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Experimentelle Bestimmung der
Ersatzschaltbilder von SMD-
Bauelementen
Freitag, 28. Mai
2010Universität Duisburg Essen Fachgebiet Hochfrequenztechnik
Vortrag über die Bachelor Arbeit
von Ouajdi Ochi
Fachgebiet Hochfrequenztechnik
Prof. Dr-Ing. K.Solbach
Freitag, 28. Mai
2010Universität Duisburg Essen Fachgebiet Hochfrequenztechnik
Motivation
SMT
Parasitäre Elemente
Messverfahren
Modellbildung
Ergebnisse
Zusammenfassung
Inhalt
Status: Mai 2010 | © Universität Duisburg-Essen| Experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltbilder von SMD-Bauelementen geschrieben von Ouajdi Ochi3
Universität Duisburg-Essen: Fachgebiet Hochfrequenztechnik
•Motivation
•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Motivation
•Frühere Technologie: Durchsteckmontage (THT)
•Probleme:
•Bauelemente mit langen Anschlüssen
•Kontaktlöcher bei der Befestigung
•Hoher Platzbedarf
•Hohe Herstellungskosten
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•Motivation
•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Motivation
•Wachendes Interesse an:
•Mehr Qualität und Effizienz
•Niedrige Produktionskosten
•Hohes Integrationsgrad
Versuche diese Technologie zu ersetzen
Entstehung der Oberflächenmontage (SMT)
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•Motivation
•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ziel der Arbeit
•Bestimmung der Parasitären Elementen
Verschiedener SMD-Widerstände und
Kapazitäten durch Vergleich zwischen
Messung und Simulation.
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•Motivation
•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
SMT
•Eigenschaften von SMD-Bauelementen
•Kleine Abmessungen
•Keine bedrahtete Anschlüsse
•Direkte Befestigung auf die Oberfläche der
Leiterplatte
•Vorteile
•Hohes Integrationsgrad
möglich
•Günstige HF-Eigenschaften
•Verringerung der Kosten
•Bessere Qualität
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•Motivation
•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Parasitäre Elemente
Probleme bei hohen Frequenzen:
Parasitäre Elemente
SMD-Widerstände:
Skin-EffektZunahme des Widerstandswertes
mit steigender Frequenz
Stromfluss im Leiter Magnetfeld Induktive
Wirkung
Spannungsabfall zwischen zwei beliebige
Punkten auf der Oberfläche Elektrisches Feld
Kapazitive Wirkung
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•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Parasitäre Elemente
•Mögliches Ersatzschaltbild
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•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Parasitäre Elemente
SMD-Kondensatoren
Ohmsche Verluste ( Dielektrische Verluste ,
Ohmsche Anteile der Bahnwiderstände,
Endliche Leitfähigkeit des Isolierstoffs…)
Stromfluss im Leiter Magnetfeld Induktive
Wirkung
•Mögliches Ersatzschaltbild
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•SMT
•Parasitäre Elemente
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Messverfahren
1. Herstellung der Mikrostreifenleitung
Leitungsimpedanz: 50 Ω
Leiterbahnenbreite:1,78 mm
Fläche: 2 *3 cm2
Substrat: RO4003
SMA
Gap
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•Ergebnisse
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Messverfahren
2. Das Löten
3. Das Messaufbau
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•SMT
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Messverfahren
Einstellungen des VNA:
Frequenzbereich: 50 MHz …5 GHz
Messpunkte: 201
Untersuchte Bauelemente:
10 SMD-Widerstände
10 SMD-Kondensatoren
Untersuchte Baugrößen
0402
0603
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Modellbildung
Übergangselemente:
Feldverzerrungen aufgrund des
Querschnittssprungs von Koaxial-
auf Mikrostreifenleitung
Koaxial Microstrip
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Modellbildung
Resultierende S-Parameter der Messung und
Simulation
Ergebnisse:
L1+LQ=0,01 pH
CQ= 0,065 pF
Messung Simulation
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Modellbildung
Das Simulationsmodell zur Bestimmung der
parasitären Elementen
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•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
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•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Modellbildung
Das Simulationsmodell zur Bestimmung der
parasitären Elementen
Bauelement
Einbaukapazitäten
Übergang
Messung
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•SMT
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Ergebnisse
S-Parameter: 100Ω-Widerstand 0603
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•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
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•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
Eigeninduktivität:
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Ergebnisse
Eigenkapazität:
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•SMT
•Parasitäre Elemente
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•Zusammenfassung
Ergebnisse
Verlauf der normierten Impedanz:
0402 0603
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•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
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•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
Vergleich nach Abmessungen:
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•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
Vergleich nach Montage-Art:
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•SMT
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•Zusammenfassung
Ergebnisse
S-Parameter eines 10pF-Kondensator 0603Messung Simulation
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•SMT
•Parasitäre Elemente
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•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
Einfluss der Einbau- und Gap-Kapazitäten:
Ohne Einfluss Mit Einfluss
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•SMT
•Parasitäre Elemente
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•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
ESR: Ersatzserienwiderstand
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•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
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•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
ESL: Ersatzserieninduktivität:
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•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
Impedanzverlauf der Kondensatoren
04020603
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•SMT
•Parasitäre Elemente
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•Zusammenfassung
Ergebnisse
Impedanzverlauf der Kondensatoren
04020603
Resonanz
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•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
Vergleich der Resonanzfrequenzen:
Status: Mai 2010 | © Universität Duisburg-Essen| Experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltbilder von SMD-Bauelementen geschrieben von Ouajdi Ochi30
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•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Ergebnisse
Ergebnisse der Einbaukapazitäten:
Für Widerstände:
CSUB,W=0,1 ± 0,02 pF
Für Kondensatoren:
CSUB,K=0,2 ± 0,05 pF
Herstellertoleranz:
33pF und 4,7 pF: Toleranzen von ±10% bzw. ± 20%
Andere Bauelemente: ± 5%
Status: Mai 2010 | © Universität Duisburg-Essen| Experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltbilder von SMD-Bauelementen geschrieben von Ouajdi Ochi31
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•Motivation
•SMT
•Parasitäre Elemente
•Messverfahren
•Modellbildung
•Ergebnisse
•Zusammenfassung
Zusammenfassung
Bauelemente der Größe 0402 haben niedrige parasitäre
Elemente als 0603 und damit bessere HF-Eigenschaften.
Widerstände
Bei allen Widerstände ist die Serieninduktivität zwischen
0,04 und 1,3 nH, die Eigenkapazität zwischen 2 und 576
fF. Den größten Nutzfrequenzbereich haben Widerstände
zwischen 100 und 220 Ω.
Kopfüber-Montage ist eine gute Möglichkeit Widerstände
mit geringen parasitären Elementen zu erzielen.
Kondensatoren
Die Nutzfrequenzbereich der Kondensatoren vergrößert
sich mit steigenden Kapazitätswerten.
ESR zwischen 0,12 und 0,91 Ω, ESL zwischen 1,29 und
1,76 nH.
Status: Mai 2010 | © Universität Duisburg-Essen| Experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltbilder von SMD-Bauelementen geschrieben von Ouajdi Ochi32
Universität Duisburg-Essen: Fachgebiet Hochfrequenztechnik