Řízení impedance a signálů u flexibilních a rigid-flex desek

V oblasti vysokorychlostního návrhu elektroniky se řízení impedance stává nepostradatelným požadavkem, obzvlášť u flexibilních a rigid-flex desek plošných spojů.

 Konstrukce těchto desek kombinuje mechanickou flexibilitu s potřebou zachovat vysokou kvalitu přenosu signálu, což přináší řadu technických výzev v řízení impedance.

Význam řízení impedance

Řízená impedance je kritická pro zachování integrity vysokorychlostních signálů. Impedance vodiče je ovlivněna šířkou stopy, vzdáleností od referenční roviny a dielektrickými vlastnostmi okolního materiálu. V prostředí s vysokými frekvencemi může i malá odchylka v řízení impedance vést k odrazům signálu, přeslechům nebo deformaci pulzů.

Hybridní stohování pro kombinaci flexibility a řízené impedance

Někteří pokročilí návrháři používají hybridní přístup: v části s vysokorychlostními signály je rigidní oblast navržena s precizně řízenou impedancí, zatímco ohebná část slouží jen jako propojka. Tím lze omezit problémy s impedancí v mechanicky náročném prostředí a zároveň snížit složitost návrhu. Tato strategie však vyžaduje přesné určení přechodové oblasti mezi rigidní a flex částí a důslednou kontrolu impedance v této zóně.

Flexibilní konstrukce a tloušťka jader

Zatímco běžné flexibilní desky mohou používat jádra o tloušťce 1 mil, konfigurace s řízenou impedancí často vyžadují silnější jádra – typicky 2 až 4 mil. Pro vyšší třídy impedance, například 60Ω (single-ended) nebo 120Ω (diferenciální), mohou být nezbytná ještě silnější jádra, aby se zachovala požadovaná vzdálenost mezi vrstvami a referenčními rovinami.

Silnější jádra přinášejí vyšší tuhost a zvyšují celkovou tloušťku desky, což omezuje flexibilitu. Návrháři tak musí hledat rovnováhu mezi mechanickou ohebností a požadavky na impedanci.

DFM (Design for Manufacturability) a řízená impedance

Při návrhu rigid-flex PCB je důležité zapracovat toleranci výrobního procesu. I když návrh přesně simuluje 100Ω diferenciální pár, reálná výroba může mít odchylky v šířce stopy, tloušťce dielektrika či lepidla. Zkušené týmy využívají tzv. statistickou simulaci v řízení impedance (Monte Carlo analýzy), která simuluje variace výrobních parametrů a odhaduje, zda bude výsledek spadat do přijatelných mezí.

Impedance v přechodových zónách mezi rigid a flex částmi

Jedním z často přehlížených problémů je diskontinuita impedance v oblasti přechodu mezi rigidní a flexibilní částí. Toto místo může mít změnu tloušťky dielektrika nebo rozdílné materiály, což vytvoří reflexní bod.

Řešení?

Používají se tzv. impedance tapering techniques – postupné přizpůsobení šířky vodiče nebo vrstvy, aby se minimalizovalo odražení signálu.

Materiálové úvahy

Volba dielektrického materiálu významně ovlivňuje návrh. Materiály s nižší dielektrickou konstantou (Dk) umožňují tenčí jádra při zachování impedance, což přispívá k nižší celkové tloušťce PCB. Nicméně, mechanická odolnost a ohebnost také hrají klíčovou roli, zejména v dynamických aplikacích.

Tepelný vliv na impedanci u flexibilních struktur

U flexibilních a rigid-flex PCB může dojít ke změnám impedance vlivem teplotních výkyvů, zejména v aplikacích s výraznými změnami prostředí (letectví, automobilový průmysl).

Materiály jako polyimid nebo pokročilé LCP (liquid crystal polymer) mají odlišné tepelně-indukované změny dielektrických vlastností, což může ovlivnit stabilitu impedance. Výběr stabilních dielektrik s nízkým teplotním koeficientem (Dk vs. teplota) pomáhá zaručit konzistentní výkon.

LCP vs. polyimid

Zatímco většina flex PCB používá polyimid, nový trend je přechod na LCP (liquid crystal polymer) pro vysokorychlostní aplikace.

Důvody:

• velmi nízká ztrátovost (low loss tangent)
• vynikající konzistence Dk (dielektrické konstanty)
• prakticky nulová absorpce vlhkosti

LCP je ideální pro 5G, radarové systémy nebo letecké aplikace, ale cena je vyšší než u běžných materiálů.

Konfigurace a stínění signálu

·        Povrchový mikropásek

Jednoduchá konfigurace vhodná pro běžné signály (např. 50Ω single-ended, 100Ω diferencované). Signálová vrstva leží nad referenční zemní rovinou. Tato struktura je vhodná pro aplikace, kde je řízení EMI méně kritické.

·        Pásková čára (stripline)

Signálová vrstva je umístěna mezi dvěma referenčními rovinami, což poskytuje lepší stínění vůči EMI/RF. Nevýhodou je zvýšení tloušťky desky o cca 60–67 %. V rigid-flex konstrukcích je takové řešení použitelné hlavně v pevných částech desky.

·        Stínění pomocí fólií a vrstev

Pokud je hlavním problémem elektromagnetický šum, ale nikoli řízení impedance, lze použít EMI stínicí fólie laminované na povrch. Pro konstrukce s řízenou impedancí jsou vhodnější měděné stínicí vrstvy, které však rovněž navyšují tloušťku o desítky procent. Použití stříbrných inkoustů je technologicky zastaralé a nedoporučuje se.

Přenos proudu a návrh vrstev

Vyšší proudové zatížení vyžaduje použití silnější mědi. Typicky se používá poměr 1 mil lepidla na každou unci mědi, aby se zajistila adheze a zabránilo se delaminaci nebo elektrickým zkratům. Tyto požadavky dále ovlivňují tloušťku vrstvy a návrh stack-upu.

Návrhové strategie a simulace

Úspěšné dosažení řízené impedance závisí na pečlivém plánování vrstev (stack-up), výběru materiálů a geometrie stop. Simulační nástroje pomáhají testovat různé konfigurace a předvídat chování desky před fyzickým prototypováním. Iterativní návrh a testování je nezbytné zejména u složitějších struktur, kde se kombinují požadavky na signál, proud a mechanickou odolnost.

Složitost návrhu vs. flexibilita

Zvyšování počtu vrstev (např. z dvouvrstvé na třívrstvou) výrazně zvyšuje celkovou tloušťku – až o 40 %. To může negativně ovlivnit flexibilitu, která je u flex a rigid-flex návrhů často klíčová. Inovativní techniky vrstvení a použití pokročilých materiálů mohou pomoci zmírnit tyto dopady.

Vliv vias na impedanci ve flexibilních částech

V rigid-flex PCB je velkou výzvou navrhování via struktur. Umožnit přesné řízení impedance ve vícevrstvých strukturách je složité, protože průchody často naruší rovnoměrnou referenční rovinu. Řešením bývá použití blind nebo buried vias nebo tzv. via-in-pad technologie, která eliminuje delší průchody a tím zkracuje výškové skoky v impedanci. To však zvyšuje náročnost výroby.

Závěr

Řízení impedance v konstrukcích typu flex a rigid-flex PCB vyžaduje pečlivé vyvažování mezi elektrickými, mechanickými a prostorovými požadavky. Výběr konfigurace, materiálu a tloušťky vrstev zásadně ovlivňuje výslednou funkčnost, výkon a spolehlivost celého návrhu.

Klíčové poznatky

• Silnější jádra jsou nezbytná pro zachování řízené impedance, zejména u vysokorychlostních signálů.
• Geometrie stopy a volba dielektrika zásadně ovlivňují řízení impedanci a celkovou tloušťku desky.
• Konfigurace vrstvy (mikropásek vs. stripline) má vliv nejen na impedanci, ale i na EMI stínění.
• Vyšší proudy = silnější měď = silnější lepidlo, aby se zabránilo selhání spojení.
• Flexibilita klesá s počtem vrstev, proto je nutné optimalizovat návrh stack-upu a volbu materiálů.
• Přesný výpočet řízené impedance (důležitý faktor pro správné dimenzování impedance a zachování integrity vysokorychlostních signálů)  = vychází z tzv. efektivní Dk = vážený průměr hodnot Dk podle tloušťky jednotlivých vrstev. Tento modelovaný efektivní Dk lépe odráží skutečné elektromagnetické prostředí mezi signálovou cestou a referenční.