Überlegungen zum Impedanzdesign für Starrflex-Leiterplatten

Mit der rasanten Entwicklung von Elektronikprodukten stellt der Markt gleichzeitig immer höhere Anforderungen an Starrflex-Leiterplatten (flex-rigid PCB, Printed Circuit Board) und impedanzkontrollierte Leiterplatten, verbunden mit zunehmend strengeren Vorgaben. Das zentrale Problem bei Starrflex-Leiterplatten mit Impedanzanforderungen besteht in einem großen Unterschied zwischen dem Messwert und dem Sollwert, der über 20 Ω betragen kann. Dies führt dazu, dass Designkompensation fehlschlägt und die Fertigung nur schwer beherrschbar ist. Dieser Artikel erörtert hauptsächlich, wie strenge Anforderungen an die Impedanzkontrollgenauigkeit aus der Perspektive des Leiterplattendesigns erfüllt werden können, und soll für Mitarbeiter in der Leiterplattenfertigungsindustrie von Nutzen sein.

Impedanzregelungsanalyse

Die Hauptelemente, die die Impedanz beeinflussen, umfassen die Dielektrizitätskonstante, die Mediumdicke, die Leiterbahnbreite und die Kupferdicke.

Basierend auf der Querschnittsanalyse liegt, wenn praktische Querschnittsdaten in Modulen angewendet werden, die Differenz zwischen dem berechneten Wert und dem mit dem Impedanzmessgerät praktisch gemessenen Wert im Bereich von 14 Ω bis 33 Ω, wie in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Basierend auf dem oben dargestellten Unterschied ist die Abweichung zwischen dem theoretischen Wert und dem gemessenen Wert möglicherweise aus folgenden Gründen zu groß:

Während der technischen Konstruktion wurde der Zugang fälschlicherweise durch einen Softwareparameter ersetzt.

In Übereinstimmung mit den Faktoren, die die Impedanz und die Querschnittsdaten beeinflussen, führt möglicherweise nur die Dielektrizitätskonstante zu einem ungenauen Zugriff. Auf der Grundlage des kombinierten Konzepts der Dielektrizitätskonstante kann erkannt werden, dass die Dielektrizitätskonstante vonLeiterplatten-Substratmaterialist ein umfassendes Ergebnis der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials im Substratmaterial, das näherungsweise durch die gewichtete Summe der Dielektrizitätskonstante des Harzes im dielektrischen Material und der Dielektrizitätskonstante des Verstärkungsmaterials angegeben werden kann. Bei flexiblem Material hingegen besteht dieses aus Klebstoff und PI (Polyimid). Daher ist die Dielektrizitätskonstante des flexiblen Materials die umfassende Dielektrizitätskonstante sowohl des Klebstoffs als auch des PI.

Das Design des Messmoduls ist in Bezug auf die Leiterplatte (PCB) fehlerhaft.

WährendImpedanzdesignBei der Messung der Impedanzleitung im Prozess ist in der Regel das Design der Übertragungsleitung und der Referenzebene beteiligt, und es muss sichergestellt werden, dass ein bestimmter Abstand zwischen der Kupferkante der Referenzebene und der Impedanzleitung eingehalten werden kann. In Bezug auf diese Situation beträgt der Abstand jedoch nur 0,5 mm, was zu kurz sein kann, sodass diese Referenzebene vollständig vernachlässigt wird.

• Experimentelles Schema

Schritt 1: Konstruktionsdaten werden jeweils entworfen, um zu überprüfen:
i. Einfluss der Übertragungs-Kupferfolie auf die Impedanz, wenn sie dem Messmodul hinzugefügt wird oder nicht hinzugefügt wird.
ii. Welchen Einfluss hat der Abstand zwischen der Kupferfolienkante und der Impedanzleitung auf die Impedanz im Messmodul? Der horizontale Abstand zwischen der Designkante und der Impedanzleitung beträgt jeweils 0,5 mm und 4,5 mm.
iii. Das Design des Messmoduls bestimmt den Einfluss der Gitter-Referenzebene und der Kupferfolien-Referenzebene auf die Impedanz.

Schritt 2: Die flexible Leiterplatte wird gefertigt und die Impedanz der flexiblen Leiterplatte wird gemessen.

Schritt 3: Der Querschnittszugang wird durch den theoretischen Wellenwiderstand der Modulsberechnung ersetzt und anhand der effektiven Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials bestimmt, sodass durch den Zugang verursachte Fehler eliminiert werden können.

Schritt 4: Schlussfolgerungen können durch Datenvergleich gezogen werden: Zugriffsmethode auf Parameter und Auslegungsvorschriften des Messmoduls.

• Experimentelles Ergebnis

1)Gemäß dem Versuchsaufbau mit und ohne in das Messmodul integrierte Übertragungs-Kupferfolie zeigen die ursprünglichen Messdaten, dass die Impedanz nur zu einem sehr geringen Unterschied zwischen dem Hinzufügen und dem Nicht-Hinzufügen der Übertragungs-Kupferfolie führt. Daher kann gefolgert werden, dass die Impedanz unabhängig davon unbeeinflusst bleibt, ob die Übertragungs-Kupferfolie hinzugefügt wird oder nicht.

2)Gemäß dem auf dem Abstand zwischen der Kante der Kupferfolie der Referenzebene und der Impedanzleitung basierenden Versuchsaufbau ist der Impedanzunterschied so gering, dass daraus geschlossen werden kann, dass der Abstand zwischen der Kante der Kupferfolie der Referenzebene und der Impedanzleitung keinen Einfluss auf die Impedanz hat.

3)Gemäß dem auf einem Gitter und einer Kupferfolien‑Modulstruktur für die Bezugsebene des Messmoduls basierenden Versuchsaufbau kann gefolgert werden, dass die Impedanz erheblich beeinflusst wird, wenn die Bezugsebene des Messmoduls als Kupferfolie bzw. als Gitter ausgeführt wird.

4)Gemäß dem experimentellen Schema in Bezug auf unterschiedliche Leiterbahnbreiten, Gitterstrukturen und Kupferfolienmodule mit verschiedenen Größen kann gefolgert werden, dass, wenn ein Gitter als Referenzebene ausgelegt wird, dies mit der Restkupferrate zusammenhängt. Je höher die Restkupferrate ist, desto geringer ist der Unterschied zur Kupferfolie. Je niedriger die Restkupferrate ist, desto größer ist der Unterschied zur Kupferfolie. Daher sollte, wenn ein Gitter als Referenzebene verwendet wird, Kupfer an der Referenzstelle aufgebracht werden, die mit der Position der Impedanzleitung kompatibel ist.

5)In Übereinstimmung mit dem praktischen Design des Messmoduls wird der Querschnittszugang durch das Modul ersetzt, um die theoretische Impedanz zu ermitteln, die anschließend mit der praktisch gemessenen Impedanz verglichen wird. Da das flexible Material aus Klebstoff und PI besteht, sollte die Dielektrizitätskonstante des flexiblen Materials entweder eine umfassende Dielektrizitätskonstante beider Bestandteile sein oder eine einzelne Dielektrizitätskonstante wird durch den Einsatz von Software zur Impedanzberechnung gewonnen. Auf Grundlage früherer Versuchsergebnisse kann gefolgert werden, dass die Dielektrizitätskonstante von PI 2,8 beträgt, während die des Klebstoffs 3,5 beträgt. Folglich wird, wenn die Daten zur Berechnung in die Software eingegeben werden, die Genauigkeit der Dielektrizitätskonstante verifiziert.

Überlegungen von Flex-Rigid-PCB-Designern zur Impedanzgestaltung

Überlegung Nr. 1: Die Bezugsebene sollte die Gitterbezugsebene und die Kupferfolienbezugsebene sein.

Auf der Grundlage der oben aufgeführten Versuchsergebnisse kann gefolgert werden, dass ein auf einer Kupferfolien-Referenzebene basierendes Engineering-Design in der Lage ist, die Impedanzanforderungen von Starrflex-Leiterplatten zu erfüllen. Wird eine Gitter-Referenzebene entworfen, so gilt: Je größer das Gitter ist, desto größer ist der Unterschied zwischen der Gitterimpedanz bei minimalem Kupferrestanteil und der Kupferfolienimpedanz, während je kleiner das Gitter ist, desto geringer der Unterschied zwischen der Gitterimpedanz bei maximalem Kupferrestanteil und der Kupferfolienimpedanz ausfällt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Gitterdesign als Referenzebene eng mit der Gittergröße, also der Restkupferrate, zusammenhängt. Je höher die Restkupferrate ist, desto geringer ist der Unterschied zwischen ihr und der Impedanz der Kupferfolie sowie den theoretischen Auslegungsdaten. Je niedriger die Restkupferrate ist, desto größer ist der Unterschied zwischen ihr und der Impedanz der Kupferfolie sowie den theoretischen Auslegungsdaten. Daher sollte, wenn das Gitter als Referenzebene gewählt wird, auf der Referenzebene Kupfer in Übereinstimmung mit der Position der entsprechenden Impedanzleitung aufgebracht werden.

Überlegung Nr. 2: Die Impedanz von Flex-Rigid-Leiterplatten sollte abhängig von den zusätzlichen Funktionen der Impedenzberechnungssoftware ausgelegt werden.

Im Vergleich zu herkömmlicher Impedanzberechnungssoftware verfügt die Impedanzberechnungssoftware mit erweiterter Funktionalität über eine Zugriffserfassungsfunktion für jede Mediumsschicht und arbeitet in Bezug auf die Zugriffserfassung genauer. Darüber hinaus lassen sich praktische Situationen leichter simulieren und sie ist bequemer in der Anwendung für das technische Design.

Überlegung Nr. 3: Die Dielektrizitätskonstante jeder einzelnen Lage wird auf der Starrflex-Leiterplatte ermittelt.

Anhand von Versuchen im Maßstab 1:1 kann bestätigt werden, dass die Dielektrizitätskonstante von PI 2,8 beträgt, während die des Klebstoffs 3,5 beträgt, was als Referenz für das Design von Starrflex-Leiterplatten dienen kann. Die theoretische Datenberechnung auf Basis der Anwendung von Impedanzberechnungssoftware mit Zusatzfunktionen ist in der Lage, die Anforderungen von Kunden für Starrflex-Leiterplatten zu erfüllen.

PCBCart kann starrflexible Leiterplatten mit strenger Impedanzkontrolle herstellen.

Gegründet im Jahr 2005, bietet PCBCart seitdem qualitativ garantierte Fertigungsdienstleistungen für Starrflex-Leiterplatten an. Wir können bei jedem einzelnen Starrflex-Leiterplattenstück eine strenge Impedanzkontrolle gewährleisten. Wenn Sie eine Fertigung von Starrflex-Leiterplatten benötigen, bitteKontaktieren Sie uns hierfür eine praktische und kostengünstige Lösung.

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