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Dokumentation des eingesetzten Materials

Die neuen integrierten Bauteilkomponenten zeichnen sich durch eine extrem schnelle Flankenanstiegszeit im Bereich um 0.3ns aus, Tendenz fallend. Komplexere FPGAs werden im Niedrigvoltbereich betrieben mit Spannungspegeln, die bei 1V5 liegen. Der sichere Betrieb von Baugruppen mit solchen Komponenten ist nur dann zuverlässig, wenn die Leiterplatte das geeignete Umfeld mit definierten physikalischen Eigenschaften liefert.

Um Aspekte der EMV und der Powerintegrität bedienen zu können, müssen Prepregs und Laminate mit Dicken von 50µm zur Verfügung stehen.

Die schnelle und störungsfreie Signalverarbeitung erfolgt zunehmend per LVDS ( = Low Voltage Differential Signaling). Um eine funktionierende Signalintegrität zu gewährleisten, muss ein geeigneter Lagenaufbau möglich sein und die Qualität der eingesetzten Basismaterialien muss stimmen (Bild 2).

Diese Aufgabe ist seitens der Leiterplattentechnologie nur durch die überlegte Geometrie des Lagenaufbaus lösbar. Das bedeutet natürlich, dass die erforderlichen Prepreg- und Laminatdicken verfügbar sein müssen.

Damit die Impedanzeigenschaften der Leiterbahnen definiert werden können, müssen die am CAD-System gerouteten Leiterbahnbreiten auf die prozessierbaren Kupferschichtdicken abgeglichen werden können. Dazu ist die Kenntnis der dielektrischen Eigenschaft und des Verlustfaktors inklusive der materialtypischen Toleranzen notwendig.

Zum Variantenreichtum der Basismaterialien gesellt sich die individuelle Bevorzugung von Materialien und Prozessstrategien seitens des jeweiligen Leiterplattenherstellers.

Der Entwurf eines Multilayers im Vorfeld einer Schaltungsentwicklung durch den Laien kann deshalb erstmal nur den Charakter eines Vorschlages haben. Die verbindliche Lagenaufbaubeschreibung mit der Angabe der diskret verfügbaren Materialien und mit der Berechnung der erforderlichen physikalischen Eigenschaften muss durch einen Fachmann erfolgen. Da es nur wenige externe Experten gibt, empfiehlt es sich, erstmal bei seinem Leiterplattenhersteller nachzufragen.

Der verbindlich in einen Multilayerlagenaufbau umgesetzte Vorschlag muss alle wichtigen Kenngrößen zum Basismaterial enthalten:

• Welche Prepregs und welche Laminate werden eingesetzt (Dicke, Harzgehalt, Epsilon-R, Tangens Delta, Tg, Z-Achsen-Ausdehnung, Abzugskraft),

• Welche Impedanzwerte finden sich für eine definierte Kupferdicke und für eine definierte Leiterbahnbreite und

• Welche Gesamtdicke hat der Multilayer (empfohlen sind maximal ±6% Dickentoleranz).

Diese Informationen müssen aussagefähig dokumentiert sein. Die Beschreibung der eingesetzten Materialien muss vor dem Abschluss des Schaltplankonzeptes vorliegen. Wie sonst sollte eine Funktionssimulation möglich sein, wenn wichtige Parameter für die entsprechenden Softwareprogramme fehlen?

Mit der Layoutarbeit müssen die Materialparameter in das CAD-System importiert werden können. Die sich daraus ergebenden Constraints ( = Vorgabewerte) sind eine wichtige Unterstützung während des Layoutens.

Die Informationen zu den Eigenschaften der verbauten Basismaterialien sind für den Baugruppenproduzenten ebenfalls von großem Wert.

Er kann seine Lötprofile auf die Kupfervolumina und die Temperaturbelastbarkeit der in der Leiterplatte verbauten Basismaterialien optimal anpassen (siehe Bild 3 Die in der Grafik dargestellte Multilayer-Dokumentation können Sie hier als PDF herunterladen.).

Nicht zuletzt sorgt die dokumentierte Beschreibung der Basismaterialeigenschaften einer Leiterplatte/eines Multilayers für eine reproduzierbare Produktion und führt zu elektronischen Baugruppen gleicher Qualität. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Übergang vom Prototypen zur Serie oder vom inländischen zum ausländischen Leiterplattenlieferanten sichergestellt sein soll.

Fazit

• Informieren Sie sich über die technische Qualität von Basismaterialien im Internet oder durch ein Gespräch mit Ihrem Leiterplattenhersteller.

• Nutzen Sie die physikalischen Eigenschaften von Basismaterialien für Ihr Schaltungskonzept.

• Sorgen Sie durch eine korrekte Dokumentation des eingesetzten Basismaterials für eine durchgehend hohe Produktqualität Ihrer Baugruppe.

Quellen:

Arnold Wiemers, Seminar „High-Speed-PCBs“, LA-LeiterplattenAkademie GmbH, Berlin

Volker Klafki, Technische Datenblätter NanYa, Technolam GmbH,Troisdorf

Alle Teile der Beitragsreihe CAD-, Leiterplatten- und Baugruppentechnik

* Arnold Wiemers ist der Initiator und Redaktionsleiter der Serie CAD-, Leiterplatten- und Baugruppentechnik von ELEKTRONIKPRAXIS.

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