Strategien und Anforderungen für optimale High-Speed-Multilayer

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Strategische Vorgaben, die zu beachten sind

Bedingt durch die abwechselnde Schichtung von Prepregs und Laminaten in einem Multilayeraufbau ergeben sich pauschale Bauvarianten. Von der Funktion, der CAD-Konstruktion und der wirtschaftlichen Bewertung her zeigen sich deutliche Unterschiede.

Der Entwurf eines Multilayersystems orientiert sich an den funktionalen Anforderungen, an den Produktionstechnologien und am wirtschaftlichen Umfeld. Üblicherweise sind nie alle Anforderungen erfüllbar. Es gilt jeweils, die individuelle Lösung zu finden, mit denen die wichtigsten Vorgaben an die Baugruppe erfüllbar sind.

Auswahl und Reihenfolge der Laminate bestimmen die Kontaktierungsstrategie und damit die Constraints für das CAD-System. Die eingesetzten Materialmengen an Prepregs und Laminaten bestimmen in Verbindung mit einfachen aber effektiven Bohrtechnologien (Laser), insbesondere bei großen LP-Stückzahlen, die Kosten. Die komplexe Konstruktion eines Multilayersystems bietet Lösungen im High-End-Bereich.

Aufbaumodule – Einstufungen von gut bis schlecht

Durch die Reihenfolge von Laminaten und Prepregs werden die Abstände zwischen den Kupferlagen festgelegt. Daraus ergeben sich weitreichende Einflüsse auf die physikalischen und funktionalen Eigenschaften einer Baugruppe. Die Vorgabe für die folgenden Betrachtungen ist, dass für SIG, GND und VCC jeweils eine eigene Lage genutzt wird.

Die Entkopplung wird als gut bewertet, wenn VCC und GND benachbart sind. Dann kann bei Abständen ≤100 µm ein Flächenkondensator ausgeprägt werden. Die Bewertung lautet schlecht, wenn VCC und GND nicht benachbart sind. Dann könnten kapazitive Effekte auf keinen Fall genutzt werden.

Die EMV wird als gut bewertet, wenn alle inneren Signallagen von GND-Planes abgedeckt werden und wenn die VCC-Planes innen liegen und durch eine Kantenmetallisierung abgeschirmt werden könnten. Die Bewertung lautet mittel, wenn ein Signal in der Nachbarlage ein VCC hat. Die Bewertung ist schlecht, wenn VCC nicht beidseitig durch GND abgedeckt wird und wenn VCC nicht durch eine Kantenmetallisierung abgeschirmt werden könnte.

Die Signalintegrität wird als gut eingestuft, wenn jedes Signal ein GND als direkte Nachbarlage hat. Die Bewertung ist schlecht, wenn es ein Signal gibt, das zwischen sich und GND ein zweites Signal sieht oder ein VCC. Wie die Funktionsmodule in einen Multilayeraufbau eingefügt werden könnten, zeigt Bild 4.

Die Eigenstörung ist niedrig, wenn alle Signale durch GND von VCC abgeschirmt sind. Sie wird als mittel bewertet, wenn nur ein Signal betroffen ist. Sie wird als hoch angesehen, wenn mehr als ein Signal betroffen ist.

Aufbauoptionen für einen Multilayer

Die Reihenfolge von Signal- und Stromversorgungslagen in einem Multilayer kann sehr variantenreich erfolgen. Die Übersicht in Bild 5 zeigt typische Kombinationen. Die Beurteilung der unterschiedlichen Kombinationen nach den oben erläuterten Kriterien zeigt jedoch sofort Unterschiede in der elektrophysikalischen Funktion.

Die unbedachte Verteilung von Signal und Power kann offensichtlich zu massiven Nachteilen bei der Funktion einer High-Speed-Baugruppe führen (siehe Variante 4 und 6). Im Gegenzug führt die wohlüberlegte Reihenfolge von Signal und Power zu einer stabilen Funktion (siehe Variante 1 und 2), ohne dass dafür zusätzliche Kosten aufgewendet oder komplexere Schaltungskonzepte erdacht werden müssen. Ganz allgemein können für Multilayer ab 10 Lagen für High-Speed-Anwendungen gute Lösungen in den Bereichen EMV, SI und PI erwartet werden.

Die Erkenntnis: Die Funktion eines Multilayers oder einer Baugruppe definiert sich nicht allein durch die überlegte Aufeinanderschichtung von Basismaterialien. Die Strategie muss sein, alle Partner vom Entwurf des Schaltungskonzeptes bis hin zur Produktion der Baugruppe einzubeziehen. Das setzt ein hohes Maß an Bereitschaft zur Kommunikation voraus. Die erarbeiteten Vorgaben müssen systematisiert eingebunden werden. Das geht nur mit einer verlässlichen Organisation.

Weil eine Baugruppenproduktion dynamisch ist, muss diszipliniert mit Informationen umgegangen werden. Die Materialien und die Fertigungsprozesse der Partner müssen den Beteiligten vertraut sein. Persönliche Kompetenz entscheidet und nur die qualifizierte und kontinuierliche Ausbildung der Menschen, die dieses Produkt herstellen, garantiert die zuverlässige Funktion von High-Speed-Baugruppen.

* Arnold Wiemers ist Mitinhaber der LA-LeiterplattenAkademie GmbH, Berlin.

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