DE102012100578B4

DE102012100578B4 - Verfahren zum Erstellen eines Layouts für eine Leiterplatte und entsprechende Leiterplatte

Info

Publication number: DE102012100578B4
Application number: DE102012100578.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Tillmanns
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2032-01-25
Also published as: DE102012100578A1

Abstract

Verfahren zum Erstellen eines Layouts für eine Leiterplatte (10) mit mindestens einem Leiterbahnenpaar (12) zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren, wobei das Leiterbahnenpaar (12) einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand (Z) und zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen (14, 16) aufweist, die die jeweils auf der Leiterplatte (10) vorbestimmt angeordneten beide Anschlusspunkte (18; 20) ihres zugeordneten Anschlusspunktepaares der beiden Anschlusspunktepaare verbinden, wobei- zunächst der Verlauf von zwei die beiden Übertragungspfade bestimmenden Pfadstrukturen (22, 24) der Leiterbahnstrukturen (14, 16) wellenwiderstandsunabhängig festgelegt wird,ein sich aus diesem verlauf und der gewünschten Ausgestaltung der Pfadstrukturen (22, 24) resultierender Wellenwiderstand der Pfadstrukturen (22, 24) bestimmt wird und anschließend- zum Einstellen des vorbestimmten GesamtWellenwiderstandes (Z) die Gestalt mindestens einer der Leiterbahnstrukturen (14, 16) um mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur (28, 30, 34) zur Bildung eines induktiven und/oder kapazitiven Bauteils (26, 32) definierter Induktivität und/oder Kapazität ergänzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Layouts für eine starre, flexible oder starrflexible Leiterplatte mit mindestens einem Leiterbahnenpaar zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren, wobei das Leiterbahnenpaar einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand und zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen aufweist, die die jeweils auf der Leiterplatte vorbestimmt angeordneten beide Anschlusspunkte ihres Anschlusspunktepaares der beiden Anschlusspunktepaare verbinden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Leiterplatte mit mindestens einem Leiterbahnenpaar zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren, wobei das Leiterbahnenpaar einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand und zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen aufweist, die die jeweils auf der Leiterplatte vorbestimmt angeordneten beide Anschlusspunkte ihres Anschlusspunktepaares der beiden Paare verbinden.
Ein derartiges Verfahren zum Erstellen eines Layouts für eine starre, flexible oder starrflexible Leiterplatte ist bekannt. Die Leiterbahnstrukturen des Leiterbahnenpaars sollen zum Beispiel zwei auf dem Leiterbahnenträger aufgelötete elektrische Bauelemente signaltechnisch verbinden. Die entsprechenden Signale sind dabei hochfrequente Signale. Zur korrekten Signalübertragung ist der Wellenwiderstand des Leiterbahnenpaares an die Bauelemente angepasst zu wählen.
Entsprechende Softwareprogramme zum Erstellen eines solchen Layouts berechnen bei Vorgabe der Positionen der Anschlusspunkte und einiger der die Gestalt der Leiterbahnstrukturen bestimmenden Größen die noch fehlenden die Gestalt der Leiterbahnstrukturen bestimmenden Größen. Derartige Größen sind unter anderem die Dicke der Leiterbahnstrukturen, deren Verlauf und der sich daraus ergebende Abstand zwischen den Strukturen, die Dielektrizitätskonstante von dazwischenliegendem Material, etc. Dabei kann sich ein derart großer Abstand zwischen den beiden Leiterbahnstrukturen ergeben, der die Bauelemente-Dichte auf der Leiterplatte stark einschränkt.
Die DE 42 31 828 C2 zeigt eine Leiterplatte mit mindestens einem Paar Streifenleiterbahnen zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren, wobei das Paar Streifenleiterbahnen einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand und zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen aufweist, die die jeweils auf der Leiterplatte vorbestimmt angeordneten beide Anschlusspunkte ihres Anschlusspunktepaares der beiden Paare verbinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches Verfahren zum Erstellen eines Layouts für eine Leiterplatte und eine entsprechende Leiterplatte anzugeben, die die angegebenen Schwierigkeiten umgeht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche, Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass (i) der Verlauf von zwei die beiden Übertragungspfade bestimmenden Pfadstrukturen der Leiterbahnstrukturen festgelegt wird, (ii) ein sich aus diesem Verlauf und der gewünschten Ausgestaltung der Pfadstrukturen resultierender Wellenwiderstand der Pfadstrukturen bestimmt wird und anschließend (iii) zum Einstellen des vorbestimmten GesamtWellenwiderstandes die Gestalt mindestens einer der Leiterbahnstrukturen um mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur zur Bildung eines induktiven und/oder kapazitiven Bauteils definierter Induktivität und/oder Kapazität ergänzt wird.
Es ist vorgesehen, dass der Verlauf der beiden Pfadstrukturen wellenwiderstandsunabhängig, also unabhängig vom sich ergebenden Wellenwiderstand der beiden Pfadstrukturen, festgelegt wird.
Dies hat den Vorteil, dass bei der Wahl des Verlaufs der Pfadstrukturen keine Rücksicht auf den vorbestimmten, also gewünschten, Gesamtwellenwiderstand des Leiterbahnenpaares genommen werden muss. Erst in einem weiteren Schritt wird dieser vorbestimmte Gesamtwellenwiderstand durch ein Ergänzen der Gestalt der Leiterbahnstrukturen durch hinzufügen von mindestens einer Leiterbahnzusatzstruktur eingestellt. Diese Leiterbahnzusatzstruktur bildet oder Leiterbahnzusatzstruktur bilden ein induktives und/oder kapazitives Bauteil definierter Induktivität und/oder Kapazität, das zusammen mit der Induktivität/Kapazität der Pfadstrukturen den genäherten Gesamtwellenwiderstand $Z = \sqrt{L / C}$
einstellt.
Die Leiterbahnzusatzstruktur oder die Leiterbahnzusatzstrukturen ist/sind dabei weitgehend pfadunabhängig positionierbar und wird/werden in noch unbelegten Bereichen der Leiterplatte positioniert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur an einem einen der Anschlusspunkte umfassenden Endbereich der entsprechenden Pfadstruktur ergänzt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Leiterbahnenpaar dieser Leiterplatte mittels des durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erstellten Layouts hergestellt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen besagter Leiterplatte, wobei das mindestens eine Leiterbahnenpaar dieser Leiterplatte mittels des durch das vorstehend genannte Verfahren erstellten Layouts hergestellt wird.
Das Verfahren zur Herstellung der Leiterplatte weist weiterhin bevorzugt Schritte eines Lithographieverfahrens auf. Derartige Schritte können zum Beispiel aus bekannten Lithographieverfahren übernommen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte ist vorgesehen, dass jede der beiden Leiterbahnstrukturen eine Pfadstruktur aufweist, die den Verlauf des jeweiligen Übertragungspfads festgelegt und mindestens eine der Leiterbahnstrukturen um mindestens eine ein induktives und/oder kapazitives Bauteil bildende Leiterbahnzusatzstruktur ergänzt ist. Die (wellenwiderstandsunabhängig bestimmten)Pfadstrukturen sorgen für eine signaltechnische Verbindung zwischen den jeweiligen Anschlusspunkten des entsprechenden Anschlusspunktepaares. Die mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur sorgt durch Bereitstellen einer entsprechenden Induktivität oder Kapazität dafür, dass das Leiterbahnenpaar den vorbestimmten Gesamtwellenwiderstand aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die das induktive Bauteil bildende mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur spulen- oder spiralförmig ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die das kapazitive Bauteil bildenden Leiterbahnzusatzstrukturen als kammartige Strukturen zwischen den Pfadstrukturen ausgebildet sind. Diese Kammartigen Strukturen greifen ineinander.
Flächenstrukturen der kapazitiven Bauteile sind ebenfalls möglich.
Insbesondere ist das Leiterbahnenpaar ein Leiterbahnenpaar zur Übertragung hochfrequenter Signale.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an den einen Anschlusspunkten der Anschlusspunktepaare ein Stecker leitend befestigbar ist. Der Stecker ist insbesondere ein Stecker einer RJ-Steckverbindung (z. B. RJ-45).
Andere Verbindungstechniken sind selbstverständlich ebenfalls möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand von zwei bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen

1 eine Leiterplatte mit einem Leiterbahnenpaar gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
2 eine Leiterplatte mit einem Leiterbahnenpaar gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die 1 zeigt einen Teil einer Leiterplatte 10 mit einem Leiterbahnenpaar 12, das zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen 14, 16 aufweist, die jeweils zwei Anschlusspunkte 18, 20 eines Anschlusspunktepaares signaltechnisch verbinden, von denen jedoch jeweils nur ein Anschlusspunkt 18, 20 pro Anschlusspunktepaar dargestellt ist. Die beiden dargestellten Anschlusspunkte 18, 20 gehören dabei zu unterschiedlichen Anschlusspunktepaaren. Das Leiterbahnenpaar 12 ist also ein Leiterbahnenpaar 12 zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren und weist einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand Z auf. Dabei weist jede der beiden Leiterbahnstrukturen 14, 16 eine Pfadstruktur 22, 24 auf, die den Verlauf des jeweiligen Übertragungspfads festgelegt. Der Verlauf dieser Pfadstrukturen 22, 24 ist unabhängig vom Gesamtwellenwiderstand Z des Leiterbahnenpaares 12 festgelegt. Zur Einstellung des vorbestimmten Gesamtwellenwiderstands Z ist jede der beiden Leiterbahnstrukturen 14, 16 um eine ein kapazitives Bauteil 26 bildende Leiterbahnzusatzstruktur 28, 30 ergänzt. Das kapazitive Bauteil 26 ist im gezeigten Beispiel ein Kondensator. Die dieses kapazitive Bauteil 26 bildenden Leiterbahnzusatzstrukturen 28, 30 sind als kammartige Strukturen zwischen den Leiterbahnstrukturen 14, 16 bzw. den Anschlusspunkten 18, 20 ausgebildet.
Der Gesamtwellenwiderstand Z beträgt bevorzugt 100 Ω. Die Leiterplatte kann als starre, flexible oder als starrflexible Leiterplatte ausgebildet sein.
Die in 2 teilweise gezeigte Leiterplatte 10 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Leiterplatte 10, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
Auch hier weist die Leiterplatte 10 ein Leiterbahnenpaar 12 auf, das zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen 14, 16 besitzt, die jeweils zwei Anschlusspunkte 18, 20 jeweils eines Anschlusspunktepaares signaltechnisch verbinden. Das Leiterbahnenpaar 12 der 2 ist also ebenfalls ein Leiterbahnenpaar 12 zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren und weist einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand Z auf. Der Verlauf des jeweiligen Übertragungspfades ist auch hier durch zwei Pfadstrukturen 22, 24 bestimmt. Der Verlauf dieser Pfadstrukturen 22, 24 ist beim Erstellen des Layouts der Leiterplatte 10 unabhängig vom Gesamtwellenwiderstand Z des Leiterbahnenpaares 12 festgelegt.
Zur Einstellung des vorbestimmten Gesamtwellenwiderstands Z ist eine der beiden Leiterbahnstrukturen 14 um eine ein induktives Bauteil 32 bildende Leiterbahnzusatzstruktur 34 ergänzt. Das induktive Bauteil 32 ist im gezeigten Beispiel eine Spule. Die dieses induktive Bauteil 32 bildende Leiterbahnzusatzstruktur 34 ist als spiralförmige Struktur ausgebildet.
Die entsprechenden Signale sind hochfrequente Signale, insbesondere hochfrequente Datensignale. Der Frequenzbereich der Grundfrequenz dieser Signale liegt im MHz-Bereich oder höher, die Anteile der höheren Harmonischen gegebenenfalls bei entsprechend höheren Frequenzen.
Die Lage der Anschlusspunkte 18, 20 ist durch die gewünschte Anordnung und Ausgestaltung der an die Anschlusspunkte 18, 20 anzuschließenden Bauelemente gegeben.
Allgemein gilt: Der Gesamtwellenwiderstand eines Leitungspaares (Leitungswellenwiderstand), also auch eines Leiterbahnenpaares 10 wird beschrieben durch folgende Formel $Z = \sqrt{\frac{R' + j ω L'}{G' + j ω C'}}$
Der Gesamtwellenwiderstand nähert sich für hohe und sehr hohe Frequenzen ω einem frequenzunabhängigen, reellen Wert, d. h. der imaginäre Anteil wird 0. Als hohe Frequenzen gelten diejenigen, ab denen der ohmsche Widerstandsbelag R' und der Ableitungsbelag G' gegenüber den frequenzabhängigen Termen des kapazitiven und induktiven Belags jωC' bzw. jωL' der Leitung vernachlässigt werden können. Dann kann man in der allgemeinen Gleichung für den Gesamtwellenwiderstand des Leiterbahnenpaares R' und G' durch Null ersetzen, und der Bruch innerhalb der Wurzel lässt sich anschließend um jω kürzen. Bei sehr hohen Frequenzen in der Größenordnung von GHz steigen zwar R' aufgrund des Skineffektes und G' aufgrund des dielektrischen Verlustfaktors an, aber auch dann haben Widerstandsbelag R' und Ableitungsbelag G' eine immer noch untergeordnete Auswirkung auf den Leitungswellenwiderstand. Der Gesamtwellenwiderstand des Leiterbahnenpaares ergibt sich für hohe und sehr hohe Frequenzen angenähert aus kapazitivem und induktivem Leitungsbelag: $Z = \sqrt{L' / C'}$
Ziel ist es, eine gesamtwellenwiderstandsunabhängige Führung der Pfadstrukturen 22, 24 auf der Leiterplatte 10 zu realisieren.
Die Anpassung des Gesamtwellenwiderstandes erfolgt erfindungsgemäß mittels einer Ersatzschaltung, nämlich der mindestens einen Leiterbahnzusatzstruktur 28, 30, 34, die ein induktives und/oder kapazitives Bauteil 26, 32 abbildet.
Bezugszeichenliste

Leiterplatte	10
Leiterbahnenpaar	12
Leiterbahnstruktur	14
Leiterbahnstruktur	16
Anschlusspunkt	18
Anschlusspunkt	20
Pfadstruktur	22
Pfadstruktur	24
Kapazitives Bauteil	26
Leiterbahnzusatzstruktur	28
Leiterbahnzusatzstruktur	30
Induktives Bauteil	32
Leiterbahnzusatzstruktur	34

Claims

Verfahren zum Erstellen eines Layouts für eine Leiterplatte (10) mit mindestens einem Leiterbahnenpaar (12) zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren, wobei das Leiterbahnenpaar (12) einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand (Z) und zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen (14, 16) aufweist, die die jeweils auf der Leiterplatte (10) vorbestimmt angeordneten beide Anschlusspunkte (18; 20) ihres zugeordneten Anschlusspunktepaares der beiden Anschlusspunktepaare verbinden, wobei - zunächst der Verlauf von zwei die beiden Übertragungspfade bestimmenden Pfadstrukturen (22, 24) der Leiterbahnstrukturen (14, 16) wellenwiderstandsunabhängig festgelegt wird, ein sich aus diesem verlauf und der gewünschten Ausgestaltung der Pfadstrukturen (22, 24) resultierender Wellenwiderstand der Pfadstrukturen (22, 24) bestimmt wird und anschließend - zum Einstellen des vorbestimmten GesamtWellenwiderstandes (Z) die Gestalt mindestens einer der Leiterbahnstrukturen (14, 16) um mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur (28, 30, 34) zur Bildung eines induktiven und/oder kapazitiven Bauteils (26, 32) definierter Induktivität und/oder Kapazität ergänzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verlauf der beiden Pfadstrukturen (22, 24) wellenwiderstandsunabhängig festgelegt wird.
verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur (28, 30, 34) an einem einen der Anschlusspunkte (18, 20) umfassenden Endbereich der entsprechenden Pfadstruktur (22, 24) ergänzt wird.
Verfahren zum Herstellen der Leiterplatte, wobei das mindestens eine Leiterbahnenpaar (12, 14) dieser Leiterplatte (10) mittels des durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erstellte Layout hergestellt wird.
Leiterplatte (10) mit mindestens einem Leiterbahnenpaar (12, 14) zur Signalübertragung zwischen zwei Anschlusspunktepaaren, wobei das Leiterbahnenpaar (12, 14) einen vorbestimmten Gesamt-Wellenwiderstand und zwei je einen Übertragungspfad bildende Leiterbahnstrukturen (14, 16) aufweist, die die jeweils auf der Leiterplatte (10) vorbestimmt angeordneten beide Anschlusspunkte (18, 20) ihres Anschlusspunktepaares der beiden Anschlusspunktepaare verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass - jede der beiden Leiterbahnstrukturen (14, 16) eine Pfadstruktur (22, 24) aufweist, die den Verlauf des jeweiligen Übertragungspfads wellenwiderstandsunabhängig festgelegt und - mindestens eine der Leiterbahnstrukturen (14, 16) um mindestens eine ein induktives und/oder kapazitives Bauteil (26, 32) bildende Leiterbahnzusatzstruktur (28, 30, 34) ergänzt ist.
Leiterplatte nach Anspruch 5, wobei die das induktive Bauteil (32) bildende mindestens eine Leiterbahnzusatzstruktur (34) spulen- oder spiralförmig ausgebildet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 5 oder 6, wobei die das kapazitive Bauteil (26) bildenden Leiterbahnzusatzstrukturen (28, 30) als kammartige Strukturen zwischen den Pfadstrukturen (22, 24) ausgebildet sind.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Leiterbahnenpaar (12) ein Leiterbahnenpaar (12) zur Übertragung hochfrequenter Signale ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei an den einen Anschlusspunkten der Anschlusspunktepaare ein Stecker, insbesondere ein Stecker einer RJ-Steckverbindung leitend befestigbar ist.