehung ist es wichtig, dass die Abstimmung mit dem Partner engmaschig funktioniert. Auch der gewebte Teil Ihres Substrates sollte so engmaschig wie möglich sein, denn ein locker gewebtes Substrat führt unweigerlich zu unterschiedlichen Dks und damit zu Problemen.
  • Meiden Sie FR4 – Eigentlich war es offensichtlich, dass es keine kluge Idee war, ein Samthemd zum Speed-Dating anzuziehen, aber ich habe es trotzdem getan. Genauso offensichtlich ist es, dass man ein Substrat mit einem geringen Verlustfaktor verwenden sollte. Und trotzdem gibt es immer noch Leute, die FR4 für ihre High-Speed-Schaltungen verwenden. FR4 ist definitiv nicht für High-Anwendungen geeignet, verwenden Sie also auf jeden Fall ein anderes Material.
  • Verwenden Sie eine glatte Folie – Schönheit und Strom haben eines gemeinsam: Sie sind recht oberflächlich. Mit einer glatten Kupferfolie stellen Sie sicher, dass die ohmschen Verluste möglichst niedrig ausfallen, auch bei besonders hohen Frequenzen.
  • Verwenden Sie eine gut leitende Folie – Wenn Sie eine geringe Eindringtiefe haben, sollten Sie Kupfer nicht mit schlecht leitendem Material beschichten. Der Strom wird  durch diese schlecht leitenden Materialien fließen und somit die Qualität der Schaltung beeinträchtigen.

 

Welle auf dem Oszilloskop

Verhindern Sie, dass Ihre Rechtecksignale zu Sinuswellen werden.

 

Weitere Aspekte

 

Toby Keith sang einst: „A high maintenance woman don’t want no maintenance man.“ (Eine Frau mit hohen Ansprüchen will keinen Hausmeister.) Bevor Sie sich also auf die Suche nach dem perfekten PCB machen, vergewissern Sie sich, dass Sie dessen Anforderungen erfüllen können. Gute High-Speed-Platinen sind teurer als ein schickes Abendessen mit einer Dame bei Kerzenlicht. Sie sind auch schwerer herzustellen als eine erfundene Freundin für eine Familienfeier (fragen Sie lieber nicht…).

 

 

  • Kosten – Einfach gesagt: High-Speed-Substrate sind teuer. Die Leute verwenden gerne FR4, weil es einfach und günstig ist. Das Gleiche gilt für McDonald‘s, aber damit sichern Sie sich definitiv kein zweites Date. Es gibt ein paar potenziell sinnvolle, kostengünstige High-Speed-Substrat-Materialien auf dem Markt. Achten Sie allerdings darauf, dass sie nicht zu schön sind, um wahr zu sein.
  • Herstellungsdefekte – Das haben wir bereits angesprochen, erinnern Sie sich? Bei High-Speed-Materialien kommen solche Mängel sogar noch häufiger vor. Manche Materialien, wie z. B. PTFE, sind besonders anfällig für Defekte. Stellen Sie sicher, dass Sie sich mit dem richtigen Hersteller einlassen, bevor Ihre Platinen und Ihr Herz in Scherben liegen.

 

Meine Speed-Dating-Erfahrung bestand buchstäblich aus einer Reihe attraktiver Frauen, die ziemlich verwirrt auf mein Hemd starrten. Dieser Artikel mag auch verwirrend für Sie gewesen sein, aber geben Sie nicht auf. Vergessen Sie nicht, dass Sie der Herr über Ihr Substrat und der Herrscher über Ihre Folie sind. Wenn Sie den in diesem Artikel beschriebenen optimalen Vorgehensweisen folgen, können Sie den mit Signalverlusten verbundenen Liebeskummer vermeiden. Lassen Sie auch die Faktoren Kosten und Herstellungsdefekte nicht außer Acht.

 

Das Reich der Leiterplatten ist sogar noch verwirrender als die Welt der Liebe. Mit der richtigen PCB-Design-Software, die genau zu Ihren Anforderungen passt, können Sie perfekte Leiterplatten erstellen. CircuitStudio kann zwar nicht die Materialien für Ihre Leiterplatte auswählen, ist aber eine große Hilfe beim Design von Platinen. Sehen Sie sich nur die breite Palette leistungsstarker Funktionen an. Gern geschehen!

 

Brauchen Sie eine wenig Modeberatung für sich oder Ihre Platine? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.

 
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