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Impedanzkontrollierte Leiterplatten Was beim Finetuning von Impedanz-Leiterplatten möglich und was nötig ist

| Autor / Redakteur: Christoph Lehnberger* / Claudia Mallok

Über die Impedanzanpassung lassen sich Laufzeitverzögerungen kontrollieren sowie Signaldämpfungen und -reflexionen reduzieren. Sehr genaue Impedanzanpassungen sind in vielen Fällen über kurze Strecken weder möglich noch nötig. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es wichtig, die notwendigen Toleranzen der Impedanzleiter zu definieren.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Wer schon einmal den Fernseher mit einem 50-Ohm-Antennenkabel mit der 75-Ohm-Antennenbuchse verbunden hat, weiß was eine fehlerhafte Impedanzanpassung bewirkt: Geisterbilder! An den Impedanzsprüngen wird das Signal nicht ungestört weitergeleitet, sondern zum Teil reflektiert. Das zurückgeworfene Signal spiegelt sich an der ersten Sprungstelle und erreicht so den Empfänger mit zeitlicher Verzögerung. Die Folge sind die bekannten Geisterbilder. Am Versatz der Geisterbilder kann man die Länge des Kabels ablesen.

Geisterbild durch fehlerhafte Impedanzanpassung: Links ist mit die 75-Ohm Antennenbuchse vom Fernseher mit einem 50-Ohm-Antennenkabel und rechts mit einem 75-Ohm-Antennenkabel verbunden (Archiv: Vogel Business Media)

Ähnlich ergeben sich gedämpfte oder verzögerte Signale überall dort, wo mit steilen Flanken bzw. mit höheren Frequenzen gearbeitet wird. Häufig kommen unterhalb einer Anstiegszeit von 1 ns Impedanzüberlegungen zum Tragen. Das entspricht einer Übertragungsrate von etwa 300 MHz.

Impedanzschaltungen fordern meist 50 bzw. 100 Ohm

Impedanzschaltungen fordern meist 50 Ohm als single line bzw. 100 Ohm in differenzieller Konfiguration. Auf Leiterplatten lassen sich diese Werte recht einfach realisieren: Leiterbreiten von 100 bis 200 µm und Lagenabstände von 100 bis 200 µm finden sich bei Leitergeometrien der meisten Multilayer. Aber auch andere Impedanzwerte werden ab und zu nachgefragt. So werden z.B. 25-Ohm-Leiter gefertigt, indem diese deutlich breiter gelayoutet werden: Bei 150-Ohm-Leitern sind die Lagenabstände auf 1 mm und mehr zu vergrößern.

Sollten bei einem hochlagigen Multilayer-Aufbau die Lagenabstände zu klein und damit die Impedanzleiter zu schmal werden, bedient man sich häufig einer verdichteten Lagenfolge: Zwischen zwei Referenzebenen werden zwei Signallagen platziert. So erhält man für beide Leiterebenen ausreichend Abstand zur Referenzlage.

12-Lagen-Impedanz-Multilayer mit 8 Signalebenen bei nur 4 Referenzebenen aufgrund der verdichteten Lagenfolge (Archiv: Vogel Business Media)

Damit sich die Signale der beiden benachbarten Lagen nicht gegenseitig stören, werden die Leiter bevorzugt senkrecht zueinander verlegt. Das Übersprechen kann prinzipiell auch reduziert werden, indem die beiden Signallagen einen möglichst geringen Abstand zur nächsten Bezugsebene aufweisen, während ihr Abstand vergrößert wird. Dies bewirkt jedoch wiederum schmalere Leiter und eine weniger dichte Lagenfolge.

Leiter mit definierter Impedanz - Theorie und Praxis

Berechnungsparameter für die Impedanz einer komplexen Leiterkonfiguration Quelle: Polar Instruments (Archiv: Vogel Business Media)

Für die Berechnung von Impedanzen liefern Lehrbücher Formeln, die aus den Leitergeometrien die kapazitiven und induktiven Anteile und daraus die Impedanz Z0 = √(L/C) ermitteln. Für Koaxialkabel und ähnlich einfache Geometrien funktioniert diese Methode gut. Für Leiterplatten führt die Anwendung von Formeln aber i.d.R. zu falschen Werten. Hier bedient man sich heute einer 2D-FEM-Kalkulation, die auch für komplexe Konfigurationen ausreichend genaue Werte liefert.

Layout, Lagenaufbau und Impedanz können also rechnerisch gut aufeinander abgestimmt werden. Die Fertigung ist bezüglich Leiterbreite, -höhe, Lagenabstand und Dielektrizitätszahl Toleranzen unterworfen, woraus sich wiederum die Impedanzwerte verschieben können. Meist sind es die Leiterbreiten und Lagenabstände, die den größten Beitrag dazu liefern.

Am folgenden Rechenbeispiel ist erkennbar, dass eine Impedanzgenauigkeit von ±10% i.d.R. problemlos eingehalten werden kann, sofern die Zielgeometrien bekannt sind. Die Situation ändert sich jedoch, wenn Leiterbreiten und Abstände kleiner als 100 µm werden. Unterhalb dieser Werte ist mehr Aufwand nötig, um die gleiche Genauigkeit zu erreichen.

Faktor Schichtdickentoleranz des Basismaterials

Auswirkungen von Fertigungstoleranzen eines Multilayers auf die Impedanz von 50 Ohm. Berechnung mit Lagenabständen von 130 µm außen bzw. 200 µm innen (Archiv: Vogel Business Media)

Andererseits kann man Impedanzwerte mit besonders guter Genauigkeit erreichen, wenn Lagenabstände und Strukturen großzügig bemessen werden. Die Zielwerte können noch genauer unter Verwendung von Sondermaterial mit gut definierter Isolationsdicke eingehalten werden. So erreichen z.B. 3,5 mm breite Microstrip-Leiter auf 1,52 mm RO 4003 (Rogers Corp.) die 50 Ohm mit einer Genauigkeit von ±5 %. Hauptunsicherheit bleibt wie in den meisten Fällen die Schichtdickentoleranz des Basismaterials.

Für den Einsatz als Referenz- oder Messleiterplatte müssen die Impedanzwerte u.U. noch enger toleriert werden. Um die letzten Ungenauigkeiten zu eliminieren, bleibt als Option die Fertigung einer Serie von Leiterplatten mit anschließender Auslese. Dazu werden die betreffenden Leiterbreiten im erwarteten Toleranzbereich variiert. So ist sichergestellt, dass Leiterplatten dabei sind, welche die Anforderungen erfüllen. Bei derartigen Anwendungen sollte der Einfluss der Umgebungs- und Lagerbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit beachtet werden, da diese Einfluss auf die Impedanz nehmen können.

Wie genau müssen Impedanzen eingehalten werden?

Betrachtet man die aufwändigen Möglichkeiten zur Impedanzkontrolle, schließt sich die Frage nach der Notwendigkeit an. In den meisten Fällen müssen digitale Daten zwischen zwei Bauteilen übertragen werden, ohne dass die Signale unzulässig gedämpft oder verzögert werden. Das bedeutet, die sogenannte Signalintegrität muss gewährleistet sein.

Die Entscheidung, ob ein Signal noch mit ausreichender Güte ankommt, ist anhand der Schaltungscharakteristika und der Bauteilspezifikationen zu beantworten. In vielen Fällen können Bauteile Signale so vorkonditioniert senden, dass sich die Qualität am Empfänger deutlich verbessert. Von dieser Möglichkeit sollte man immer Gebrauch machen, wenn man bzgl. Signalintegrität im Grenzbereich arbeitet.

In der Praxis haben Impedanzleiter nicht Idealgeometrie

Begrenzte Möglichkeit zur Impedanzanpassung aufgrund der durchbrochenen Referenzebene im BGA-Feld (links) bzw. aufgrund von Platzmangel im Fan-Out-Bereich (rechts) (Archiv: Vogel Business Media)

In der Praxis sind Impedanzleiter alles andere als so ideal konfiguriert, wie es die Eingabemaske von Berechnungstools suggerieren. Im Bereich von Bauteilanschlüssen und Durchsteigern ist die gesamte Leitergeometrie verändert. Selbst wenn die Leitungen nur zwischen zwei Vias hindurch verlaufen, sind die Referenzebenen meist durch sogenannte Antipads durchbrochen. Auch im Entflechtungs- und Fan-Out-Bereich von hochpoligen BGAs können Leitungen aus Platzgründen i.d.R. nicht die Idealgeometrie annehmen. In diesen Bereichen ist die Impedanzanpassung nur sehr begrenzt möglich.

Um die Auswirkung auf die Signale abzuschätzen, betrachtet man die zwei wesentlichen Gründe für eine Impedanzanpassung:

  • Die Kontrolle über Laufzeitverzögerungen
  • Die Reduktion von Signaldämpfung und –reflexion.

Eine 50 Ohm-Leitung auf Innenlagen hat eine Laufzeitverzögerung von ca. 6 ns je m. Wenn diese Leitung im BGA-Bereich auf einer Länge von 3 cm eine +30%ige Fehlanpassung (65 Ohm) aufweist, verkürzt sich die Laufzeit um 6 ps. Selbst bei 3-GHz-Signalen entspricht das einer Phasenverschiebung von nur 2% der Signallänge.

Toleranzen richtig einschätzen und festlegen

An diesem einfachen Beispiel ist zu erkennen, dass in vielen Fällen genauere Impedanzanpassungen über kurze Strecken weder möglich noch nötig sind. Ähnlich verhält es sich mit der Dämpfung. Ein Signal, das einen Leiter mit einer Fehlanpassung von 10% durchläuft, erfährt eine Leistungsdämpfung von 1%. Diese Werte sind für die meisten Anwendungen akzeptabel, da die Pegelsicherheit durch die Bauelemente gewährleistet ist.

Ergo: Für eine wirtschaftliche Entwicklung ist es wichtig, nicht nur die Möglichkeiten einer Impedanzanpassung zu kennen, sondern auch die notwendigen Toleranzen zu definieren. Dabei hat sich bewährt, zur Optimierung des Leiterplattenaufbaus und -designs, bereits in der Entwicklungsphase den Leiterplattenhersteller zu kontaktieren. Idealerweise stimmt sich der Entwickler direkt mit einem Mitarbeiter der CAM-Abteilung ab, um alle Details zusammen zu besprechen.

*Christoph Lehnberger ist Vertriebsleiter beim Leiterplattenhersteller ANDUS ELECTRONIC GmbH in Berlin.

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