Ist FR-4 die beste Materialwahl für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Designs?

Wir alle haben schon einmal ein Projekt in Angriff genommen, das außerhalb unserer Komfortzone liegt. Für mich kam dieser Tag, als mein Chef mich bat, eine Hochgeschwindigkeitsleiterplatte zu entwerfen. Obwohl ich mich für einen erfahrenen Schaltungsentwickler hielt, wusste ich, dass die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsplatinen viele Grenzen hat, die man bei der Entwicklung einer durchschnittlichen Schaltung normalerweise nicht kennt. Zunächst verbrachte ich viel Zeit damit, den Schaltplan für das Hochgeschwindigkeitsdesign anzupassen. Aber als das erledigt war, konzentrierte ich mich ganz darauf, ob meine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte Prototyp sollte verwenden FR-4 oder ein spezielleres Material. Bevor wir uns ansehen, was ich gelernt habe, ist es wichtig zu wissen, dass in diesem Artikel mit “Hochgeschwindigkeit” alles über 50 MHz gemeint ist. Dies sind die wesentlichen Punkte, auf die Sie bei der Arbeit in diesem Frequenzbereich achten sollten.

Für Hochgeschwindigkeitsdesigns gelten strengere Regeln für die Signalintegrität als für andere Designs. Auch wenn Sie beim Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen sehr vorsichtig sein müssen, um diese Regeln zu erfüllen, ist es wichtig zu verstehen, dass das Leiterplattenmaterial selbst Teil der gesamten Signalintegritätsgleichung ist. Aus diesem Grund müssen Leiterplattenmaterialien, die für Hochgeschwindigkeitsdesigns verwendet werden, Eigenschaften wie eine streng kontrollierte Dielektrizitätskonstante aufweisen, um die Impedanz zu kontrollieren. Wenn sich die Impedanz im gesamten Design ändern darf, werden Hochgeschwindigkeitssignale auf ihrem Weg durch die Leiterbahnen Energie zurückreflektieren, und das Signal wird verzerrt. In gleicher Weise ist ein niedriger Verlustfaktor erforderlich, um die Signalintegrität zu erhalten. Schließlich ist die thermische Stabilität eine weitere wichtige Eigenschaft, da sie dazu beiträgt, dass die dielektrische Leistung nicht nachlässt.

FR-4: Vorteile und Nachteile

Seit ich Leiterplatten entwerfe, war FR-4 immer das Standardmaterial für die Leiterplattenproduktion. Als ich noch ein Junior-Designer war, nannten wir sogar alle Leiterplatten “FR-4”, unabhängig davon, ob sie tatsächlich aus diesem Material hergestellt waren oder nicht. FR-4 ist ein flammwidriges glasfaserverstärktes Epoxidlaminat vom Typ 4. Es ist ein sehr kostengünstiges Material. Es ist außerdem ein sehr guter elektrischer Isolator und sowohl unter trockenen als auch unter feuchten Bedingungen sehr stabil. Es hat auch gute Verarbeitungseigenschaften, was es zu einem sehr guten Material für die Herstellung von Leiterplatten macht.

Der Nachteil von FR-4 ist, dass es Grenzen hat, wenn die Leistung, die Spannung oder die Hitze zu hoch werden. Wenn die Grenzen des Materials überschritten werden, nimmt die dielektrische Leistung von FR-4 ab. Das bedeutet, dass sich die Isolierfähigkeit des Materials verschlechtert und es beginnt, Strom zu leiten. Ein weiteres Problem bei FR-4 ist die Beibehaltung einer stabilen Impedanz bei Hochgeschwindigkeitsdesigns. Das liegt daran, dass sich die Dielektrizitätskonstante von FR-4 über die Länge und Breite der Leiterplatte ändern kann. Mit zunehmender Designgeschwindigkeit kann der Signalverlust, der bei Designs ohne hohe Geschwindigkeit akzeptabel ist, bei FR-4-Platinen zu hoch werden.

Spezialisierte High-Speed-Plattenmaterialien im Vergleich zu FR-4

Spezielle Hochgeschwindigkeitskartonmaterialien, wie duroplastische Kohlenwasserstoff- und PTFE-Laminate, kann bei Designs mit höheren Frequenzen eine bessere und zuverlässigere Leistung als FR-4 bieten. Wir werden uns später mit den Kompromissen befassen, aber zunächst wollen wir uns einige der Vorteile ansehen, die diese Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenmaterialien bieten können:

1. Weniger Signalverlust. Mit steigender Frequenz der Übertragungsleitung wird der Signalverlust zu einem größeren Problem. Die Materialien für Hochgeschwindigkeits-Designplatinen haben einen viel geringeren Verlustfaktor als FR-4, und einige Materialien, wie nahezu reine PTFE-Laminate, sind um eine Größenordnung besser. Diese niedrigeren Verlustfaktoren sind ein wichtiger Faktor bei der Reduzierung von Signalverlusten.
2. Strengere Impedanzkontrolle. Herkömmliche Leiterplattenmaterialien, wie FR-4, können die Dielektrizitätskonstante (Dk) nicht so gut kontrollieren wie Hochgeschwindigkeitsleiterplattenmaterialien. FR-4 Dk kann um +/- 10% oder mehr variieren, während Materialien wie PTFE die Dk-Toleranz bei +/- 2% oder besser halten.
3. Besseres Wärmemanagement. Einige Materialien für Hochgeschwindigkeitsdesigns, wie z. B. duroplastische Kohlenwasserstofflaminate, haben eine viel bessere Wärmeleitfähigkeit als FR-4. Wenn Ihr Design Bedenken hinsichtlich des Wärmemanagements hat, sollten Sie sich diese Leiterplattenmaterialien ansehen.
4. Geringere Feuchtigkeitsaufnahme. Wasser hat dielektrische Eigenschaften, und selbst eine kleine Menge Feuchtigkeit, die von einer Leiterplatte mit Hochfrequenzschaltungen aufgenommen wird, kann die elektrische Leistung dieser Schaltungen verändern. Während FR-4 eine Feuchtigkeitsabsorptionsrate von annähernd 50% aufweist, haben einige PTFE-Materialien eine Rate von nur 2%, so dass dieses Problem berücksichtigt werden sollte.
5. Bessere Formbeständigkeit. Bei dichten Hochgeschwindigkeitsdesigns mit engen Toleranzen wird die Notwendigkeit der Dimensionsstabilität noch wichtiger. Obwohl FR-4 für seine Dimensionsstabilität bekannt ist, bietet es nicht die anderen Vorteile, die Hochgeschwindigkeitsmaterialien bieten. In diesem Fall sind duroplastische Kohlenwasserstofflaminate möglicherweise die bessere Wahl.