Im Prozess des PCB-Designs hängt die Auswahl des PCB-Materials hauptsächlich von den folgenden Faktoren ab: Kosten, elektrischer Leistung, Bearbeitbarkeit, Wärmebeständigkeit, UL-Zertifizierung usw.
Der Materialpreis beeinflusst die gesamten Kosten von Leiterplatten; die elektrischen Eigenschaften des Materials stehen in direktem Zusammenhang mit der Signalintegrität; die Bearbeitbarkeit und die Wärmebeständigkeit des Materials bestimmen die Zuverlässigkeit von Leiterplatten; die UL-Kompatibilität des Materials ist eine Voraussetzung für die Beantragung eines UL-Zertifikats. Unter all diesen zu berücksichtigenden Faktoren sollten Bearbeitbarkeit, Wärmebeständigkeit und UL-Zertifikat im Prozess des Leiterplattendesigns für Produkte in allen Bereichen berücksichtigt werden.
Für Leiterplatten in Kommunikationsnetzwerken werden jedoch Leiterplattenmaterialien auf unterschiedlichen Ebenen benötigt, da es Anforderungen von hoher bis niedriger Geschwindigkeit gibt. Elektrische Leistung und Materialkosten beeinflussen sich in der Regel gegenseitig, sodass Materialien höherer Klassen normalerweise eine hervorragende elektrische Leistung aufweisen, jedoch auch mit hohen Kosten verbunden sind. Darüber hinaus treten Preisunterschiede zwischen Materialien derselben Klasse aufgrund unterschiedlicher Materialtypen auf.
Wie man eine Materialart auswählt, die sowohl die Anforderungen an die elektrische Leistung der Leiterplatte erfüllt als auch die Kostenkontrolle berücksichtigt, hängt von einer genauen Beurteilung und Identifizierung der Dk/Df-Werte ab, die die elektrischen Leistungsparameter widerspiegeln, von der Abstimmung von Kupferfolie mit geringer Rauheit zur Sicherstellung der elektrischen Leistung sowie von den Kostenunterschieden zwischen den verschiedenen Materialtypen.
Daher werden in diesem Artikel zwei Aspekte – elektrische Leistung und Kosten – im Hinblick auf die Auswahl des PCB-Materials analysiert.
• Identifizierung und Vergleich von Leiterplattenmaterialien hinsichtlich ihrer elektrischen Leistung (Dk/Df)
Um sicherzustellen, dass das ausgewählte Material die Anforderungen an die Signalintegrität erfüllt, besteht die erste Aufgabe darin, Leiterplattenmaterialien hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften (Dk/Df) zu beurteilen und zu vergleichen.
a. Vergleichsmethoden und Beurteilungsmaßstab der elektrischen Leistung zwischen Materialien
Der Vergleich der elektrischen Leistung zwischen Materialien verschiedener Lieferanten sollte mit derselben Prüfmethode und unter denselben Bedingungen durchgeführt werden, um eine möglichst objektive Referenz zu gewährleisten.
Obwohl die Dk/Df-Werte des entsprechenden Prepregs und der Kernplatte in den von den Lieferanten bereitgestellten Spezifikationen angegeben sind, ist es nicht akzeptabel oder wissenschaftlich, sich direkt auf diese Spezifikationsdaten zu beziehen. Ein echter Vergleich der elektrischen Leistung zwischen PCB-Materialien sollte auf experimentellen Daten basieren, da sich Testmethoden und Testbedingungen von Lieferant zu Lieferant unterscheiden. Selbst wenn dieselbe Testmethode angewendet wird, können aufgrund unterschiedlicher Vorgehensweisen dennoch Abweichungen auftreten.
Der Bewertungsmaßstab für die elektrische Leistung von PCB-Materialien sind die Werte von Dk und Df sowie deren Stabilität bei jeder Frequenz. Niedrige Dk-/Df-Werte verringern den Einfügeverlust, und es ist zu beachten, dass bei zunehmend hochfrequenten Designs Df als Parameter wichtiger ist als Dk. Stabilität bedeutet, dass sich Dk/Df mit steigender Testfrequenz nicht deutlich ändern sollten, da dies für die Signalintegrität nicht vorteilhaft ist. Die folgende Formel zeigt den Zusammenhang zwischen Dk/Df und Einfügeverlust:
b. Vergleichsproben zwischen Materialien auf der Grundlage praktischer Testergebnisse
1). Beispiel-Testdatenakkumulation
Materialien der Klassen 0 und 1 weisen eine bessere elektrische Leistung auf und werden ausschließlich in Super-High-Speed-Leiterplatten eingesetzt. Tabelle 1 zeigt den Ergebnisvergleich von 8 Materialien in zwei Klassen nach dem Dk/Df-Test.
2). Vergleich von Dk
Basierend auf Tabelle 1 sollte, wenn der Vergleich gemäß den Spezifikationsdaten durchgeführt wird, die Reihenfolge von Dk entsprechend seinem Einfluss 6＞3＞5＞7＞8＞4＞2=1 sein.
Unter denselben Bedingungen sollte die Reihenfolge von Dk entsprechend seinem Einfluss 6>5>8>3>7>4>2>1 sein, was ein vernünftiges Ergebnis darstellt. Darüber hinaus lässt sich feststellen, dass Dk sich in der Regel mit steigender Prüffrequenz verändert. Auf Grundlage der Testergebnisse zeigt Dk jedes Materials bei 10 GHz und 15 GHz eine ausgezeichnete Stabilität, wobei seine Änderung innerhalb von 0,03 bleibt.
3). Vergleich von Df
Basierend auf Tabelle 1 sollte, wenn der Vergleich gemäß den Spezifikationsdaten durchgeführt wird, die Reihenfolge von Df entsprechend ihrem Einfluss 6>5>7>8>3>2=1>4 sein.
Unter denselben Bedingungen sollte die Reihenfolge von Df entsprechend seinem Einfluss 5>8>3>6>4>7>2>1 sein, was ein vernünftiges Ergebnis darstellt. Darüber hinaus lässt sich feststellen, dass Df mit steigender Prüffrequenz in der Regel ebenfalls ansteigt. Auf Grundlage des Testergebnisses zeigt Df jedes Materials bei 10 GHz und 15 GHz eine ausgezeichnete Stabilität, wobei seine Änderung innerhalb von 0,0005 liegt.
4). Vergleich und Beurteilung der elektrischen Leistung von Materialien
Gemäß Teil a in diesem Abschnitt weist Material Nr. 5 die beste elektrische Leistung auf, da es den besten Df und einen relativ hervorragenden Dk besitzt. Danach folgt Nr. 8, da es in Bezug auf Dk und Df direkt hinter Nr. 5 liegt. Dann kommt Nr. 3. Obwohl Nr. 6 den besten Dk aufweist, liegt Df nur an vierter Stelle. Danach folgen Nr. 4 und 7. Die elektrische Leistung ist beim Material Nr. 1 am schlechtesten. Zusammenfassend sollte die Reihenfolge der elektrischen Leistung 5>8>3>6>4>7>2>1 sein.
• Verwendung von Kupferfolie mit geringer Rauheit
Die folgende Formel zeigt den Zusammenhang zwischen der Rauheit der Kupferfolie, dem Skineffekt und den Leiterverlusten.
In dieser Formel,aBedingung, grobbezieht sich auf die Einfügedämpfung von Leitern;RRMSbezieht sich auf die Rauheit der Kupferfolie;δbezieht sich auf den Skineffekt;fbezieht sich auf die Frequenz;μundσbeziehen sich auf die Leitfähigkeit und die Permeabilität des Materials.
Auf der Grundlage dieser Formel kann gefolgert werden, dass eine Zunahme der Rauheit der Kupferfolie zu einer Erhöhung der Leiterverluste führt. Die Rauheit herkömmlicher Kupferfolie beträgt in der Regel mehr als 6 μm. Dank der Übertragungsanforderungen für Hochgeschwindigkeitssignale wurden Reverse-Treated-Foil (RTF) und VLP-Kupferfolie entwickelt und eingesetzt, deren Rauheit der Kupferfolie etwa 3 μm beträgt. Höhere Anforderungen an Hochgeschwindigkeitssignale fördern eine Rauheit von 1 μm bis 2 μm, wie sie für HVLP- oder ähnliche Kupferfolien charakteristisch ist.
Im Prozess der Auswahl von PCB-Materialien wird Kupferfolie mit geringer Rauheit eingesetzt, um die Einfügedämpfung zu reduzieren und die elektrischen Eigenschaften des Materials zu verbessern. Auf Grundlage des Experiments lässt sich zusammenfassen, dass ab Material Nr. 4 RTF- oder VLP-Kupferfolie ausgewählt werden sollte und auf HVLP- oder ähnliche Kupferfolie aufgerüstet werden kann, sodass die elektrischen Eigenschaften des Materials verbessert und die Leiter-Einfügedämpfung verringert werden. Der Unterschied in der Einfügedämpfung, der sich aus der unterschiedlichen Rauheit der Kupferfolie ergibt, wird mit der Erhöhung der Frequenz immer deutlicher. Die Verwendung von Kupferfolie mit geringer Rauheit kann die Einfügedämpfung in Hochfrequenzsituationen reduzieren.
• PCB-Materialkompatibilität mit Signalintegritätssimulation sowie Testverifizierung und -bestimmung
a. Signalintegritätssimulation zur Überprüfung der Kompatibilität der elektrischen Leistung des Leiterplattenmaterials
Die Signalintegritätssimulation ist in der Lage, die Systemleistung vorherzusagen und die Kompatibilität der elektrischen Eigenschaften von Materialien zu bewerten. Simulationen liegen in zwei Formen vor: Vorsimulation und Nachsimulation.
Die Vorsimulation, auch als schematische Simulation bezeichnet, bezieht sich auf die Simulation vor dem Design. Das Ziel der Vorsimulation besteht darin, sich über den Wellenwiderstand von Übertragungsleitungen, den Kapazitätseffekt von Durchkontaktierungen und den Einfluss des Leitungsabstands auf Übertragungssignale klar zu werden, was der Leiterplatten-Routing-Entwicklung zugutekommt. In diesem Stadium werden auch Dk/Df des Leiterplattenmaterials betrachtet, allerdings nur in einer ersten Einschätzung.
Die Postsimulation bezieht sich auf die Überprüfung der Korrektheit nach Stackup- und Routing-Design vor der Leiterplattenfertigung. Sie wird auf Basis der endgültigen Designparameter durchgeführt und umfasst die Simulation der Übertragungsqualität sowie die Übersprechsimulation. Mit dem in den Leiterplatten-Designprozess integrierten Flussdiagramm der Postsimulation kann anhand der Ergebnisse der Postsimulation bestimmt werden, ob die bisherigen elektrischen Eigenschaften des Leiterplattenmaterials geeignet sind oder nicht.
b. Materialverträglichkeit bestimmt durch Signalintegritätstest
Die Signalintegritätsprüfung, die am gesamten System durchgeführt wird, ist eine Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Produkts. Ein Material mit geringer Dämpfung oder niedrigem Dk/Df ist ein wichtiges Element, das im Prozess des Kommunikationsnetzwerk-PCB-Designs berücksichtigt werden muss. Im Hochgeschwindigkeitsdesign trägt das Dk/Df des PCB-Materials erheblich zum dielektrischen Verlust bei, da der Df-Wert des PCB-Materials positiv mit dem dielektrischen Verlust korreliert und auch Dk in gewissem Maße dazu beiträgt, sodass der Verlust des gesamten Systems beeinflusst wird. Die Designoptimierung auf Basis des Dk-Werts des Materials beeinflusst die Impedanzkontinuität, die sich direkt auf Rückflussdämpfung und Übersprechen auswirkt.
Da die elektrische Leistung des Leiterplattenmaterials das Hochgeschwindigkeitsgerätesystem stark beeinflusst, kann die Durchführung von System-Signal-Integritätstests, einschließlich Netzwerksignalqualität, Leiterbahnzusammenbruch und elektromagnetischer Störungen, dazu beitragen, die Kompatibilität des bisherigen Leiterplattenmaterials zu überprüfen. Die Testmethoden umfassen Impedanzanalysator, Vektornetzwerkanalysator und Zeitbereichsreflektometer.
• Änderung der Leiterplattenkosten aufgrund von Unterschieden zwischen Leiterplattenmaterialien
Um kostengünstiges Material aus mehreren Materialtypen auszuwählen, muss die durch Unterschiede zwischen PCB-Materialien verursachte Änderung der PCB-Kosten vollständig bekannt sein.
Da jeder Materialtyp seine eigene Kernplatte und sein eigenes Prepreg hat, führt ein Preisvergleich, der nur für einen Typ von Kernplatte und Prepreg oder für eine begrenzte Anzahl von Typen durchgeführt wird, zu Abweichungen im Prozess des Kostenvergleichs zwischen Materialien, was die Auswahl des PCB-Materials verfälscht. Daher muss der Preisvergleich für alle gängigen Kernplatten und Prepregs durchgeführt und ein Durchschnittswert ermittelt werden, damit der Preisunterschied von PCBs klar ersichtlich wird.
Es ist erwähnenswert, dass der Preis einer Leiterplatte auch von anderen Designparametern beeinflusst wird. Dieser Artikel konzentriert sich ausschließlich auf den Anteil der Kostensenkung, der durch Unterschiede beim Leiterplattenmaterial verursacht wird.
a. Leiterplattenkostendifferenz, verursacht durch Leiterplattenmaterialien mit unterschiedlichen elektrischen Leistungsniveaus
Durch die Simulation lässt sich schließen, dass der Einsatz von Material mit niedrigem Niveau zu deutlich größeren Kosteneinsparungen führt als der von Material mit hohem Niveau.
b. PCB-Kostenunterschiede, die durch optimale Materialauswahl innerhalb derselben Klasse verursacht werden
Selbst innerhalb derselben Klasse kommt es bei diesen Materialien zu Preisunterschieden. Unter der Voraussetzung der Kompatibilität der elektrischen Leistung sollten Materialien mit Preisvorteilen vorrangig eingesetzt werden, um Kosten zu sparen. Bei PCBCart können Sie von ... Gebrauch machenPCB-Rechnerin dem je nach Ihren Designanforderungen verschiedene Arten von Material ausgewählt werden können. Natürlich führen unterschiedliche Materialauswahlen zu unterschiedlichen Angebotsergebnissen.
• Signalintegritätssimulation, um die Auswahl des Leiterplattenmaterials gegenüber dem Design zu vermeiden
Im Prozess des PCB-Designs führt der Einsatz von Materialien höherer Klasse in Produkten, bei denen die Signalintegrität bereits mit Materialien niedrigerer Klasse vollständig erreicht werden kann, zu einer Verschwendung der PCB-Kosten, was als Überdesign bei der Auswahl von PCB-Materialien bezeichnet wird.
Durch die Simulation der Typnummern-Integrität kann eine Überkonstruktion vermieden werden, sodass ein Leiterplattenmaterial mit geeigneter Klasse ausgewählt werden kann, was durch die Reduzierung der Materialklasse zu Kosteneinsparungen führt.
• Anwendung eines speziellen Designs zur Verbesserung der Einfügedämpfung und der Signalübertragungsqualität, um die Möglichkeit der Verwendung von Material niedriger Klasse zu erhöhen
a. Backdrill- und Blind-Via-Design
Rückbohrung undblind durch Designist in der Lage, den durch Durchkontaktierungen verursachten Einfluss auf die Signalübertragung zu verringern und zu beseitigen, da durchkontaktierte Bohrungen als Schaltung betrachtet werden können, die die Signalübertragungsqualität verbessern kann.
b. Oberflächenfinish
Basierend auf einigen Recherchen überOberflächenbeschaffenheit von LeiterplattenEs kann festgestellt werden, dass bei Hochgeschwindigkeits‑Leiterplatten die Anwendung einer Oberflächenveredelung ohne Nickel zur Verringerung des Einfügedämpfungsverlusts beiträgt, sodass die Einsatzmöglichkeit von Materialien mit niedrigerer Klassifizierung erhöht werden kann. Sowohl OSP als auch Immersionssilber können bei Hochgeschwindigkeits‑Leiterplatten als Oberflächenveredelung eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet OSP‑Leiterplatten aufgrund ihrer geringen Kosten weitere Vorteile.
c. Anwendung eines hybriden Stapels aus Materialien mit hoher und niedriger Klasse zur Verringerung der Materialklasse
Da einige wichtige Signalbahnen in Hochgeschwindigkeits‑Leiterplatten nur auf bestimmten Lagen geführt werden, können für den Kernaufbau ohne Hochgeschwindigkeitssignalleitungen Materialien niedrigerer Klasse oder sogar Standardmaterialien verwendet werden, was die Kosten erheblich senken kann.
In Kommunikationsnetzwerkgeräten ist es entscheidend, eine hohe elektrische Leistung bei gleichzeitig kosteneffizienter Materialauswahl für Leiterplatten (PCB) sicherzustellen. Entwickler müssen Parameter wie Dk/Df und die Oberflächenrauheit der Kupferfolie so untersuchen, dass sie die höchste Leistung innerhalb der Budgetvorgaben erreichen. Durch eine intelligente Materialauswahl wird es möglich, die Funktionalität und Kosteneffizienz von Hochgeschwindigkeitsgeräten zu verbessern.
PCBCart ist auf maßgeschneiderte Leiterplattenmaterial-Lösungen mit der perfekten Kombination aus Leistung und Kosteneffizienz spezialisiert. Unsere Expertise und Ressourcen erleichtern die Auswahl der am besten geeigneten Materialien für Ihre spezifischen Anforderungen. Kontaktieren Sie PCBCart noch heute für detaillierte Angebote und erfahren Sie, wie wir Ihre Leiterplattenprojekte mit unserer Kompetenz in Design- und Fertigungslösungen unterstützen können.
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