Berechnung differentieller und koplanarer Impedanzen auf FR4

Applikationsschrift 125

Berechnung differentieller und koplanarer Impedanzen auf FR4

Wie die Zusammensetzung von FR4-Material die Impedanz beeinflusst. FR4 ist ein Kompositmaterial, dessen Dielektrizitätskonstante Er näherungsweise bei 4.2 liegt. Forschungen im Bereich der Impedanzvorhersage von Edge coupled differentiellen und koplanaren Strukturen haben ergeben, dass für optimale Ergebnisse die Zusammensetzung des Kompositmaterials berücksichtigt werden muss. Die zwei Hauptbestandteile von FR4 sind Glas mit einer Dielektrizitätskonstanten Er von ca. 6 und Harz mit einem Er von ca. 3. Die Basismaterialhersteller geben meist eine Dielektrizitätskonstante des Kompositmaterials der Stufe "c" mit 4.2 an.
	Die Abbildung links zeigt die Verteilung des elektrischen Feldes in einer Edge Coupled Surface Microstrip-Structure. Die schmale Verteilung zeigt das Feld in einer Struktur, bei welcher das differentielle Paar einen geringen Abstand aufweist. Die breitere Kurve zeigt, wie sich das Feld ausbreitet, wenn der Abstand (S) der Leiter vergrössert wird. Die tatsächliche Struktur ist darunter um 90 Grad gedreht abgebildet, um die Feldverteilung zu verdeutlichen: Die rote Kurve zeigt ein starkes Feld zwischen den zwei Leiterbahnen, jedoch kein Feld zu den Masseflächen. Die gelbe Kurve stellt ein differentielles Leitungspaar mit grösserem Abstand und einer Feldverteilung bis zur Messefläche dar. FR4 Boards bestehen aus Schichten von Kern- und Prepreg-Material. Befindet sich die Glas-Schicht näher zur Oberfläche und die Leiterbahnen sind nahe aneinander (rote Kurve in Abb.), dann breitet sich das Feld in einem Dielektrikum aus, dessen Er eher jenem von Glas entspricht als dem Er von Harz. Auf Innenlagen wird der Spalt zwischen den beiden Leiterbahnen mit Harz gefüllt, was zu einer niedrigeren effektiven Dielektrizitäts-konstanten führt. Die Grösse der Änderung hängt von der Leiterplatten-konstruktion, dem Leiterplattenhersteller und dem Produktionsprozess ab. Um eine maximale Ausbeute zu erreichen, ist es erforderlich, mit dem Leiterplattenhersteller eng zusammenzuarbeiten und auch zu berücksichtigen, dass das Laminat aufgrund dessen Zusammensetzung keine “idealen” theoretischen Eigenschaften aufweist.
Die Kurve rechts stammt von aktuellen Daten, welche zur Überprüfung von Polar´s CITS25 Impedanzkalkulator dienten. Die Gesamtverteilung des Fehlers entspricht der normalen Kurve, die Analyse der drei Spitzen weist jedoch auf die oben beschriebenen Fehlerquellen durch die Materialeigenschaften hin. die Daten basieren auf 1200 Muster von 3 verschiedenen Leiterplattenherstellern. die Impedanz wurde anhand von rückführbaren Referenz-Eichleitungen verifiziert.
Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit. wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit relevant ist, gilt: Vp = c / Quadratwurzel aus Er Die Änderungen des effektiven Er haben auch einen Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit und müssen bei kritischen Designs ebenso wie die Impedanz berücksichtigt werden.
Zusammenfassend gilt, dass man die nicht-idealen elektrischen Eigenschaften des Substrates besonders bei differentiellen Edge Coupled-Strukturen und koplanaren Aufbauten berücksichtigen muss. Eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Entwickler und dem Leiterplattenhersteller ist für optimale Ergebnisse unabdingbar.
Quelle: Calculation of the Differential Impedance of Tracks on FR4 Substrates Dr J. Alan Staniforth, Gary Rich, Chris Gregg


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