Nach der Wahl des Rogers-Basismaterials folgen Lagenaufbau und Impedanzberechnung. Im Datenblatt stehen zwei Dielektrizitätszahlen: Process Dk und Design Dk. Für dasselbe Material weichen sie oft voneinander ab, meist ist der Design Dk höher. Welcher Wert in den Feldlöser geht, bestimmt die Leiterbreite und damit, ob die TDR-Messung der fertigen Leiterplatte das Ziel trifft oder insgesamt verschoben ist.
Eine solche Abweichung ist systematisch: Alle Leiterplatten eines Loses und alle Leitungen gleichen Typs liegen in dieselbe Richtung daneben. Die Ursache liegt meist nicht im Ätzen oder Verpressen beim Hersteller, sondern darin, dass Entwicklung und Fertigung mit unterschiedlichen Dk-Werten rechnen.
Woher die beiden Dk-Werte kommen
Der Unterschied liegt im Messverfahren, nicht im Material.
- Process Dk wird nach IPC-TM-650 2.5.5.5 mit dem geklemmten Stripline-Verfahren am unbearbeiteten Laminat bei einer festgelegten Frequenz gemessen. Er dient der Qualitätskontrolle der Laminatfertigung: Ist ein Los gleichmäßig und innerhalb der Spezifikation?
- Design Dk ermittelt Rogers mit einem Microstrip-Verfahren über die differenzielle Phasenlänge an gefertigten Schaltungsmustern über einen Frequenzbereich. Er enthält den Einfluss realer Leiter einschließlich der Kupferrauheit und liegt damit näher an der effektiven Dielektrizitätszahl, die eine Schaltung tatsächlich sieht.
Rogers empfiehlt, für den Schaltungsentwurf den Design Dk zu verwenden. Der Process Dk ist kein falscher Wert, er beantwortet eine andere Frage.
Warum der Design Dk meist höher ist
Kupferfolie ist nicht glatt. Galvanisch abgeschiedene und reverse-behandelte Folien haben eine messbare Rauheit. Bei hohen Frequenzen fließt der Strom in der Skintiefe an der Leiteroberfläche. Eine raue Oberfläche verlängert den Strompfad und verlangsamt die Phase, was als höherer effektiver Dk erscheint. Das Stripline-Verfahren erfasst diesen Effekt nicht, daher fällt der Process Dk niedriger aus.
Daraus folgen zwei Konsequenzen für den Entwurf:
- Der Folientyp ändert den effektiven Dk. Dasselbe Laminat mit anderer Folienrauheit kann einen anderen Design Dk haben. Der Datenblattwert bezieht sich auf eine bestimmte Folie. Die Lagenaufbau-Zeichnung sollte den Folientyp nennen, sonst disponiert der Hersteller womöglich seine Standardfolie.
- Dünne Dielektrika reagieren stärker. Bei dünnem Dielektrikum hat die Leiteroberfläche einen größeren Anteil am Feld. Bei dünnen Kernen und feinen Leitungen wirkt sich der Abstand zwischen Process Dk und Design Dk stärker auf die Impedanz aus.
Den Einfluss der Folienrauheit auf die Einfügedämpfung behandelt Kupferfolienrauheit und Einfügedämpfung. Hier geht es nur um Dk und Impedanz.
Frequenz: welcher Punkt im Datenblatt?
Der Dk hängt von der Frequenz ab. Rogers gibt den Design Dk meist als Werte oder Kurve über einen Frequenzbereich an. Für die Impedanzberechnung gehört ein Wert nahe der Betriebsfrequenz der Schaltung hinein, nicht die einzelne Zahl auf der ersten Datenblattseite.
Bei breitbandigen Schaltungen sollte die Lagenaufbau-Zeichnung angeben, bei welcher Frequenz gerechnet wurde und ob mehrere Frequenzen geprüft wurden. Dann rechnet der Hersteller beim Nachrechnen mit demselben Punkt.
Nach dem Verpressen gilt nicht mehr die Datenblattdicke
Die Impedanz reagiert empfindlich auf die Dielektrikumsdicke, oft stärker als auf den Dk. Die fertige Dicke hängt ab von:
- Kerndicke: Rogers-Kerne haben eine Dickentoleranz. Gerechnet wird mit dem Nennwert, aber er ist nicht toleranzfrei.
- Bondply bzw. Prepreg: Bei mehrlagigen Rogers-Aufbauten oder Hybridaufbauten mit FR-4 fließt die Verbundschicht beim Verpressen. Ihre Enddicke hängt vom Restkupferanteil der Nachbarlagen ab, ihr Dk unterscheidet sich vom Kern.
- Kupferdicke: Die galvanisch aufgebaute Enddicke auf Außenlagen verändert Leiterquerschnitt und Randfeld.
In der Berechnung gilt daher: Design Dk für den Kern, der eigene Dk des Verbundmaterials für die Verbundschicht, verpresste Dicke für das Dielektrikum. Diese drei Werte muss der Hersteller in der Regel aus seinen eigenen Pressdaten bestätigen. Prozessgrenzen bei Hybridaufbauten beschreibt Hybridaufbau mit Mischmaterial und Verpressung.
Was in die Lagenaufbau-Zeichnung gehört
Die Lagenaufbau-Zeichnung ist das einzige Dokument, das Entwicklung und Fertigung auf eine gemeinsame Basis bringt. Für die Impedanz sollte sie mindestens enthalten:
| Punkt | Angabe |
|---|---|
| Material | Vollständige Typbezeichnung und Dicke, z. B. RO4350B-Kern einer bestimmten Dicke; ob Äquivalente zulässig sind |
| Kupferfolie | Kupferstärke und Folientyp, falls die Rechnung eine bestimmte Rauheit annimmt |
| Verwendeter Dk | Wert, Quelle (Design Dk / Process Dk), Frequenz, Datenblattstand |
| Verbundschicht | Materialtyp, verwendeter Dk und verpresste Dicke |
| Impedanzleitungen | Lage, Referenzlagen, Zielimpedanz, Toleranz, single-ended oder differenziell |
| Nachweis | Lage des Coupons und TDR-Prüfanforderung |
Am häufigsten fehlt die Quelle des Dk. Eine nackte Zahl verrät dem Hersteller nicht, ob es Process Dk oder Design Dk ist. Er rechnet womöglich mit dem anderen Wert nach, passt die Breiten an, und am Ende hält jede Seite die andere für die Fehlerquelle.
Soll der Hersteller die Breiten anhand seiner Pressdaten anpassen, um die Impedanz zu treffen, muss die Zeichnung festlegen, was in welchem Umfang angepasst werden darf, etwa nur die Leiterbreite, nicht die Dielektrikumsdicke.
Nachweis: TDR und Reihenfolge der Ursachensuche
Die fertige Impedanz wird per TDR (Zeitbereichsreflektometrie) an Impedanz-Coupons nachgewiesen. Ein Coupon hat dieselbe Lage, Referenz und Breite wie die Leitungen auf der Leiterplatte und misst die tatsächliche Impedanz der physischen Struktur. Coupon-Gestaltung und Prüfbericht behandelt Impedanz-Testcoupons und Prüfbericht.
Liegt die Messung insgesamt daneben, empfiehlt sich diese Reihenfolge:
- Rechenbasis: Haben Entwurf und Hersteller den Dk aus derselben Quelle bei derselben Frequenz verwendet? Das ist die häufigste Ursache systematischer Verschiebungen.
- Dielektrikumsdicke: verpresste Dicke im Schliff messen und mit der Rechnung vergleichen.
- Breite und Kupfer: fertige obere und untere Leiterbreite sowie Kupferdicke messen.
- Prüfbedingungen: TDR-Anstiegszeit und Messfenster mit der Vereinbarung abgleichen.
Erst wenn diese Punkte ausgeschlossen sind, wird ein Problem mit dem Laminatlos wahrscheinlich.
Hochfrequenz- und Impedanzfähigkeit von SKPCB
- HF-Laminate: Rogers 4350B, 4003C und 3003, Arlon 85N, Taconic RF-35 (
MAT-RF). - Impedanztoleranz: ±10 % Standard, ±5 % erweitert (
PCB-IMPEDANCE). - 100 % elektrische Prüfung bei allen Aufträgen (
Q-ETEST).
Zur Wahl der Toleranzklasse siehe Toleranzklassen der Impedanzkontrolle. Unterschiede bei Bohren, Metallisierung und Verpressen zwischen den Rogers-Familien zeigt Rogers RO4000 und RO3000 in der Fertigung. Für eine Prüfung des Lagenaufbaus können Zeichnung und Impedanzanforderungen über die Angebotsseite eingereicht werden; siehe auch Hochfrequenz-Leiterplatten und Materialien.
Zusammenfassung
- Für den Schaltungsentwurf den Design Dk verwenden. Der Process Dk dient der Laminat-Qualitätskontrolle.
- Folientyp, Frequenz, Verbundschicht und verpresste Dicke verändern das Ergebnis und gehören in die Zeichnung.
- Quelle und Frequenz des Dk angeben, damit der Hersteller auf derselben Basis nachrechnet.
- Bei Verschiebungen zuerst die Rechenbasis prüfen, dann Dicke, Breite und Prüfbedingungen.
Interne Links
- Hochfrequenz-Leiterplatten
- Materialien
- Angebot
- FR-4 oder Rogers: Materialwahl
- Rogers RO4000 und RO3000 in der Fertigung
- Impedanz-Testcoupons und Prüfbericht
- Toleranzklassen der Impedanzkontrolle
- Kupferfolienrauheit und Einfügedämpfung
- Hybridaufbau mit Mischmaterial und Verpressung
FAQ
F: Process Dk oder Design Dk für die Impedanzberechnung bei Rogers?
A: Design Dk. Er wird an Schaltungsmustern gemessen, enthält den Einfluss der Kupferrauheit und liegt näher am Verhalten der Schaltung. Der Process Dk dient der Kontrolle der Laminatfertigung.
F: Warum ist der Design Dk höher als der Process Dk?
A: Die Messverfahren unterscheiden sich. Der Design-Dk-Test enthält reale Leiter; raue Folie verlängert den HF-Strompfad und verlangsamt die Phase, was als höherer effektiver Dk erscheint. Das Stripline-Verfahren erfasst das nicht.
F: Was tun, wenn das Datenblatt nur einen Dk nennt?
A: Messverfahren und Frequenz klären. Ist das nicht möglich, Wert und Quelle in der Zeichnung angeben und den Hersteller um Bestätigung per Nachrechnung aus seinen Pressdaten bitten.
F: Ändert eine andere Kupferfolie den Dk?
A: Der effektive Dk ändert sich, vor allem bei dünnem Dielektrikum. Der Design Dk im Datenblatt bezieht sich auf eine bestimmte Folie; der Folientyp gehört in die Zeichnung.
F: Darf der Hersteller die Leiterbreite anpassen, um die Impedanz zu treffen?
A: Das lässt sich vereinbaren. Die Zeichnung legt fest, was in welchem Bereich angepasst werden darf, etwa nur die Leiterbreite ohne Änderung der Dielektrikumsdicke.
F: Die TDR-Werte liegen insgesamt zu hoch oder zu niedrig. Was zuerst prüfen?
A: Ob Entwurf und Hersteller den Dk aus derselben Quelle bei derselben Frequenz verwendet haben. Danach verpresste Dicke, fertige Breite und Kupfer sowie die TDR-Prüfbedingungen.