Leiterplattentechnisch - So bauen Sie einen Flex Stack-Up mit kontrollierbarer Impedanz

Impedanz ist ein Maß für die Begrenzung, die von einer Stromschaltung auferlegt wird. Es ähnelt einem Widerstand, aber es berücksichtigt auch die Auswirkungen von Induktivität und Kapazität. Impedanzsteuerung im flexiblen Stack ist unerlässlich, um Signalreflexionen zu reduzieren und zuverlässige Signalintegrität zu erreichen.

Controlled impedance (CI) is the characteristic impedance of the transmission line in the Leiterplatte und der zugehörigen Bezugsebene. Es wird besonders benötigt, wenn sich Hochfrequenzsignale über Leiterplattenspuren ausbreiten.

Warum müssen wir die Impedanz der flexible Leiterplatte?

In der modernen Zeit sind flexible Leiterplatten kleiner, schneller und komplexer geworden. Flexboards werden häufig in Hochfrequenzanwendungen verwendet, wie HF-Kommunikation, Telekommunikation, Berechnungen, die Signalfrequenzen über 100MHz verwenden, Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung und hochwertiges analoges Video, wie DDR, HDMI, Gigabit Ethernet, etc.

Die Signalspur hat an jedem Punkt im Signalweg eine Impedanz. Wenn der Impedanzpunkt vom Punkt abweicht, gibt es Signalreflexion, deren Amplitude von der Differenz zwischen den beiden Impedanzen abhängt. Diese Reflexion breitet sich in entgegengesetzter Richtung zum Signal aus, was bedeutet, dass das reflektierte Signal dem Originalsignal überlagert wird. Warum ist kontrollierte Impedanz wirklich wichtig, um kontrollierte Impedanz besser zu verstehen?

Was ist Impedanzanpassung in PCB?

Wenn es um flexibles LeiterplattenDesign geht, wird die Impedanzanpassung kritisch, da sie häufig in Hochgeschwindigkeitsanwendungen verwendet werden. Es bezieht sich auf die Anpassung der Lastimpedanz mit der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung. Wenn die Lastimpedanz und die charakteristische Impedanz gleich sind, wird die Reflexion in der Übertragungsleitung eliminiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der Empfang des Originalsignals nicht abgeschwächt wird.

Faktoren, die die Impedanz von flexiblen Leiterplatten beeinflussen

Eine flexible Impedanzsteuerung kann erreicht werden, indem die physikalischen Abmessungen der Leiterplatten-Leiterbahnen und die Eigenschaften der verwendeten dielektrischen Materialien geändert werden. Im Folgenden sind die Faktoren aufgeführt, die die Impedanz der flexiblen Leiterplatte beeinflussen.

Die physikalische Größe der Spur

Spurhöhe

Die Breite der oberen Oberfläche der Spur

Breite des Leiterbahnbodens

Der Breitendifferenz zwischen der Oberseite der Spur und der Unterseite der Spur

Die Höhe der Spur von der Bodenebene

Die dielektrischen Eigenschaften der verwendeten dielektrischen Materialien

Die dielektrische Konstante des zugesetzten dielektrischen Materials

Die dielektrische Höhe zwischen der Leiterbahn und der Bezugsebene

Die Dielektrizitätskonstante der Lotmaske oder Deckschicht

Konfiguration der gesteuerten Impedanz der flexiblen Platine

Die gängigste Konfiguration für die Impedanzsteuerung von flexiblen Leiterplatten ist:

Einseitiger Mikrostreifen

So bauen Sie einen Flex Stack-Up mit kontrollierbarer Impedanz

Single-ended Microstrip Linie für flexible Leiterplatten

H1: Die dielektrische Höhe zwischen der Spur und der Referenzebene

W1: die Breite der Unterseite der Spur

W2: die Breite der oberen Oberfläche der Spur

T1: Die Dicke der Spur

Er1: Die dielektrische Konstante zwischen Spur und Referenzebene

Diese Konfiguration hat eine Übertragungsleitung aus gleichmäßigen Leitern (Dicke und Breite) auf der äußeren Schicht des Leiterplattenstapels. Die Referenzebene stellt einen Stromrücklauf für das auf der Übertragungsleitung übertragene Signal bereit. Einseitige Microstrip-Linien ermöglichen dünnere flexible Strukturen, was auch die Flexibilität erhöht und die Gesamtkosten reduziert.

Randbeschichtete differentielle Mikrostreifenlinie

Kantengekoppelte differentielle Mikrostreifenleitung für flexible Leiterplatten

H1: Die dielektrische Höhe zwischen der Spur und der Referenzebene

W1: die Breite der Unterseite der Spur

W2: die Breite der oberen Oberfläche der Spur

T1: Die Dicke der Spur

S1: Das Intervall zwischen den beiden Spuren des Differenzpaares

C1, C2 und C3: Deckschichtdicke an verschiedenen Positionen

CEr: Dielektrizitätskonstante der Deckschicht

Wenn das Signal und seine Ergänzung auf zwei unabhängigen Spuren übertragen werden, wird es als Differenzsignal bezeichnet. Diese Spuren werden Differentialpaare genannt. Die Leiterbahnen werden in einer konstanten Tonhöhe geführt. Einer der Hauptvorteile eines randgekoppelten Differentialpaars besteht darin, dass das Rauschen auf der Bezugsebene beiden Leiterbahnen gemeinsam ist. Dadurch wird das Geräusch am Empfangsende aufgehoben.

Einfachste Bandlinie

So bauen Sie einen Flex Stack-Up mit kontrollierbarer Impedanz

Single-ended Stripline für flexible Leiterplatte

H1: Die Höhe des ersten Dielektrikums

H2: Die Höhe der zweiten Schicht des Dielektrikums

W1: die Breite der Unterseite der Spur

W2: die Breite der oberen Oberfläche der Spur

Er1: Die dielektrische Konstante des ersten Dielektrikums

Er2: Dielektrische Konstante des zweiten Dielektrikums

T1: Die Dicke der Spur

Es implementiert Signalrouting zwischen zwei Bodenebenen in einer Mehrschichtige Leiterplatte. Der Rückweg des Hochfrequenzsignals befindet sich oberhalb und unterhalb der Signalspur auf der Ebene.

Kantengekoppelte Differenzstripline

So bauen Sie einen Flex Stack-Up mit kontrollierbarer Impedanz

Kantengekoppelte Differentialstreifen für flexible Leiterplatten

H1: Die Höhe des ersten Dielektrikums

H2: Die Höhe der zweiten Schicht des Dielektrikums

W1: die Breite der Unterseite der Spur

W2: die Breite der oberen Oberfläche der Spur

Er1: Die dielektrische Konstante des ersten Dielektrikums

Er2: Dielektrische Konstante des zweiten Dielektrikums

T1: Die Dicke der Spur

S1: Das Intervall zwischen den beiden Spuren des Differenzpaares

Diese Konfiguration hat zwei kontrollierte Impedanzspuren, die zwischen zwei Ebenen eingeklemmt sind. Sie ähnelt einer einseitigen Bandlinie. Der einzige Unterschied ist, dass es ein Paar von Leitern hat, die durch einen gleichmäßigen Abstand getrennt sind.

Querschraffierte Referenzebene in flexibler Leiterplatte

Das Verhältnis der schraffierten Leiterbreite (HW) zur schraffierten Tonhöhe (HP) spielt eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung der schraffierten Ebene. Wenn das Verhältnis etwa 0,293 beträgt, kann 50% Kupferabtrag erreicht werden. Je kleiner das Verhältnis, desto größer der zu entfernende Kupferanteil. Im Vergleich zu einer starren Kupferebene ist der einzige Nachteil der flexiblen Steuerimpedanz die Notwendigkeit, einen höheren Steuerimpedanzwert zu haben.

Die schraffierte Bezugsebene bedeutet, dass ein großer Prozentsatz an Kupfer aus der Ebene entfernt wurde. Es hat einen erheblichen Einfluss auf die kontrollierte Impedanz in der flexiblen Leiterplatte. Die gekreuzte Ebene kann keine 100% Abschirmung für Signalspuren bieten. Der Hauptzweck der kreuzschraffierten Bezugsebene ist die Erhöhung der Flexibilität der Leiterplatte.

Die Impedanzsteuerung im flexiblen Design erfürdert einen dickeren flexiblen Kern als der Standard-flexible Kern, um den erforderlichen Impedanzwert zu erreichen. Ein dickerer flexibler Kern erhöht die Gesamtdicke und reduziert die Biegbarkeit.

Die Oberflächenmikrostreifenkonfiguration weicht einem möglichst dünnen flexiblen Kern und bietet ein Höchstmaß an Flexibilität. Die Stripline-Konfiguration ermöglicht eine Abschirmung auf beiden Seiten der Leiterbahn. Diese Konfiguration erhöht jedoch deutlich die Durchbiegdicke, was wiederum die Durchbiegfähigkeit reduziert.

Die flexible Platte besteht in der Regel aus einem Polyimidsubstrat. Im Vergleich zu starren Materialien bieten diese Substrate niedrigere Dk-Werte (3 bis 3,5). Die Dicke des flexiblen Materials ist immer gleichmäßig. Dies macht sie ideal für flexible Steuerungsimpedanz-Design.

Es gibt zwei Arten von Polyimidmaterialien: klebstoffbasierte Materialien und klebstofffreie Materialien. Für flexible CI-Designs können sowohl klebstofffreie als auch klebstoffbasierte Materialien verwendet werden. Aufgrund der konstanten Ergebnisse eignen sich binderfreie Materialien jedoch besser für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Fortschrittliche Materialien wie Teflon und Teflon/Polyimid-Hybridmaterialien eignen sich für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Diese Materialien sind teurer als Polyimidmaterialien. Standard-klebstofffreie Polyimidmaterialien erfüllen die Konstruktionsanforderungen der kontrollierten Impedanz bei gleichzeitiger Kostenreduzierung. Sierra Circuits verwendet DuPont-Materialien für flexible Leiterplatten.

Die kontrollierte Impedanz ist einer der Schlüsselfaktoren, um Signalreflexionen in der Leiterplatte zu minimieren.