Starr-flexible Leiterplatten designen Gebogen und gefaltet

High-Speed-Signale auf der Leiterplatte
High-Speed-Signale auf der Leiterplatte

Eine starr-flexible Leiterplatte zu entwickeln ist keine einfache Sache. Richtig kompliziert es aber, wenn es auf dieser Leiterplatte High-Speed-Signale gibt. Unter anderem muss entschieden werden, was wichtiger ist – die Integrität der High-Speed-Signale oder die Flexibilität der Leiterplatte.

Beim Design von PCBs (Printed Circuit Boards) geht es immer wieder um das Schließen von Kompromissen, die während der Planungs- und Layout-Phasen getroffen werden müssen. Dies gilt insbesondere für ein hybrides High-Speed- und Rigid-Flex-Design, bei dem der Designer besondere Sorgfaltwalten lassen sollte. Für ein erfolgreiches Design einer komplexen Rigid-Flex-Leiterplatte mit High-Speed-Signalen ist es zudem empfehlenswert, sich an einige erprobte Verfahrensweisen zu halten.

Anforderungsprofil genau definieren

Bevor mit dem Designprozess begonnen wird, sollte man wissen, für welche Art von Anwendung das neue PCB vorgesehen ist und wie die starren und flexiblen Teile des Designs genutzt werden sollen. Dies nämlich bestimmt in großen Teilen darüber, ob die Betonung auf der Signalintegrität oder der dauerhaften Flexibilität der Leiterplatte liegt.

Als erstes ist die Frage zu stellen, ob die starr-flexible Leiterplatte im täglichen Einsatz gebogen und gefaltet werden wird. Falls ja, müssen Werkstoffe ausgewählt werden, die für eine optimale Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit des Produkts stehen. Ein Board dieser Art wird als ‚dynamic flex‘ bezeichnet. Selbstverständlich darf die Signalintegrität auch beim Design eines solchen Dynamic Flex Board nicht aus dem Blick geraten, doch die Zuverlässigkeit des PCB sollte bei einer Anwendung dieser Art eindeutig im Vordergrund stehen. Um die Impedanz eines Signalpfads möglichst genau eingrenzen und zugleich hohe Signalintegrität gewährleisten zu können, sorgen die meisten Board-Designer dafür, dass High-Speed-Signale durch massive Kupfer-Masseflächen abgeschirmt werden. Solche massiven, durchgehenden Kupfer-Masseflächen sind jedoch nicht besonders flexibel und können sich negativ auf die Zuverlässigkeit der Leiterplatte auswirken, sofern diese beweglich ausgelegt werden muss.

Wenn die flexiblen Schaltungen allerdings nur gelegentlich – unter Umständen nur während der Produktion oder bei der Wartung – gebogen oder gefaltet werden, so kann der Designer doch in erster Linie Wert darauf legen, dass die Integrität der High-Speed-Signale gewahrt bleibt. PCBs dieser Art sollen hier als „Flex-to-Install“-Leiterplatten (Bild 1) bezeichnet werden.

Ein solches Flex-to-Install-PCB kann mit stabileren Masseflächen ausgestattet werden als eine Dynamic-Flex-Leiterplatte. Das Hauptaugenmerk wird in diesem Fall also nicht auf die Zuverlässigkeit der Materialien mit Fokus auf eine möglichst flexible Leiterplatte gelegt, sondern auf die Bereitstellung stabiler Signal-Rücklaufwege, welche Signalintegrität gewährleisten. In beiden Szenarien spielen die Kosten für die Produktion der Leiterplatte eine Rolle: In der Regel muss das finale PCB-Design nicht nur Performance-Vorgaben einhalten, sondern auch kosteneffektiv sein.

Designregeln festlegen

Ist die eben erwähnte Analyse abgeschlossen, so gilt es, die genauen De­sign­regeln und die Anforderungen an den Lagenaufbau zu definieren, auf deren Basis das Board anschließend entworfen wird. Im Folgenden werden einige sinnvolle Regeln für das Design von Dynamic-Flex- und Flex-to-Install-Leiterplatten analysiert. Außerdem wird gezeigt, wie sich der richtige Lagenaufbau für kontrollierte Impedanzen und Signalintegrität zusammenstellen lässt.

Design einer Dynamic-Flex-Leiterplatte

Wie schon angesprochen, wird eine Dynamic-Flex-Leiterplatte während des Gebrauchs immer wieder gebogen. Das Problem besteht hier darin, dass das Kupfer dadurch ermüdet, hart wird und schließlich bricht. Für High-Speed-Signale sollte die Leiterplatte grundsätzlich eine unterbrechungsfreie kupferne Massefläche aufweisen.

Durchgehende Kupferlagen sind jedoch nicht so flexibel wie Crosshatch-Lagen. So erklärt es sich, dass die Massefläche im flexiblen Abschnitt eines Dynamic-Flex-Board eine höhere Bruch- und Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist.

Die Dicke der Kupferschicht und die Methode zur Produktion der Kupferkaschierung spielen ebenfalls eine Rolle. Die herkömmlichen, galvanisch abgeschiedenen Kupferkaschierungen sind dicker und anfälliger für ermüdungsbedingte Ausfälle an flexiblen Schaltungen. Weichgeglühtes Kupfer (Bild 2) wiederum ist dünner, dafür aber flexibler und haltbarer und bietet dennoch die Voraussetzungen für möglichst hohe Signalintegrität. Der größeren Haltbarkeit von weichgeglühtem Kupfer stehen allerdings höhere Kosten gegenüber, sodass diese Option vor allem bei Anwendungen zum Zuge kommt, bei denen die Signalintegrität höchste Priorität hat.

Will man die Kosten senken und sich gleichzeitig Flexibilität bewahren, so sollte man bevorzugt polygonale Crosshatch-Masseflächen verwenden (Bild 3). Nachteilig hierbei ist die reduzierte Signalintegrität. Verglichen mit PCBs, die durchgängige Masseflächen aufweisen, erhöhen Leiterplatten mit polygonalen Crosshatch-Masseflächen die Anstiegs- und Abfallzeiten schneller Signale, da die Rückströme durch die Hatch-Struktur mäandern müssen. Die Signalintegrität lässt sich auf mehreren Wegen verbessern: Zum Beispiel verändern sich die Auswirkungen, die polygonale Crosshatch-Masseflächen auf die Anstiegs- und Abfallzeiten haben, in Abhängigkeit davon, wie die Leiterbahnen mit High-Speed-Signalen relativ zur Massefläche positioniert werden. Ein guter Kompromiss kann darin bestehen, lokale Signalrücklaufwege mit größerer Stärke direkt unter den High-Speed-Leiterbahnen zu platzieren. Wird diese Option gewählt, sollte der Rücklaufweg mindestens die zehnfache Breite der Signalleiterbahn haben. Sobald die Werkstoffe für die Leiterplatte ausgewählt sind, kann es mit dem Board-Layout weitergehen. In dieser Phase wird entschieden, wie viele Lagen das PCB haben und wie der Lagenaufbau beschaffen sein wird. Mit einem geeigneten ECAD-Tool werden der Lagenaufbau, die Art und die Stärke des Materials sowie gegebenenfalls auch die Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs bestimmt. Mit diesen Informationen können leistungsfähige ECAD-Tools Impedanzberechnungen anstellen und mit dem geeigneten Layout die Integrität der High-Speed-Signale sicherstellen. In diesem Stadium werden auch die Designregeln festgelegt: Zum Beispiel muss hier spezifiziert werden, dass die Impedanz eines High-Speed-Signalpfads über seine gesamte Länge konstant bleiben soll. Auf diese Weise wird das ECAD-Tool angewiesen, die Leiterbahnbreite automatisch beizubehalten. Nur so lässt sich die Impedanz der Signalleitung in den starren und flexiblen Abschnitten auf gleichem Niveau halten. Man sollte andererseits darauf achten, mit den Designregeln nicht über das Ziel hinauszuschießen. Viele Entwickler wenden beim Design von High-Speed-PCBs übermäßig strenge Entwurfsregeln an. Unter anderem existiert häufig mehr Spielraum für die Längenanpassung, als man zunächst vermuten würde. Die Anwendung übermäßig strikter Designregeln kann bewirken, dass die Leiterplatten komplexer und damit teurer in der Herstellung werden.