Das Dielektrikum ist nicht FR-4
Eine flexible Schaltung wird auf einer Polyimidfolie mit einem Klebesystem und einer Deckschicht aufgebaut, nicht auf glasfaserverstärktem Epoxidharz unter einer gedruckten Maske. Daraus ergeben sich drei Konsequenzen für die Hochgeschwindigkeitsentwicklung.
Kein Glasfasergewebe. FR-4 besteht aus gewebten Glasfaserbündeln mit einer anderen Dielektrizitätskonstante als das dazwischenliegende Harz. Dies führt zu Frequenzverzerrungen und Impedanzwelligkeit bei Differenzialpaaren. Polyimidfolie ist homogen, wodurch dieses Problem entfällt – einer der wenigen Bereiche, in denen Flexibilität einfacher ist als Starrheit.
Dünnes Dielektrikum, schmale Leiterbahnen. Ein 25 µm Kern platziert die Referenzebene sehr nah am Signal, sodass eine 50 Ω Leiterbahn schmal ist – oft nahe der Prozessgrenze von 0,05 mm. Der Entwickler hat weniger Spielraum beim Kompromiss zwischen Breite und Impedanz, und die Toleranz der Folien- und Klebstoffdicke ist wichtiger als bei einem dicken, starren Kern.
Abdeckfolie statt Maske. Die Abdeckfolie ist eine laminierte Folie mit Klebstoff. Daher ist das Dielektrikum über der Leiterbahn dicker und weniger homogen als bei einer gedruckten Maske. Dies ist Teil des Impedanzmodells und erklärt auch die großzügig dimensionierten Öffnungen der Abdeckfolie.
Verluste müssen aus dem realen Aufbau resultieren
Bei Multi-Gigabit-Raten dominieren zwei Verlustmechanismen: dielektrische Verluste und Kupferrauheit. Polyimid und die Klebstoffschichten weisen höhere Verluste auf als die für starre Hochfrequenz-Leiterplatten verwendeten PTFE- und Kohlenwasserstofflaminate. Flexible Folien sind zudem nicht immer so flach, dass die Verluste bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten gering bleiben.
Das schließt flexible Leiterplatten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen nicht aus – es schließt jedoch aus, dass ein starrer Leiterbahnaufbau einfach auf eine flexible Leiterplatte übertragen werden kann und dieselben Werte erwartet werden. Wo Verluste relevant sind, wird der Aufbau mit der tatsächlichen Folie, dem Klebstoff und dem Kupfer modelliert. Das Ergebnis wird mit dem Kanalbudget inklusive Steckverbindern und Kabel verglichen.
Die Falte stellt eine Diskontinuität dar
Eine Biegung verändert den Abstand zwischen Signal und Referenz und kann die lokale dielektrische Geometrie beeinflussen. Bei einer statischen Biegung entsteht dadurch eine feste Impedanzstufe; bei einer dynamischen Biegung ist es eine bewegliche Stufe.
Es gelten folgende praktische Regeln:
Hochgeschwindigkeitsleitungen sollten, sofern das Layout dies zulässt, außerhalb des Biegungsbereichs verlaufen und andernfalls rechtwinklig über die Biegung geführt werden.
Die Referenzebene unter dem Signal muss durchgehend sein, auch durch die Biegung hindurch, selbst wenn dies eine dünne Kupferfläche anstelle einer durchgehenden Ebene bedeutet.
Der Stecker an jedem Ende sollte als Teil des Kanals betrachtet werden; die flexible Leitung selbst ist oft das verlustärmste Element im Pfad.
Wann sollte auf starr-flexible Leitung umgestellt werden?
Wenn der Hochgeschwindigkeitsabschnitt mehrere Lagen, eine kontrollierte Impedanz auf mehr als einer Lage und einen versteiften Steckerbereich benötigt, hält eine Starrflex-Konstruktion die dichte Leiterbahnführung auf FR-4 und setzt Polyimid nur dort ein, wo die Geometrie beweglich sein muss. Die Impedanz wird bei beiden auf ±10 % gehalten, und die Funktionsseite listet die Dicken- und Kupferbereiche auf.
