Webinar 2013: Verbesserte Signalintegrität durch impedanzangepasste Leiterplatten Würth Elektronik Circuit Board Technology www.we-online.de Seite 1 01.10.2013 Agenda S Impedanz und Leiterplatte I Materialaspekte/ parameter G Impedanzberechnung N Lagenaufbauten A Impedanz und HDI (EMV) L Hochfrequenz - Midperformance Material www.we-online.de Seite 2 01.10.2013 Leiterplatte und Impedanz Impedanzanpassung notwendig um Veränderung der Signalqualität so klein wie möglich zu halten! www.we-online.de Seite 3 01.10.2013 Leiterplatte und Impedanz Jede Leiterplatte besitzt einen ohmschen, kapazitiven und induktiven Anteil kein optimales Übertragungsmedium zwischen Sender und Empfänger Veränderung des Signals in der Leiterplatte wird von folgenden Parametern beeinflusst Länge des Leiters Basismaterial - Verlustfaktor und Dielektrizitätskonstante Reflektionen aufgrund von DK - Bohrungen Impedanzanpassung Übersprechen zwischen Leitern (crosstalk) Störeinstrahlung von externen Quellen (EMV Abschirmung) www.we-online.de Seite 4 01.10.2013 Wichtige Parameter Impedanz - Einflussgrößen mittel klein stark stark Leiterbahnbreite Kupferschichtdicke Lagenabstand Dielektrizitätkonstante εr w+h = Layouter / Entwickler + Leiterplattenhersteller t = Galvanikprozess, Basiskupfer εr = Basismaterial t w h Unser Angebot: kompetente Zusammenarbeit! www.we-online.de Seite 5 01.10.2013 Materialparameter Epsilon R FR4 Prepreg Typ 106 FR4 Prepreg Typ 2116 Dicke 90 – 110 µm εr = 3,6 – 3,8 Harzanteil ~50% Dicke 50 µm εr = 2,8 – 3,7 Harzanteil ~70% FR4 Prepreg Typ 1080 FR4 Prepreg Typ 7628 Dicke 170 – 190 µm εr = 4,1 – 4,6 Harzanteil ~45% Dicke 60 - 70 µm εr = 3,2 – 3,7 Harzanteil ~60% Glass r ~6,1 / Harz r ~3,2 Kerne sind laminierte Prepregs mit Kupferfolie. www.we-online.de Seite 6 01.10.2013 Epsilon R Dielektrische Verluste εr Werte in Abhängigkeit vom Lagenabstand FR4 (verlustbehaftestes 1080 2x 1080 3x 1080 2116 2x 2116 3x 2116 Tg 135 3.2 3.5 3.6 3.6 3.9 4.7 Tg 150 hf 3.5 3.7 3.9 3.8 4.3 4.6 60 µm 100 µm 150 µm 250 µm 510 µm 710 µm Tg 135 3.2 3.5 3.6 3.6 3.9 4.7 Tg 150 hf 3.5 3.7 3.9 3.8 4.3 4.6 Prepreg Kerne Einflüsse: - Lagenabstand - Frequenz …. Effektives εr Auswirkungen auf Wellenwiderstand und Flankensteilheit … www.we-online.de εr) Seite 7 01.10.2013 Ermittlung εr effektiv Berechnung des Er anhand der Schliffbilder mit Polar Software www.we-online.de H1 Lagenabstand W1 Leiterbahnbreite Fuss W2 Leiterbahnbreite Kopf T1 Kupferschichtdicke C1 Lötstopplack auf Substrat (FR4) C2 Lötstopplack auf Leiterbahn CEr Dielektrikum Lack (Herstellerangabe) Er Dielektrikum Seite 8 01.10.2013 Lagenabstände Prepreg 17 µm Kupfer 35 µm Kupfer 1 x 1080 65 µm 60 µm 2 x 1080 134 µm 128 µm Prepreg 17 µm Kupfer 35 µm Kupfer 2 x 1080 128 µm 120 µm Prepreg 17 µm Kupfer 35 µm Kupfer 1 x 1080 70 µm 68 µm 2 x 1080 140 µm 136 µm Layout gegen Plane oder Folie Layout gegen Layout Plane gegen Plane oder Folie www.we-online.de Seite 9 01.10.2013 Modelle Lagen / Leiterbahn Konfiguration Lagen Konfiguration: Embedded Microstrip Surface Microstrip Stripline line width line width Single Differential space Leiterbahn Konfiguration: Gnd Coplanar Gnd www.we-online.de Seite 10 Es erfolgt eine Umfrage Welche Parameter haben den größten Einfluss auf die Impedanz einer Leiterbahn? www.we-online.de Seite 11 Parameter bei der Impedanzberechnung C2 Dicke Lötstopplack über Leiterbahn [15 µm] S1 Leiterbahnabstand Layout W2 Leiterbahnbreite (Kopf) T1 Kupferschichtdicke r Dielektrizitätskonstante Lötstopplack [typ. 3,5] C1=C3 Dicke Lötstopplack über FR4 [42 µm] H1 Isolationschicht Signal > Referenzlage r W1 Leiterbahnbreite (Fuß) = Layout Dielektrizitätskonstante FR4 www.we-online.de Seite 12 01.10.2013 Service „impedanzdefinierte Lagenaufbauten“ Notwendige Informationen: • Typ Lagenaufbau: Standard <>HDI / Viatypen • Anzahl Lagen • LP – Dicke (Messstelle falls nicht Gesamtdicke) • Kupferschichtdicken (insbesondere Innenlagen) • Lagenreihenfolge: Wo sind Signallagen, wo die dazugehörigen Masse = Referenzlagen • Anzahl Signal und Anzahl Referenzlagen (Gnd, Power, VCC) • Impedanzanforderungen (Single z.B. 50 Ohm) (Differenziell z.B. 90 und 100 Ohm) • Welche Leiterbahnbreiten und Leiterbahnabstände gewünscht / möglich? www.we-online.de Seite 13 01.10.2013 Impedanzberechnung Microstrip Außenlage Prepregs: TG 150°, gefüllt, halogenfrei Prepreg (je 1 mal) 1080 2113 2116 Lagenabstand über Masselage 68 µm 92 µm 108 µm εr effektiv 3.5 εr effektiv 3.6 εr effektiv 3.8 109 µm 154 µm 179 µm (mit εr 4.2: 94 µm) (mit εr 4.2: 136 µm) (mit εr 4.2: 165 µm) 100 µm 100 µm 100 µm 305 µm 137 µm 122 µm (verpresste Dicke, 35 µm Kupfer L2) LB-Breite 50 Ω Single Impedanz LB-Breite LB-Abstand 100 Ω diff. Impedanz www.we-online.de Seite 14 01.10.2013 Beispiel Lagenaufbau LAGENAUFBAU 12 - Lagen ML12 WE-Artikel Nr.: Kunde: CBT SH LAGENBEZEICHNUNG KUNDE AUFBAU BASISMaterial PREPREG ANZAHL/TYP CU WE TOP/VS S1 S3 Foil 17,5 µm 100 134 16 3.8 17,5 µm REF Impedanzberechnung: S1 Zdiff 100 Ohm @ 180 / 185 / 180 µm 100 16 3.6 17,5 µm S 87 S1 Zdiff 110 Ohm @ 170 / 270 / 170 µm 16 0,100 mm S 3.7 17,5 µm S2 175 33 1 x 2113 7 4.25 3.8 0,100 mm 6 [µm] 35 µm REF REF [µm] 33 2 x 1080 5 [εr] 35 µm REF 4 KUNDENFORDERUNG 16 0,100 mm 3 ENDDICKE 1) 1 x 1080 1 x 2116 2 Dielektrizitätskonstante 3.8 17,5 µm 100 S2 Zdiff 100 Ohm @ 94 / 186 / 94 µm 16 S2 Zdiff 108 Ohm @ 80 / 200 / 80 µm S3 Zo 75 Ohm @ 385 µm LB-Breite www.we-online.de Seite 15 01.10.2013 Impedanzmessung Polar Technology TDR (Polar Instruments) Übergang TC - LP www.we-online.de Seite 16 01.10.2013 Impedanzmessung Testcoupons am TC Single 23 mm 150 x 23 mm max. 6 Messungen TC‘s notwendig weil: Differentiell 28 mm 150 x 28 mm max. 2 Messungen - 150 mm Saubere Kontaktierung sicher gestellt Definierte Messstrecke Leiterplatten pro Fertigungs-Nutzen??? Testcoupons müssen in der Produktionsnutzenauslastung berücksichtigt werden!!! Unter Umständen schlechtere Auslastung/Belegung!!! www.we-online.de Seite 17 01.10.2013 Impedanzreport Inhalt • Kundendaten • Vorgaben zur Impdanzmessung • Messergebnisse • kleinst mögliche Toleranz +/- 10% Impedanzen innerhalb der Toleranz: • Platten + Testreport werden an Kunden geschickt www.we-online.de Seite 18 01.10.2013 Es erfolgt eine Umfrage Aus welchem Grund hat Würth Elektronik das Prepreg 2113 eingeführt? www.we-online.de Seite 19 Signalintegrität HDI Störstellen in verschiedenen Verbindungssystemen Version 2: Microvia / Buried Via Version 1: PTH open ends antenna Microvias in Verbindung mit innenliegenden Durchkontaktierungen ergeben weniger Störungen! www.we-online.de Seite 20 01.10.2013 Signalintegrität HDI Via in Pad Technology BGA area Aussenlagen vollflächig Kupfer (keine Leiterbahnen auf Außenlage) Signale auf Innenlagen vor externen Störquellen geschützt www.we-online.de Seite 21 GND als Außenlage (Beispiel) Tip: keine durchgehenden Vias verwenden sobald Burried Vias verwendet werden. Layer 1 GND Layer 2 Signal 1 Layer 3 Signal 2 Layer 4 GND Layer 1 GND Layer 2 Signal 1 Layer 3 Signal 2 Layer 4 GND www.we-online.de Seite 22 Beispiel AL als Gnd anhand eine komplexen HDI Aufbaus S Wlow Wup layer 1 / 12 GND Prepreg T = 30 µm layer 2 / 11 Sig T = 16 µm layer 3 / 10 Sig H1 = 130 µm H2 = 81 µm H3 = 100 µm Core layer 4 / 9 GND Layer 2 / 11 Layer 3 / 10 Edge Coupled Offset strip line Edge Coupled Offset strip line Distance layer 1 / 12 GND 130 µm 211 µm Distance layer 4 / 9 GND 181 µm 100 µm Cu Thickness T 30 µm 16 µm Upper trace width Wup 82 µm 95 µm Lower trace width Wlow 100 µm 100 µm Separation S 214 µm 152 µm 3.8 / 3.5 / 3.8 3.8 / 3.5 / 3.8 100,0 Ω 100,0 Ω Typ Substrate Dielectric εr Impedance www.we-online.de Seite 23 01.10.2013 Signalintegrität HDI Beispiel: INTEL Atom Pitch 0.593 mm diagonal Noch nahezu ohne Einschränkungen für Impedanzen machbar Lagenabstand bis ca. 100 µm LB-Breiten 90 µm Bis Pitch 0,6 mm Bei kleineren Pitch z.B. 0,4 mm und 0,5 mm µVia Lagenabstände max. 60-70 µm www.we-online.de Seite 24 01.10.2013 Zusammenfassung: EMV Schutz mit Microvias Nutzen der Aussenlage als GND ermöglicht: direkter Kontakt des Lötpads mit der ersten und zweiten Innenlage mit der Nutzung Mircovias optimales x – y Routing verhindert Übersprechen (crosstalk) zwischen den Leitern gute EMV – Abschirmung vor externen Quellen 100 µm Dielektrizitätsabstand bei µVias ermöglichen: Noch nahezu ohne Einschränkungen impedanzdefinierte Leitungen auf den entsprechenden Signallagen zu routen www.we-online.de Seite 25 Materialkosten Hochfrequenzmaterial Materialkosten im Vergleich (100 Zuschnitte) 1500% 1000% FR4 Standard 100% High Performance www.we-online.de Seite 26 Prepreg 100 µm Mid Performance 2 0% Kern 0.25 Mid Performance 1 500% Kern 0.10 FR4 low CTE 01.10.2013 Signalintegrität Ausblick Materialien Nächster Schritt Projektpartner gesucht Mid Performance Material in der Fertigung einführen Materialien mit Frequenzbereich 2,5 GHz - ca. 10 GHz oder 15 GHz Geringere Materialkosten im Vergleich zu High Performance Material z.B. EMC Elite EM888, Isola FR408 HR, Megtron2, Megtron6 Bei Bedarf mit Würth Elektronik in Verbindung setzten www.we-online.de Seite 27 01.10.2013 Dientleistungen Zusammenfassung Signalintegrität: Höhere Übertragungsraten und Frequenzen erfordern immer öfter Impedanzanpassungen. Für hohe Übertragungsraten sind oft Hochfrequenzmaterialien erforderlich In Zukunft werden auch kostengünstige Hochfrequenzmaterialien erforderlich sein. Wir sind darauf vorbereitet! www.we-online.de Seite 28 01.10.2013 Die Kenntnis der Zusammenhänge ist ein Erfolgsgeheimnis! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Philipp Reeb WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG Produkt Management Signalintegrität Circuit Board Technology T.: +49 7622 397 277 M.:+ E. [email protected] W. www.we-online.de www.we-online.de Seite 29