CAD, LEITERPLATTEN- UND BAUGRUPPENTECHNIK, FOLGE 20 Strategien und Anforderungen für optimale High-Speed-Multilayer

Autor / Redakteur: Arnold Wiemers * / Gerd Kucera

Die Funktion eines Multilayers oder einer Baugruppe ist nicht allein durch überlegtes Aufeinanderschichten von Basismaterialien gegeben. Wie wichtig Strategie, Kompetenz und Engagement sind zeigt dieser Beitrag.

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Die Anforderungen an elektronische Baugruppen nehmen seit Jahren stetig zu. Im Prinzip ist die Diskussion um High-Speed-Baugruppen überfällig. Wann spricht man von High-Speed-Baugruppen? Eine Baugruppe muss als High-Speed-Baugruppe klassifiziert werden, wenn die Übertragungsfrequenzen über 1 GHz liegen, wenn die Datentransferraten 1 GBit/s überschreiten, vor allem aber, wenn die Signalanstiegszeiten deutlich unter 0,3 ns liegen.

Die zunehmende Leistungsfähigkeit integrierter elektronischer Komponenten hat einen massiven Einfluss auf die physikalischen Anforderungen an Leiterplatten. Die Konstruktion der Leiterplatten für High-Speed-Baugruppen muss deshalb (auch) strategische und funktionale Aspekte beachten.

Ein Umsetzen der Anforderungen ist prinzipiell nur noch mit Multilayern ab 6 Lagen aufwärts möglich. Für komplexere Baugruppen sind 10 bis 12 Lagen realistisch. Diese Entwicklung führt uns direkt zu den bereits in einer früheren Folge erwähnten Multilayersystemen (Bild 1).

Wo kommen High-Speed-Baugruppen zum Einsatz? Entsprechende -Speed-Baugruppen findet man heute in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens. Dazu gehören Produkte und Geräte der Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Sicherheitstechnik, Verkehrstechnik, Industrieelektronik, Unterhaltungselektronik, des Transportwesens, der Haustechnik und der Kommunikation. Typisch ist eine Datenrate über 4 GBit/s für den Transport von Bildern, Videos, Musik und HDTV. Frequenzen über 15 GHz werden benötigt für die Sensortechnik und für Fahrerassistenzsysteme (etwa Abstandsradar).

Die nicht trivialen Anforderung bei High-Speed-Anwendungen

Entscheidend ist jedoch, dass die High-Speed-Eigenschaft an die Bauteilkomponenten geknüpft ist. Der Trend bei der Entwicklung der integrierten Bauteile wird dazu führen, dass in wenigen Jahren jede digitale Schaltung die High-Speed-Bedingungen berücksichtigen muss. Zur Konstruktion eines zuverlässig funktionierenden High-Speed-Multilayers sind drei hochwertige Anforderungen zu beachten.

Erstens, die Powerintegrität: Die Spannungsversorgung der Baugruppe muss stabil und leistungsfähig sein. Die klassische Entkopplung der Schaltung ist durch den Einbau kapazitiver Powerplanes zu ersetzen. Die Abstände zwischen GND und VCC sollten maximal 100 µm betragen, besser sind 75 µm, ideal sind 50 µm. Als Ergänzung können gerechnete Kondensatorgruppen (bestehend aus minimal 1 bis maximal 4 Keramikkondensatoren) die breitbandige Entkopplung stabilisieren.

Zweitens, die Signalintegrität: Für alle Signalwege muss immer ein kontrollierter Rückstromweg zur Verfügung stehen. Die Realisierung dieser Forderung bedeutet den Einbau mehrerer GND-Planes und führt zwangsläufig zu höherlagigen Multilayern. Mit der Signalintegrität ist auch die definierte Signallaufzeit verbunden, die hauptsächlich über einen vorgegebenen Impedanzwert charakterisiert ist.

Damit ergeben sich Vorgaben für die Abstände von Signal- und GND-Lagen innerhalb des Lagenaufbaus und für die Breite und den Querschnitt von Leiterbahnen. Bei der Verteilung der Signale, der GND- und der VCC-Planes ist auf die verbindliche Zuordnung der Rückstromwege zu achten.

Drittens, die EMV: Das interne und externe EMI-/EMV-Verhalten einer Baugruppe kann durch die Metallisierung der Leiterplattenkanten deutlich verbessert werden. Die Strategie dabei ist, für die Abschirmung des inneren Bereiches des Multilayers zu sorgen. Dazu werden innenliegende GND-Planes an die Kantenmetallisierung ankontaktiert.

Die so konstruierte Abschirmung vermeidet eine Störabstrahlung zum Nachteil benachbarter Baugruppen und reduziert die Störeinstrahlung zum Vorteil der eigenen Baugruppe. Ein willkommener und sehr nützlicher Nebeneffekt ist die Wärmespreizung, die deutlich zur Kühlung der Baugruppe im Betrieb beiträgt.

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