Design und Fertigung von Leiterplatten Impedanzkontrollierte Leiterplatten begreifen und designen

Redakteur: Kristin Rinortner

Leiterplattenentwickler müssen bei der Auswahl von Lagenaufbau, Basismaterialien und Leitergeometrien für High-Speed-Designs profundes Wissen zu Impedanz und Leiterplattenfertigung haben. Denn hier muss man die Besonderheiten hochfrequenter Signale berücksichtigen.

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Leiterplatten-Design: Mit profundem Wissen um reproduzierbare Fertigungsprozesse und Impedanzberechnungen berät KSG Entwickler und Leiterplattendesigner bei der Auswahl von Lagenaufbau, Basismaterialien und Leitergeometrien für High-Speed-Designs.
Leiterplatten-Design: Mit profundem Wissen um reproduzierbare Fertigungsprozesse und Impedanzberechnungen berät KSG Entwickler und Leiterplattendesigner bei der Auswahl von Lagenaufbau, Basismaterialien und Leitergeometrien für High-Speed-Designs.
(Bild: KSG / Alexander Pfeffel)

Impedanzkontrollierte Leiterplatten begreifen heißt, die Übertragung von hochfrequenten Signalen betrachten: Wellenwiderstand (Impedanz), Wellenleitung und Reflexion. Eine korrekt angepasste Impedanz sorgt für die verlust- und reflexionsarme Übertragung insbesondere der hohen Frequenzanteile auf der Leitung. Fehlanpassungen der Impedanzen führen dagegen zu Reflexionen und unerwünschten Effekten am Leitungsende.

Impedanzkontrollierte Leiter lassen sich mit verschiedenen Techniken realisieren. Unterschieden wird zwischen Impedanzklasse, z.B. Single Ended, Differenziell, Coplanar, Differenziell-Coplanar und Impedanztyp auf den Außenlagen (Microstrip) oder Innenlagen (Stripline). Typ und Eigenschaften der impedanzkontrollierten Leiter werden durch den Abstand der dazugehörenden Potenziallagen definiert.

Neben dem Leitungstyp ist der Impedanzwert abhängig von der Geometrie der Leiterbahn (Breite/Höhe), der Dicke und Dielektrizitätskonstante des verwendeten Basismaterials. Sogar die Dicke des Lötstopplacks hat einen Einfluss auf die Impedanz.

Ob als Basismaterial FR4 ausreicht oder ein HF-Material verwendet werden muss, hängt u.a. vom Frequenzbereich ab, in dem die Schaltung betrieben wird. Wertvolle Entscheidungshilfen gibt der Leiterplattenhersteller. Gerade bei impedanzkritischen Leiterbahnen vermeidet die sorgfältige, frühzeitige Abstimmung mit dem Leiterplattenexperten unnötige und kostspielige Fehler.

Co-Engineering-Partner bei der Impedanzberechnung

Während der CAD-Konzeptions- oder Entwurfsphase ermitteln und überprüfen die CAM-Spezialisten in der Leiterplattenfertigung Impedanzen und Lagenaufbauten mit einer Impedanzberechnung. Die Experten bei KSG beispielsweise erstellen einen Lagenaufbau mit Berechnung der Impedanzstrukturen auch in Verbindung mit komplexen Umverdrahtungsstrategien.

Wenn der Mulitlayeraufbau vor der Schaltplankonstruktion vorliegt, kann die Funktionssimulation auf bekannten Parametern aufsetzen. Außerdem können so wesentliche Constraints für die Erstellung des CAD-Layouts festgelegt werden.

Um ungewollte differenzielle oder coplanare Einflüsse zu vermeiden, sollten die Mindestabstände zu Nachbarleitungen und Potenzialflächen auf der gleichen Ebene unbedingt eingehalten werden. Zudem ist es sinnvoll, impedanzkritische Signale soweit möglich in den Innenlagen zu führen.

Leiterplatten: Signalintegrität von High-Speed-Signalen simulieren

Bild 1: Bei Taktfrequenzen ≥1 GHz, Signalanstiegszeiten ≤ 0,3 ns oder Datenraten ≥ 1 GBit/s sind Impedanzbetrachtungen erforderlich. Dargestellt sind sind vier Möglichkeiten eines impedanzkontrollierten Aufbaus und die zur theoretischen Berechnung erforderlichen Parameter.
Bild 1: Bei Taktfrequenzen ≥1 GHz, Signalanstiegszeiten ≤ 0,3 ns oder Datenraten ≥ 1 GBit/s sind Impedanzbetrachtungen erforderlich. Dargestellt sind sind vier Möglichkeiten eines impedanzkontrollierten Aufbaus und die zur theoretischen Berechnung erforderlichen Parameter.
(Bild: KSG)

Mit einer Impedanzberechnungssoftware simulieren die Leiterplattenspezialisten die Signalintegrität von High-Speed-Signalen und passen den Lagenaufbau und die Leiterbahngeometrie an das geforderte Impedanzverhalten an. Bild 1 zeigt vier verschiedene Möglichkeiten für einen impedanzkontrollierten Aufbau. Beim symmetrischem Aufbau (eine einzelne Leiterbahn, single ended) sind Wellenwiderstandswerte von etwa 40 bis 70 Ω üblich.

Bei differenziellen Strukturen (zwei parallel geführte Leiterbahnen) werden meist Impedanzwerte von etwa 80 bis 120 Ω gefordert. Für Leiterplattendesigner wichtig zu wissen: Die Impedanz schwankt produktionsbedingt um ±10 Prozent.

Feinabstimmung der Impedanz

Nach der idealerweise gemeinsamen Auswahl des grundlegenden Lagenaufbaus erfolgt die Feinabstimmung der Impedanz typischerweise über die Variation der Leiterbahnbreite zwischen Leiterplattendesigner und Leiterplattenfertiger. Mittels Software lassen sich Veränderungen der Leiterbahnparameter simulieren.

Damit ist es möglich – unter Berücksichtigung realer Leitergeometrien sowie material- und prozessbedingter Produktionstoleranzen – eine exakte Impedanzcharakteristik vorherzusagen.

Leiterplatten: Simulierte Impedanzcharakteristik überprüfen

Zur Überprüfung nimmt der Leiterplattenhersteller eine Impedanzmessung und -protokollierung an separaten Impedanzmessleitungen vor. Dazu werden auf Basis der Produktionsparameter speziell konstruierte Testcoupons auf dem Fertigungsnutzen angelegt. Durch Vermessen der Leiter mit entsprechendem Mess-Equipment lassen sich Qualitätsaussagen für die Leiterplatten auf dem gleichen Fertigungsnutzen treffen.

Die Zusammenhänge von Design und Fertigung impedanzkontrollierter Leiterplatten erklärt KSG in einem Webinar am 11. November 2021. Hier geht es zur Anmeldung.

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