Einführung häufig verwendeter verlustarmer PCB Materialien

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Verlustarme PCB-Materialien sind Laminatsysteme, die entwickelt wurden, um Signaldämpfung und -verzerrung in Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen durch Reduzierung von dielektrischen Verlusten und Leiterverlusten zu minimieren. Am wichtigsten sind sie bei HF-, Mikrowellen- und Hochgeschwindigkeits-Digitaldesigns, bei denen die Signalintegrität direkt die Systemleistung bestimmt. Die Auswahl des falschen Materials führt zu Impedanzfehlanpassungen, übermäßiger Einfügungsdämpfung oder Timing-Fehlern, die die Designmargen verfehlen.

Was ein verlustarmes PCB Material ausmacht

Ein Material erhält die Auszeichnung „verlustarm“ basierend auf zwei primären elektrischen Eigenschaften: Dielektrizitätskonstante (Dk) und Verlustfaktor (Df). Dk steuert die Signalausbreitungsgeschwindigkeit und -impedanz, während Df quantifiziert, wie viel elektromagnetische Energie in Wärme umgewandelt wird, wenn ein Signal das Dielektrikum passiert. Niedrigere Df-Werte bedeuten eine geringere Signaldämpfung.

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass diese Werte frequenzabhängig sind. Ein Material mit einem Df von 0,002 bei 1 MHz kann bei 10 GHz eine deutlich schlechtere Leistung erbringen. Standard FR-4 hat einen Df von etwa 0,020 bei 1 GHz, was für viele digitale Niederfrequenzkarten akzeptabel ist, für HF- oder serielle Hochgeschwindigkeitsverbindungen jedoch nicht akzeptabel ist. Materialien mit geringem Verlust weisen bei der Betriebsfrequenz typischerweise einen Df unter 0,005 auf, während Optionen mit extrem geringem Verlust unter 0,002 liegen.

Die Rauheit der Kupferfolie trägt ebenfalls zum Leiterverlust bei. Bei hohen Frequenzen konzentriert sich der Strom aufgrund des Skin-Effekts auf der Kupferoberfläche. Eine rauere Folie erhöht den Widerstand und die Einfügedämpfung. Bei verlustarmen Aufbauten werden häufig Kupferfolien mit niedrigem Profil oder rückwärtsbehandelte Kupferfolien verwendet, um diesen Effekt zu minimieren, auch wenn diese Folien möglicherweise eine schwächere Haftung am Dielektrikum aufweisen.

Gemeinsame verlustarme Materialfamilien

Laminate auf PTFE-Basis

PTFE-Laminate (Polytetrafluorethylen) bieten die niedrigsten Df-Werte unter den üblichen PCB-Materialien, oft unter 0,0015 bei 10 GHz. Sie sind die bevorzugte Wahl für Millimeterwellenanwendungen, Satellitenkommunikation und High-End-HF-Testgeräte. Rogers RT/duroid 5880 und 6002 sind bekannte Beispiele.

PTFE-Materialien stellen Herstellungsherausforderungen dar. Sie sind weich und können sich unter mechanischem Bohrdruck verformen. Sie absorbieren Feuchtigkeit, was den Dk-Wert verändert und die Leistung beeinträchtigt. Vor der Lochplattierung erfordert PTFE eine Plasmabehandlung, um die Oberfläche für eine zuverlässige Kupferhaftung zu ätzen. Nicht jeder PCB-Hersteller unterstützt die PTFE-Verarbeitung, daher ist es wichtig, die Fähigkeit vor Abschluss des Entwurfs zu bestätigen.

Kohlenwasserstoff-Keramiklaminate

Kohlenwasserstoff-Keramikmaterialien wie die RO4000-Serie von Rogers kombinieren keramische Füllstoffe mit Kohlenwasserstoffharz. Sie bieten Df-Werte um 0,0027 bei 10 GHz und bieten gleichzeitig eine bessere mechanische Stabilität und geringere Kosten als PTFE. Diese Materialien sind mit standardmäßigen FR-4-Fertigungsprozessen kompatibel und stellen somit einen praktischen Upgrade-Pfad dar.

Der Nachteil ist die Sprödigkeit. Kohlenwasserstoff-Keramiklaminate können beim mechanischen Bohren reißen oder abplatzen, wenn Vorschübe und Spindeldrehzahlen nicht angepasst werden. Sie haben außerdem einen höheren thermischen Koeffizienten Dk als PTFE, was bedeutet, dass sich die elektrische Leistung stärker mit der Temperatur ändert. Bei Anwendungen mit großen Temperaturschwankungen muss dies im Auslegungsspielraum berücksichtigt werden.

Gefüllte PPO- und modifizierte Epoxidsysteme

Gefüllte Polyphenylenoxid- (PPO) und modifizierte Epoxidsysteme schließen die Lücke zwischen FR-4 und Hochleistungslaminaten. Materialien wie Isola IS415 und Nelco N4000-13 bieten Df-Werte zwischen 0,004 und 0,008 bei 1 GHz. Sie werden häufig in digitalen Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie 10-Gbit/s-Ethernet-Backplanes und Server-Motherboards eingesetzt.

Diese Materialien sind im Allgemeinen besser herstellbar als PTFE oder Kohlenwasserstoffkeramik. Sie bohren sauber, widerstehen Feuchtigkeit und sind mit Standard-Laminierzyklen kompatibel. Der Kostenaufschlag gegenüber FR-4 ist moderat, was sie für Produktionsmengen attraktiv macht, bei denen es auf die Signalintegrität ankommt, aber keine extreme HF-Leistung erforderlich ist.

Flexible und starr-flexible verlustarme Materialien

Anforderungen an die Verlustarmut erstrecken sich auch auf flexible Schaltkreise und Starr-Flex-Baugruppen. Flüssigkristallpolymer- (LCP) und modifizierte Polyimidfolien bieten einen niedrigen Df für flexible Anwendungen. LCP hat einen Df von etwa 0,002 bei 10 GHz und eine ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit, wodurch es für Antennen- und Hochfrequenz-Verbindungsanwendungen geeignet ist.

Flexible Materialien führen zu unterschiedlichen Fertigungsbeschränkungen. Sie erfordern kontrollierte Ätzprozesse, um eine gleichmäßige Dicke aufrechtzuerhalten, und der Aufbau der flexiblen Schichten muss den Biegeradius und die dynamische Biegelebensdauer berücksichtigen. Eine detaillierte Anleitung zur Verarbeitung dieser Materialien finden Sie im Flex PCB Herstellungsprozess: Ein Überblick für Anfänger. Einzelheiten zur Materialauswahl und Laminierung für flexible Schaltkreise werden in Flex PCB Herstellungsprozess: Materialauswahl, Ätzen und Laminieren behandelt.

Materialauswahlkriterien und Kompromisse

Bei der Auswahl eines verlustarmen Materials müssen elektrische Leistung, Herstellbarkeit, Kosten und Zuverlässigkeit in Einklang gebracht werden. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Kompromisse zwischen gängigen Materialfamilien zusammen.

Die Dk-Toleranz ist ein weiterer kritischer Faktor. Verlustarme Materialien haben oft engere Dk-Toleranzen als FR-4, was die Impedanzkontrolle verbessert. Der Dk-Wert ändert sich jedoch mit dem Harzgehalt, der Glaswebart und der Häufigkeit. Ein Material mit einem Dk von 3,5 bei 1 GHz kann bei 10 GHz einen Wert von 3,4 haben. Verwenden Sie für Impedanzberechnungen immer den Dk-Wert bei der Betriebsfrequenz.

Der Glaswebstil beeinflusst die Dk-Konsistenz auf der gesamten Plattenoberfläche. Standard-E-Glas-Gewebe erzeugen harzreiche und glasreiche Bereiche, die lokale Dk-Variationen verursachen. Streuglas- oder Flachglasgewebe reduzieren diesen Effekt und verbessern die Impedanzgleichmäßigkeit. Geben Sie für Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaare ein Spread-Glass-Gewebe an, um Versatz und Impedanzschwankungen zu minimieren.

Herstellungsbeschränkungen und DFM Überlegungen

Verlustarme Materialien verändern den Herstellungsprozess auf eine Weise, die sich auf Designregeln und Ausbeute auswirkt. Die erste Überlegung ist die Materialverfügbarkeit. Viele verlustarme Laminate sind nur in bestimmten Stärken und Kupfergewichten auf Lager. Ein Aufbau, der eine nicht standardmäßige Dielektrikumsdicke erfordert, kann eine kundenspezifische Laminierung erfordern, was die Kosten und die Vorlaufzeit erhöht.

Bohren ist eine häufige Fehlerquelle. PTFE- und Kohlenwasserstoff-Keramikmaterialien erfordern andere Bohrparameter als FR-4. PTFE kann beim Bohren verschmieren, so dass vor dem Plattieren eine Plasmaentfernung erforderlich ist. Kohlenwasserstoffkeramik ist abrasiv und verschleißt Bohrer schneller, was die Werkzeugkosten erhöht. Bei Platten mit hoher Lagenzahl müssen die Gesamtbohrzeit und der Werkzeugverschleiß im Angebot berücksichtigt werden.

Die Laminierungskompatibilität ist wichtig, wenn Materialtypen in einem Stapel gemischt werden. Einige verlustarme Prepregs erfordern höhere Laminierungstemperaturen oder längere Aushärtungszyklen als Standard FR-4. Wenn der Stapel FR-4 und verlustarme Materialien mischt, muss das Laminierungsprofil beides erfüllen. Dies kann die verfügbaren Prepreg-Kombinationen einschränken und sich auf die endgültigen Dickentoleranzen auswirken.

Auch der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) des Materials beeinflusst die Zuverlässigkeit. PTFE hat einen hohen CTE in der Z-Achse, wodurch plattierte Durchgangslöcher bei thermischen Wechselbelastungen beansprucht werden können. Kohlenwasserstoffkeramik hat einen niedrigeren WAK, ist aber spröder. Bei Platinen mit vielen Durchgangslöchern oder großen BGAs besprechen Sie die CTE-Anpassung mit Ihrem Hersteller. IPC-4101 bietet den Spezifikationsrahmen für Laminatmaterialanforderungen und IPC-6012 deckt den Qualifikations- und Leistungsumfang für starre PCBs ab.

Praxisbeispiel: Hochgeschwindigkeits-Digital-Backplane-Stackup

Stellen Sie sich eine 16-schichtige Rückwandplatine vor, die für 25 Gbit/s NRZ-Signalisierung ausgelegt ist. Die Zielimpedanz beträgt 85 Ohm Differenz mit einer Toleranz von ±5 Prozent. Der Designer wählt ein gefülltes PPO-Material mit einem Dk von 3,3 und einem Df von 0,005 bei 10 GHz.

Der Aufbau verwendet 0,5 oz (18 µm) flaches Kupfer auf den Signalschichten, um Leiterverluste zu reduzieren. Die dielektrische Dicke zwischen dem Differentialpaar und der Referenzebene wird auf 4,2 mil eingestellt, um die Zielimpedanz zu erreichen. Der Designer spezifiziert eine Glasspreizung, um Dk-Schwankungen zu minimieren.

Vor dem Einreichen des RFQ überprüft der Designer, ob das ausgewählte Laminat in einer Dicke von 4,2 mil und 0,5 oz Kupfer verfügbar ist. Der Hersteller bestätigt, dass das Material auf seiner zugelassenen Liste steht und dass sein Laminierungszyklus das angegebene Prepreg unterstützt. Der Designer fügt am Rand des Panels einen Teststreifen mit kontrollierter Impedanz ein, um Dk und Df nach der Herstellung zu überprüfen.

Der Hersteller produziert die Platine und führt Impedanztests gemäß Coupon durch. Die gemessene Impedanz beträgt 86,2 Ohm, innerhalb der Toleranz von ±5 Prozent. Der Einfügungsverlust auf einer 12-Zoll-Leiterbahn beträgt 2,1 dB bei 12,5 GHz und entspricht der Simulation innerhalb von 0,2 dB. Dieser Überprüfungsschritt erfasst alle Material- oder Prozessabweichungen, bevor die Platine montiert wird.

Häufige Fehler bei der Auswahl verlustarmer Materialien

Datenblattwerte mit der falschen Häufigkeit verwenden

Der häufigste Fehler besteht darin, ein Material anhand der bei 1 MHz oder 1 GHz gemessenen Dk- und Df-Werte auszuwählen, wenn die Anwendung mit 10 GHz oder höher läuft. Überprüfen Sie immer das Datenblatt auf Werte bei der Betriebsfrequenz. Wenn das Datenblatt in dieser Häufigkeit keine Daten liefert, fordern Sie diese beim Materiallieferanten an.

Rauheit der Kupferoberfläche wird ignoriert

Konstrukteure berechnen den Einfügungsverlust oft nur anhand des dielektrischen Df und ignorieren den Beitrag der Kupferrauheit. Bei 10 GHz und mehr kann der Leiterverlust durch Rohkupfer den dielektrischen Verlust übersteigen. Geben Sie für Hochfrequenzschichten flache oder glatte Kupferfolie an und berücksichtigen Sie den Rauheitsfaktor in Ihrem Verlustbudget.

Herstellerfähigkeit wird übersehen

Ein Material hat möglicherweise hervorragende elektrische Eigenschaften, lässt sich aber beim Hersteller Ihrer Wahl nicht herstellen. PTFE erfordert eine Plasmabehandlung. Kohlenwasserstoffkeramik erfordert spezielle Bohrparameter. Einige Materialien sind nicht in der erforderlichen Dicke oder dem erforderlichen Kupfergewicht verfügbar. Überprüfen Sie die vom Hersteller genehmigte Materialliste, bevor Sie den Aufbau abschließen.

Material konnte im RFQ nicht angegeben werden

Der RFQ muss den genauen Laminat-Handelsnamen, die Sorte, die Dicke und das Kupfergewicht für jede Schicht enthalten. Vage Beschreibungen wie „verlustarmes Material“ lassen Raum für Substitution. Berücksichtigen Sie die Dk- und Df-Ziele bei der Betriebsfrequenz und beachten Sie, ob eine Impedanzkontrolle erforderlich ist. Eine umfassendere Übersicht über die Materialoptionen finden Sie unter Häufig verwendete starre PCBs- und starre PCB-Materialien.

Die Leistung wird nach der Herstellung nicht überprüft

Datenblattwerte sind Nominalwerte. Die tatsächlichen Dk- und Df-Werte variieren je nach Verarbeitungsbedingungen, Harzgehalt und Feuchtigkeitsaufnahme. Fordern Sie beim Hersteller Impedanztestberichte an und ziehen Sie bei kritischen Designs einen Testcoupon in Betracht, der die Einfügungsdämpfung direkt misst. Dieser Überprüfungsschritt ist die einzige Möglichkeit, zu bestätigen, dass das Material die in Ihrem tatsächlichen Stapel angegebene Leistung erbringt.

Was Sie in Ihren RFQ aufnehmen sollten

Ein vollständiger RFQ für verlustarme PCBs sollte die folgenden Informationen enthalten:

• Genaue Laminat- und Prepreg-Handelsnamen und -Qualitäten für jede Schicht
• Dielektrikumsdicke und Toleranz für jede Schicht
• Kupfergewicht und Folientyp (Standard, Low-Profile oder umgekehrt behandelt)
• Dk- und Df-Anforderungen bei der Betriebsfrequenz
• Impedanzanforderungen mit Zielwerten und Toleranzen
• Stapeldiagramm im PDF- oder Bildformat
• Besondere Prozessanforderungen (Plasmabehandlung, kontrollierte Bohrparameter)
• Testanforderungen (Impedanzcoupon, Einfügedämpfungsmessung)

Durch die Bereitstellung dieser Informationen im Voraus werden kostspielige Iterationen vermieden. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welches Material für Ihre Anwendung geeignet ist, finden Sie im Leitfaden How Do You Select RF PCB Material and the Most Commonly Used Types? einen strukturierten Auswahlansatz.

> Manufacturing note: When specifying low-loss materials, always confirm that the material is in stock or has an acceptable lead time. Some PTFE and hydrocarbon ceramic laminates are made to order and can add weeks to the procurement schedule. A standard FR-4 alternative may be acceptable if the performance margin allows it.

Überlegungen zum Zusammenbau von verlustarmen Platinen

Verlustarme Materialien wirken sich auch auf den Montageprozess aus. PTFE hat eine niedrige Oberflächenenergie, was die Haftung des Lötstopplacks erschwert. Vor dem Auftragen der Lötmaske muss die Platine möglicherweise einer Plasmabehandlung oder einer speziellen Oberflächenvorbereitung unterzogen werden. Dies führt zu zusätzlichen Prozessschritten und Kosten.

Die Nichtübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen verlustarmen Dielektrika und Kupfer kann beim Reflow zu einer Belastung der Lötstellen führen. Bei großen BGAs oder Komponenten mit hoher Anschlusszahl kann sich die Platine stärker verformen als eine entsprechende FR-4-Platine. Dies kann zu Lötstellenöffnungen oder Kurzschlüssen während des Reflow-Lötens führen. Besprechen Sie das Reflow-Profil mit Ihrem Montagepartner und erwägen Sie die Verwendung einer Stützvorrichtung beim Löten.

Die Feuchtigkeitsaufnahme ist ein weiteres Problem. PTFE absorbiert Feuchtigkeit, was den Dk-Wert erhöht und die Leistung beeinträchtigt. Die Platten müssen vor dem Zusammenbau eingebrannt und in einer trockenen Umgebung gelagert werden. Die Montageanlage muss die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) für das Material einhalten. Für hochzuverlässige Anwendungen sollten Sie die Angabe einer Feuchtigkeitssperrbeschichtung auf freiliegenden dielektrischen Oberflächen in Betracht ziehen.

Der SMT Montageprozess selbst ist für verlustarme Platinen weitgehend derselbe, das thermische Profil muss jedoch möglicherweise angepasst werden. Materialien mit höherem CTE erfordern langsamere Anstiegsraten, um die thermische Belastung zu reduzieren. Der Artikel Erklärung: Was sind die Schritte im SMT-Montageprozess? bietet einen Überblick über den Standard-Montageablauf, der für verlustarme Platinen mit diesen Anpassungen gilt.

Wie Omini eine verlustarme PCB Fertigung unterstützt

Das Ingenieurteam von Omini prüft jedes verlustarme Design vor der Fertigung auf Herstellbarkeit. Wir überprüfen, ob die angegebenen Materialien verfügbar sind, dass der Aufbau mit unserem Laminierungsprozess kompatibel ist und dass die Impedanzanforderungen mit der gewählten Dielektrikumsdicke und dem Kupfergewicht erreichbar sind. Wir geben Feedback zum Materialaustausch, wenn ein bestimmtes Laminat nicht verfügbar ist oder wenn eine kostengünstigere Alternative die elektrischen Anforderungen erfüllt.

Für Designs, die eine kontrollierte Impedanz erfordern, erstellen wir Testcoupons und liefern mit jeder Lieferung Impedanztestberichte. Wir unterstützen auch die Prüfung der Einfügungsdämpfung für Hochfrequenzdesigns, bei denen der dielektrische Verlust überprüft werden muss. Unser Engineering-Team arbeitet mit Ihnen zusammen, um Materialauswahlprobleme zu lösen, bevor das Design in die Produktion geht, und reduziert so das Risiko kostspieliger Nacharbeiten.

FAQ

Warum ist die Wahl des verlustarmen PCB-Materials für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsdesigns wichtig?

Verlustarme PCB-Materialien sind Laminatsysteme, die zur Aufrechterhaltung der Signalintegrität durch Minimierung von dielektrischen Verlusten und Leiterverlusten bei hohen Frequenzen entwickelt wurden. Am wichtigsten sind sie bei HF-, Mikrowellen-, Hochgeschwindigkeits-Digital- und anderen Anwendungen, bei denen Signaldämpfung oder -verzerrung die Systemleistung beeinträchtigen. Die Wahl des falschen Materials kann zu Impedanzfehlanpassungen, übermäßiger Einfügungsdämpfung oder Zeitfehlern führen, die die Designmargen nicht einhalten.

Wo machen Ingenieure normalerweise Fehler bei der Auswahl verlustarmer PCB Materialien?

Ein häufiger Fehler besteht darin, ein Material nur anhand der Dk- und Df-Werte im Datenblatt auszuwählen, ohne zu berücksichtigen, wie sich diese Werte mit der Frequenz, der Temperatur und der Rauheit der Kupferoberfläche ändern. Ein weiterer Fehler besteht darin, die praktischen Einschränkungen des PCB-Herstellers zu ignorieren, wie z. B. verfügbare Dicken, Kupfergewichte und Laminierungskompatibilität. Ingenieure übersehen auch häufig die Notwendigkeit, die tatsächliche Leistung des Materials nach der Herstellung mithilfe von Teststreifen mit kontrollierter Impedanz zu überprüfen.

Wie überprüfen Sie die verlustarme PCB Materialleistung vor einem Build?

Vergewissern Sie sich vor der Herstellung, dass das von Ihnen gewählte Material in der vom Hersteller zugelassenen Materialliste PCB aufgeführt ist und dass die angegebenen Dk/Df-Werte mit dem gewünschten Impedanzaufbau übereinstimmen. Überprüfen Sie das Laminat-Datenblatt auf Werte bei der Betriebsfrequenz, nicht nur bei 1 MHz oder 1 GHz. Stellen Sie in Ihren Fertigungsnotizen einen vollständigen Aufbau mit Schichtdicken, Kupfergewichten und Materialbezeichnungen bereit und fordern Sie Impedanztestberichte an, wenn Sie kontrollierte Impedanzleiterbahnen verwenden.

Welche verlustarmen Materialinformationen gehören in einen RFQ für die PCB-Herstellung?

Geben Sie beim Einreichen eines RFQ den genauen Handelsnamen und die Qualität des Laminats oder Prepregs, die erforderliche Dicke und das Kupfergewicht für jede Schicht sowie alle besonderen Anforderungen an, z. B. halogenfreie oder flache Kupferfolie. Berücksichtigen Sie die Anforderungen an die Dielektrizitätskonstante (Dk) und den Verlustfaktor (Df) bei der Betriebsfrequenz und notieren Sie, ob Sie eine Impedanzkontrolle benötigen. Wenn Sie einen bestimmten Stapel haben, laden Sie ihn zusätzlich zu Ihren Gerber- und Bohrdateien als PDF oder Bild hoch.

Was sind die praktischen Herstellungsunterschiede zwischen PTFE, Kohlenwasserstoffkeramik und anderen verlustarmen Laminaten?

PTFE-basierte Laminate haben einen sehr niedrigen Df für Ultrahochfrequenzanwendungen, sind jedoch weich, absorbieren Feuchtigkeit und erfordern vor der Lochplattierung eine spezielle Plasmabehandlung. Kohlenwasserstoffkeramik- und gefüllte PPO-Materialien bieten ein Gleichgewicht zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Stabilität, sind jedoch spröder und können durch mechanisches Bohren beschädigt werden, wenn die Parameter nicht angepasst werden. Die Auswirkungen auf die Fertigung sind real: Nicht jeder Standardfertigungsprozess funktioniert ohne Änderungen, daher ist eine frühzeitige Kommunikation mit Ihrem Hersteller unerlässlich.

Gibt es einen bestimmten Dk- oder Df-Schwellenwert, der ein Material als verlustarm definiert?

Schwellenwerte hängen von Ihrer Anwendung ab, aber ein allgemeiner Leitfaden ist die Verwendung von Materialien mit einem Verlustfaktor (Df) unter 0,005 für HF- oder Hochgeschwindigkeitsdesigns, die über 1 GHz oder mit schnellen Flankenraten arbeiten. Bei sehr anspruchsvollen Systemen kann ein Df unter 0,002 erforderlich sein. Vergleichen Sie Df und Dk immer bei Ihrer tatsächlichen Betriebsfrequenz, nicht nur bei niedriger Frequenz, und berücksichtigen Sie die Rauheit der Kupferfolie, die ebenfalls zum Leiterverlust beiträgt.

> Engineering handoff note: Introduction to Taconic PCB Materials: Features and Benefits before the release package is frozen.

> Engineering handoff note: Introduction to Rigid Flex PCB: Advantages and Applications before the release package is frozen.

> Engineering handoff note: Isola PCB Material: A Basic Introduction for Design and Manufacturing Decisions before the release package is frozen.