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Forum: Platinen Berechnung Differential Pairs mit PCB Toolkit


Autor: Klaus R. (klara)
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Hallo,
es geht um die Berechnung von Impedanzen bei Leiterbahnen für 
Differential Microstrip, bzw. Differential Pairs, wie für USB und LVDS. 
Ich nutze das kostenlose PCB Toolit V7.05 von Saturn.

Bislang hatte ich ein auf TOP geführtes Paar immer mit dem 
Berechnungsmodell "Edge Cpld Ext" berechnet (Anhang 1).

Jetzt hat der PCB Hersteller differenziertere Angaben zu den 
Dielektrizitätskonstanten gemacht. Außerdem scheint mir "Edge Cpld Ext" 
nicht ganz so passend zu sein. Hier wird der Lötstopplack nicht mit 
berücksichtigt.

Der PCB Hersteller Ätzwerk geht darauf u.a. ein.
https://www.aetzwerk.de/impedanzkontrolle
... Andere Werte ergeben sich wenn ein identischer Leiterzug an der Oberfläche der Leiterplatte verläuft oder mit Lötstopplack abgedeckt ist. So beträgt der Wert für εr auf einer Außenlage mit Lötstopplack 3,8 (Berechnungsmodell: Surface Coated Microstrip). Ohne Lötstopplack sollte man auf den Außenlagen mit εr = 2,8 rechnen (Berechnungsmodell: Surface Microstrip). ... 

Deswegen müßte bein PCB Toolkit das Berechnungsmodell "Edge Cpld Embed" 
exakter sein (Anhang 2). Jetzt wäre noch die Dielektrizitätskonstante 
festzulegen.

Der Prepreg 2313 wird hier mit 4,05 angegeben.

Solder mask thickness over base material = 0,8 mil
Solder mask thickness over track = 0,5 mil
Solder mask dielectric constant = 3,8

Der Parameter H1 des Tools ist der Prepreg.
H2 = H1 + Kuferschichtdicke + 0,5 mil Lötstopplack.

Dann wollte ich per Dreisatz bezogen auf die Schichtstärken eine 
mittlere Dielektrizitätskonstante ermitteln.

Sehe ich das so richtig?
mfg klaus

Autor: HildeK (Gast)
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Ich denke, du hast zuviele Nachkommastellen in deinen Berechnungen.
Wenn du möglichst genau eine bestimmte Impedanz haben willst, dann musst 
du bei deinem LP-Fertiger eine impedanzkontrollierte LP bestellen - mit 
Aufpreis natürlich.
Bei normalen LP ist die Toleranz von Schichtdicken, Abständen, 
Leiterbreiten sowie der Homogenität des eps-r größer, als das was du als 
Ablage eines leicht abweichenden eps-r des Stoplackes ausrechnest.

Hast du überhaupt so strenge Anforderungen? Die knapp 5% Fehler spielen 
höchstens dann eine Rolle, wenn du vom Kunden hohe Anforderungen an die 
Reflexionsdämpfung deiner Schnittstelle hast.

Autor: Wühlhase (Gast)
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Mal davon abgesehen: Wenn du eine Impedanzkontrolle mitbestellst, so 
wird in der Regel eine Toleranz von +/-10% angegeben. Der Fertiger sieht 
dann auch nur zu daß es in etwa passt. Und der rechnet auch nur mit 
Faustformeln, oder z.B. mit PCB-Toolkit von SaturnPCB.

Ich glaube kaum daß die üblichen Fertiger richtige 
Feldberechnungsprogramme einsetzen.

Immerhin waren die PCB-Toolkitprogrammierer so clever und haben eine 
Grenze ihrer verwendeten Formeln eingebaut, die vom Programm auch 
eingehalten wird. Die Ungenauigkeit in den Grenzbereichen geht dabei 
leider nicht daraus hervor.

Autor: Klaus R. (klara)
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HildeK schrieb:
> Ich denke, du hast zuviele Nachkommastellen in deinen Berechnungen.

Ist mir klar. Für mich runde ich auf eine Stelle, aber nur deswegen um 
Varianten unterscheiden zu können.

HildeK schrieb:
> Wenn du möglichst genau eine bestimmte Impedanz haben willst, dann musst
> du bei deinem LP-Fertiger eine impedanzkontrollierte LP bestellen - mit
> Aufpreis natürlich.

Ist mir bekannt. Aber Fast Ethernet und LVDS haben noch relativ kurze 
Längen. LVDS wird zudem nicht voll ausgereizt.


HildeK schrieb:
> Hast du überhaupt so strenge Anforderungen? Die knapp 5% Fehler spielen
> höchstens dann eine Rolle, wenn du vom Kunden hohe Anforderungen an die
> Reflexionsdämpfung deiner Schnittstelle hast.

Ich bin mir der Toleranzen bewusst, zumindest halbwegs. Deswegen möchte 
ich zunächst die Leiterbahngeometrie im Optimalfall ermitteln. Ich teste 
dann auch die Werte mit den Toleranzen durch. Auf 5% Abweichung kommt 
man da sehr schnell.

Das Problem ist aber schon das die differenzielle Impedanz und die 
asymmetrische Impedanz nicht 100%ig übereinstimmen. 50 Ohm + 50 Ohm 
sollten 100 Ohm geben. Man bekommt aber nur einen Wert genau hin und der 
andere hat immer einige Ohm Abweichungung oder der Leiterbahnabstand 
wird sehr groß.

Welcher Wert ist der wichtigere, der Nennwert von 100 Ohm? Oder sollte 
man die Abweichungen aufteilen?
mfg klaus

Autor: georg (Gast)
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Wühlhase schrieb:
> Ich glaube kaum daß die üblichen Fertiger richtige
> Feldberechnungsprogramme einsetzen.

Das von so gut wie allen verwendete Standard-Paket von Polar Instruments 
umfasst sowohl die Hardware zur Impedanzmessung von Leiterbahnen, die 
Software zur präzisen Berechnung und Software zum Bon-Druck mit den 
gemessenen Werten für jede LP.

Die Vermutung, dass ein Fertiger, der kontrollierte Impedanz anbietet, 
mit Gratissoftware wie dem Saturn Toolkit arbeitet ist eigentlich eine 
Beleidigung.

Und es ist auch keine Schlamperei der Fertigung, dass Toleranzen von 10% 
herauskommen, sondern das liegt ganz einfach daran, dass solche 
Parameter wie die Dicke von Prepregs auch schon erhebliche Toleranzen 
haben.

Wenn man so garkeine Ahnung hat sollte man sich mit solchen 
Unterstellungen zurückhalten.

Georg

Autor: Wühlhase (Gast)
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georg, ich habe von einem Fertiger hier aus Deutschland (zudem einer der 
eher Geschätzteren hier) mal einen Screenshot aus dem Saturn-Toolkit in 
einer Antwort-Mail erhalten.

Autor: Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Die tatsächliche Dicke des Lötstopplacks hängt von etlichen 
geometrischen Bedingungen ab, d.h. je dichter die Leiterbahnen beinander 
liegen, desto dicker ist die Lackschicht.

Ebenso sollte man berücksichtigen, dass die Außenlagen selbst größeren 
Dickentoleranzen unterworfen sind als Innenlagen, die nicht separat 
metallisiert sind. Dies hängt damit zusammen, dass sich das Kupfer für 
die Durchkontaktierungen auch auf den zum Zeitpunkt der Metallisierung 
außen liegenden Kupferschichten ansammeln. "Normale" Leiterplatten mit 
z.B. vier Lagen werden häufig aus einem Kern mit 35um Kupferfolie 
hergestellt, der vorab geätzt wird und die beiden Innenlagen ergibt. 
Dann werden jeweils ein Prepreg sowie 9um Folie aufgebracht. In der 
Galvanik erfolgt dann die Durchkontaktierung, wobei z.B. 25um Wandstärke 
der Kupferhülsen angestrebt wird. Allerdings lagert sich das Kupfer auf 
den Außenlagen nochmals deutlich stärker ab. Letztendlich erreicht man 
dadurch außen ca. 42um, wobei die Toleranzen wesentlich höher sind als 
bei gewalzten Kupferfolien.

Wenn man eine Leiterplatten mit Buried Vias herstellen lässt, erfolgen 
natürlich galvanische Schritte bei jedem Lagenpaar, auf dem Buried Vias 
beginnen oder enden. Folglich gelten auch für solche Kupferlagen größere 
Toleranzen.

Bei Innenlagen ist natürlich auch die dielektrische Umgebung besser 
definiert. Aus all den o.a. Gründen bieten sich daher insbesondere die 
erste und die vorletzte Lage für besonders eng tolerierte, 
impedanzkontrollierte Leiterbahnen an. Durch die Einsatz von Microvias 
vermeidet man dann auch große Impedanzsprünge wie bei 
Durchgangsbohrungen.
Natürlich muss man sich auch entscheiden, ob man die wichtigen 
Leiterbahnen außen entweder komplett mit Kupfer abdeckt oder eben 
komplett ausspart.

Autor: Klaus R. (klara)
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Hallo,
vielen Dank für die Antworten. HildeK hat schon etwas zu den Toleranzen 
gesagt. Andreas hat das Thema anschaulich vertieft. Wie Mr. Spock schon 
sagte: "Aha, dann werde ich so genau schätzen, wie ich kann."
mfg klaus

Autor: georg (Gast)
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Klaus R. schrieb:
> Welcher Wert ist der wichtigere, der Nennwert von 100 Ohm?

Dafür gibt es von einem der führenden amerikanischen Spezialisten eine 
klare Aussage, aber den Fachartikel in einer Fachzeitschrift für PCB 
Design habe ich gerade nicht im Zugriff und ausserdem würde so eine 
Aussage hier nur zu hasserfüllten Diskussionen führen ohne Ergebnis.

Richtig ist, je näher die Leiterbahnen desto grösser die Abweichung von 
Diff = 2 x Single, das ist physikalisch bedingt, und mit einem Field 
Solver kann man auch schön sehen warum. Also macht man den Abstand so 
gross dass die Abweichung tolerabel ist. Daher ist auch die übliche 
Empfehlung, den Abstand so klein zu machen wie die Fertigung zulässt, 
eher irreführend, aber auch das ist hier nicht diskutierbar.

Georg

Autor: Klaus R. (klara)
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Hallo Georg,
Danke für die Erklärungen. Der pragmatische Ansatz gefällt mir.
mfg Klaus

Autor: Wühlhase (Gast)
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georg schrieb:
> Klaus R. schrieb:
>> Welcher Wert ist der wichtigere, der Nennwert von 100 Ohm?
>
> Dafür gibt es von einem der führenden amerikanischen Spezialisten eine
> klare Aussage, aber den Fachartikel in einer Fachzeitschrift für PCB
> Design habe ich gerade nicht im Zugriff und ausserdem würde so eine
> Aussage hier nur zu hasserfüllten Diskussionen führen ohne Ergebnis.
>
> Richtig ist, je näher die Leiterbahnen desto grösser die Abweichung von
> Diff = 2 x Single, das ist physikalisch bedingt, und mit einem Field
> Solver kann man auch schön sehen warum. Also macht man den Abstand so
> gross dass die Abweichung tolerabel ist. Daher ist auch die übliche
> Empfehlung, den Abstand so klein zu machen wie die Fertigung zulässt,
> eher irreführend, aber auch das ist hier nicht diskutierbar.

Wieso sollte das nicht diskutierbar sein? Ich bin zwar auch manchmal 
erstaunt (gelegentlich auch erschrocken) über die "Kompetenz" in 
deutschen Firmen gemeinhin zu herrschen scheint, aber das ist doch kein 
Grund. Im Gegenteil, es ist durchaus tröstend so eine Diskussionsrunde 
im Forum zu lesen. Das mindert den Selbstzweifel im realen Leben 
erheblich.

Ich glaub aber auch zu wissen, welchen Spezialisten und du meinst und 
wie seine Ansage lautet. Den Fachartikel würde ich gerne mal lesen.

Autor: Klaus R. (klara)
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Hallo,
also ich tendiere zu den 100 Ohm der differenziellen Impedanz. Zumindest 
bei LVDS soll es sich um eine Stromschleife handeln. Das wäre für mich 
eine klassische symmetrische Übertragung wie im höherwertigen 
Audiobereich üblich. Allerdings spielt dort bei der Übertragung für das 
Signal Masse keine Rolle. Im HF - Bereich treten da schon eher 
Wellenphänomene auf.
mfg Klaus

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