Strategien und Anforderungen für optimale High-Speed-Multilayer

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Zuverlässigkeit und Basismaterialvarianz

Die physikalischen Eigenschaften von Leiterplatten werden weitgehend von den Eigenschaften der verbauten Basismaterialien bestimmt. (Fast) alle elektronischen Baugruppen basieren auf dem Basismaterial FR4. Durch die Integration der Geometrien, die am CAD-System konstruiert werden, ergibt sich die individuelle physikalische Funktion eines Multilayers.

Das Material der nächsten Jahre werden FR4-Derivate sein. Von speziellem Interesse sind die Prepregs.Die Bewertung der mechanischen Eigenschaften zeigt, dass bereits die Dickentoleranz eines Prepregs einen Einfluss auf das physikalische Verhalten eines Multilayers hat. Betroffen ist die Signalintegrität, da sich durch die Dickenänderung der Prepregs die kapazitiven Eigenschaften auf den benachbarten Lagen ändern.

Das wirkt sich direkt auf die resultierenden Impedanzwerte der Signalleiterbahnen aus. Ob die Abweichung zu einer vernachlässigbaren oder einer schwerwiegenden Toleranz der Impedanzwerte führt, hängt letztlich von der Geometrie der gerouteten Leiterbilder ab und von der Multilayer-Konstruktion an sich.

Betrachtung zur Impedanz und möglichen Abweichung

Impedanzabweichungen sind stark abhängig vom Glasgewebe. Glasgewebe können unterschiedliche Gewebestrukturen haben. Die unterschiedlichen Abstände zwischen den Gewebefäden beeinflussen die lokalen dielektrischen Eigenschaften.

Diese Auswirkung des Basismaterials ist in Bild 2 zu erkennen. Durch die weite Maschenöffnung des Glasgewebes des eingesetzten Materials sieht das differentielle Leiterbahnpaar ein inhomogenes dielektrisches Umfeld. Für die vorgegebene Geometrie liegt deshalb die Impedanz für die eine Leiterbahn bei zirka 89 Ω und für die andere Leiterbahn bei zirka 104 Ω. Die bei differentiellen Leiterbahnpaaren angestrebte Einkopplung und die Synchronität der Signalübertragung ist so nicht erreichbar. Das Material ist für eine High-Speed-Baugruppe nicht geeignet und muss gegen FR4 mit gespreiztem Glasgewebe ausgetauscht werden (z.B. Nan Ya).

Die definierte Impedanz der Leiterbahnen ist eine der wichtigsten Eigenschaften für die integre und zuverlässige Signalübertragung. Die Single-Ended-Struktur nutzt einzelne Leiterbahnen, die differentielle Signalübertragung arbeitet mit Leiterbahnpaaren.

Übliche Werte sind 50, 65 oder 75 Ω für Single-Ended oder 100 Ω für Differentiell. Oft sind verschiedene Impedanzvarianten in einem Impedanzmodul unterzubringen. Es ist schwer, dann noch eine geometrische Lösung zu finden, die für alle geforderten Varianten gut passt.

Die durch die hohe Anschlussdichte der BGAs erforderliche notwendige Reduzierung der Leiterbahnbreiten verschärft diese Situation. Die weiterhin steigende Verdrahtungsdichte wird im CAD-Layout nur mit noch schmaleren Leiterbahnen geroutet werden können. In Bild 3 ist zu sehen, dass dann bereits die Geometrie für eine Single-Ended-Leiterbahn mit 50 Ω aus Sicht der klassischen Leiterplattentechnik grenzwertig wird. Soll gleichzeitig auf dem gleichen Layer auch noch eine differentielle Impedanz verwirklicht werden, dann ergeben sich mit Leiterbahnbreiten von 65 µm bei einem Abstand von 125 µm kontraproduktive Geometrien. Mittelfristig wird diskutiert werden müssen, ob die bisherigen Ziel-Impedanzen zukunftsfähig bleiben.

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