Da die Signalgeschwindigkeiten weiter steigen, stoßen herkömmliche Leiterplattenmaterialien an ihre Leistungsgrenzen. Zwar eignet sich Standard-FR4 nach wie vor für viele Anwendungen, doch moderne Netzwerkgeräte, KI-Rechenplattformen, Hochgeschwindigkeitsspeichersysteme und Kommunikationsinfrastrukturen erfordern häufig Materialien mit geringerem Signalverlust.
Hier kommen Leiterplattenmaterialien mit geringen Verlusten ins Spiel.
Laminate mit geringen Verlusten sind darauf ausgelegt, die dielektrische Dämpfung zu reduzieren, wodurch Signale über größere Entfernungen übertragen werden können, ohne an Integrität einzubüßen. Sie haben sich als gängige Wahl in Anwendungen durchgesetzt, die mit Datenraten im Multi-Gigabit-Bereich und hohen Frequenzen arbeiten.
Inhaltsübersicht
Was zeichnet ein verlustarmes Leiterplattenmaterial aus?
Signalverluste in einer Leiterplatte haben verschiedene Ursachen, darunter Leiterverluste, Oberflächenrauheit, Übergänge an Steckverbindern und dielektrische Verluste.
Unter diesen Faktoren wird der dielektrische Verlust direkt durch das Laminatmaterial selbst beeinflusst.
Ein Material gilt im Allgemeinen als verlustarm, wenn es folgende Eigenschaften aufweist:
- Niedriger Verlustfaktor (Df)
- Stabile Dielektrizitätskonstante (Dk)
- Gleichbleibende elektrische Leistung über alle Frequenzbereiche hinweg
- Reduzierte Einfügungsdämpfung
Wie in Dk- und Df-Werte in Leiterplattenmaterialien, der Verlustfaktor ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Bewertung des Signalverlustverhaltens.
Warum Standard-FR4 Einschränkungen aufweist
FR4 ist nach wie vor das am häufigsten verwendete Leiterplattenmaterial, da es kostengünstig und leicht erhältlich ist.
Mit steigenden Frequenzen und Datenraten verschlechtert sich jedoch seine elektrische Leistung.
Zu den typischen Eigenschaften von FR4 gehören:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
Für viele Industrie- und Konsumgüter sind diese Werte völlig akzeptabel.
Allerdings gibt es Anwendungen wie:
- 25G-Ethernet
- 56G PAM4
- 112G-Backplanes
- Hochgeschwindigkeits-Serverplattformen
erfordern oft geringere dielektrische Verluste, als herkömmliches FR4 bieten kann.
Leser, die sich noch nicht mit FR4-Materialien auskennen, können folgende Informationen zu Rate ziehen: Das FR4-Leiterplattenmaterial im Detail für weitere Hintergrundinformationen.
Eigenschaften von Materialien mit geringen Verlusten
Verlustarme Laminate wurden entwickelt, um die Signalübertragungsleistung zu verbessern.
Zu den gemeinsamen Merkmalen gehören:
Geringerer Verlustfaktor
Der größte Vorteil ist der geringere dielektrische Verlust.
Niedrigere Df-Werte sind hilfreich:
- Dämpfung minimieren
- Augendiagramme verbessern
- Routing-Entfernungen verlängern
- Die Anforderungen an den Ausgleich reduzieren
Stabile Dielektrizitätskonstante
Materialien mit geringen Verlusten weisen oft über breitere Frequenzbereiche hinweg gleichmäßigere Dk-Werte auf.
Dadurch wird Folgendes verbessert:
- Impedanzkontrolle
- Signalablauf
- Anpassung von Differentialpaaren
Verbessertes Hochfrequenzverhalten
Viele verlustarme Systeme sind für Frequenzen optimiert, bei denen bei Standard-FR4 eine erhebliche Dämpfung einsetzt.
Höhere Zuverlässigkeit
Hochwertige Laminatsysteme bieten oft auch eine verbesserte thermische und mechanische Leistungsfähigkeit.
Typischer Df-Vergleich
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften gängiger Leiterplattenmaterialien.
| Material | Typischer Df |
|---|---|
| Standard FR4 | 0.015-0.025 |
| FR4 mit hohem Glasübergangspunkt | 0,012–0,020 |
| FR4 mit geringen Verlusten | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| PTFE-Werkstoffe | 0,0009–0,002 |
Je niedriger der Df-Wert, desto geringer ist der dielektrische Verlust.
Bei der Materialauswahl sollten jedoch stets die allgemeinen Konstruktionsanforderungen berücksichtigt werden, anstatt sich auf eine einzelne Spezifikation zu konzentrieren.
Gängige Arten von Leiterplattenmaterialien mit geringen Verlusten
Verbesserte FR4-Systeme
Viele Laminatlieferanten bieten verbesserte FR4-Formulierungen an, die für Anwendungen mit höheren Geschwindigkeiten ausgelegt sind.
Diese Materialien bieten:
- Bessere Signalqualität
- Vertraute Verarbeitungseigenschaften
- Geringere Kosten im Vergleich zu hochwertigen HF-Laminaten
Sie kommen häufig in Netzwerk- und Serverprodukten zum Einsatz.
Kohlenwasserstoff-Keramik-Werkstoffe
Diese Laminate kombinieren Kohlenwasserstoffharzsysteme mit keramischen Füllstoffen.
Die Vorteile umfassen:
- Geringerer Verlust
- Stabile dielektrische Eigenschaften
- Gute Herstellbarkeit
Mehrere gängige HF-Materialien nutzen diesen Ansatz.
Materialien auf PTFE-Basis
PTFE weist einige der geringsten dielektrischen Verluste auf, die in der Leiterplattenherstellung zu finden sind.
Die Anwendungen umfassen:
- Radaranlagen
- Satellitenkommunikation
- HF-Verstärker
- Mikrowellenschaltungen
Ein eigener Artikel zum Thema PTFE-Leiterplattenmaterial wird diese Materialien genauer untersuchen.
Digitale Hochgeschwindigkeits-Laminate
Produkte wie zum Beispiel:
- Megtron-Serie
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Nelco-Hochgeschwindigkeitswerkstoffe
sind speziell für moderne digitale Systeme konzipiert.
Diese Materialien schließen die Lücke zwischen herkömmlichem FR4 und speziellen HF-Substraten.
Anwendungen, die von verlustarmen Materialien profitieren
Rechenzentrumsausrüstung
Moderne Switches und Router arbeiten mit immer höheren Datenraten.
Mit zunehmender Kanallänge wird der Signalverlust zu einem entscheidenden Auslegungsfaktor.
Materialien mit geringen Verlusten tragen dazu bei, die Signalqualität im gesamten System aufrechtzuerhalten.
Zukünftige Berichte werden folgende Themen behandeln: Leiterplattenmaterialien für Rechenzentrumsausrüstung.
AI-Server
Eine KI-Infrastruktur erfordert eine Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen Prozessoren, Beschleunigern und Speichergeräten.
Verlustarme Laminate tragen dazu bei:
- Hohe Bandbreite
- Geringere Latenz
- Verbesserte Signalintegrität
Telekommunikationssysteme
Die Anwendungen umfassen:
- Optische Netzwerke
- 5G-Infrastruktur
- Backhaul-Ausrüstung
- Hardware für die drahtlose Kommunikation
Hochgeschwindigkeits-Speichersysteme
Speicherplattformen für Unternehmen setzen häufig auf Materialien mit geringen Verlusten, um Hochgeschwindigkeitsschnittstellen und lange Signalwege zu unterstützen.
Kostenüberlegungen
Ein Grund für die anhaltende Beliebtheit von Standard-FR4 sind die Kosten.
Materialien mit geringen Verlusten erhöhen in der Regel die Kosten für die Leiterplattenfertigung aus folgenden Gründen:
- Höhere Preise für Laminat
- Komplexere Anforderungen an den Laminataufbau
- Zusätzlicher Entwicklungsaufwand
Die Leistungsvorteile müssen die zusätzlichen Kosten rechtfertigen.
In vielen Fällen sind Materialien mit geringen Verlusten nur für bestimmte Schichten erforderlich, sodass Entwickler Hybrid-Schichtaufbauten verwenden können, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Kosten gewährleisten.
Materialien mit geringen Verlusten und Aufbauplanung
Die Materialauswahl ist untrennbar mit der Schichtplanung verbunden.
Zu den Faktoren, die gemeinsam bewertet werden sollten, gehören:
- Anzahl der Schichten
- Kernstärke
- Auswahl der Prepregs
- Rauheit des Kupfers
- Ziel-Impedanz
Wie bereits in Leiterplattenkerne und Prepreg-Materialien, Der dielektrische Abstand wirkt sich direkt auf die Impedanz und das Signalverhalten aus.
Ein gut durchdachter Schichtaufbau trägt oft ebenso viel zur Leistung bei wie das Material selbst.
Die Wahl des richtigen Materials
Bei der Bewertung von Laminaten mit geringen Verlusten sollten Ingenieure Folgendes berücksichtigen:
Datenrate
Höhere Datenraten erhöhen in der Regel die Bedeutung geringer dielektrischer Verluste.
Betriebsfrequenz
Für HF- und Mikrowellen-Schaltungen werden häufig spezielle Materialien benötigt.
Kanal-Länge
Längere Signalwege profitieren in der Regel stärker von verlustarmen Materialien.
Anforderungen an die Fertigung
Bestimmte Materialien erfordern spezielle Bohr-, Laminier- oder Bearbeitungsverfahren.
Budget
Die Materialauswahl sollte auf die Leistungsziele des Produkts und die Markterwartungen abgestimmt sein.
Das Ziel besteht nicht darin, das Material mit den geringsten Verlusten zu wählen, sondern das für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Material.
FAQ
A: Ein verlustarmes Leiterplattenmaterial ist ein Laminat, das darauf ausgelegt ist, die dielektrische Dämpfung zu verringern und die Signalintegrität bei hohen Frequenzen oder hohen Datenraten zu verbessern.
A: Sie tragen dazu bei, Signalverluste zu minimieren, sodass Signale über größere Entfernungen mit besserer Qualität übertragen werden können.
A: Nicht immer. Manche Materialien mit geringen Verlusten sind eher für digitale Hochgeschwindigkeitssysteme als für HF-Anwendungen konzipiert.
A: In manchen Fällen ja. Allerdings erfordern sehr hohe Datenraten oft Materialien mit geringeren dielektrischen Verlusten.
A: In den Bereichen Netzwerktechnik, Telekommunikation, KI-Rechenleistung, Rechenzentren, Luft- und Raumfahrt sowie moderne Industrieelektronik kommen häufig verlustarme Leiterplattenmaterialien zum Einsatz.