PCB-Impedanzkontrolle: Gewährleistung der Signalintegrität in Hochfrequenzschaltungen

Die Impedanz beschreibt den Widerstand eines elektrischen Stromkreises, wenn Wechselstrom angelegt wird. Sie ist die Kombination aus Kapazität und Induktivität eines elektrischen Stromkreises bei hohen Frequenzen. Die Impedanz wird – ähnlich wie der Widerstand – in Ohm gemessen. Sind die Impedanzen unterschiedlich, treten Reflexionen und Dämpfungen auf, die das Signal verschlechtern.

Für hochfrequente analoge oder digitale Schaltungen ist es entscheidend, die sich auf der Leiterplatte ausbreitenden Signale vor Beeinträchtigungen zu schützen. Tatsächlich werden Signale oberhalb von 100 MHz stark von der Leiterbahnimpedanz beeinflusst, die – wenn sie nicht korrekt berücksichtigt wird – zu unerwarteten Fehlern führen kann, die besonders schwer zu analysieren sind. Glücklicherweise ermöglicht die Impedanzkontrolle Designern und PCB-Herstellern, dieses Phänomen gezielt zu beherrschen.

Was ist Impedanzkontrolle und Signalanpassung

Die Impedanzkontrolle passt die Abmessungen und die Positionen der Leiterbahnen an die Eigenschaften des Substratmaterials an, um sicherzustellen, dass das Signal während der Übertragung rauschfrei und ungedämpft bleibt. Leiterbahnen auf Leiterplatten können daher nicht mehr als einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindungen betrachtet werden. Sie müssen als Übertragungsleitungen verstanden werden, wodurch eine Impedanzanpassung erforderlich wird, um die Auswirkungen auf die Signalintegrität zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren. Durch die Anwendung bewährter Designregeln und -methoden lassen sich viele potenzielle Probleme der Signalintegrität vermeiden oder zumindest deutlich abschwächen.

Im Folgenden wird daher die Bedeutung der Impedanzkontrolle, die Ursachen von Signalintegritätsproblemen sowie Methoden zu deren Vermeidung erläutert.

Faktoren, die die Übertragungsleitungsimpedanz bestimmen:

In der Regel liegt die Leiterbahnimpedanz zwischen 25 und 125 Ohm und hängt von folgenden Faktoren ab:

● Der Realteil der Dielektrizitätskonstante: Die Dicke des Dielektrikums ist direkt proportional zur Impedanz. Je dicker das Dielektrikum, desto höher die Impedanz.

● Verlustfaktor und Dispersion: Der Verlustfaktor misst im PCB-Design die Energieverluste des dielektrischen Materials in Form von Wärme, wenn ein Signal hindurchläuft. Er beeinflusst die Signalintegrität insbesondere bei hohen Frequenzen und führt zu Signalabschwächung. Materialien mit niedrigem Verlustfaktor werden für Hochgeschwindigkeits- und HF-Designs bevorzugt, um Signalverluste zu minimieren.

● Abstand zwischen Leiterbahn und benachbarter Referenzebene: Der Abstand zwischen Leiterbahn und Referenzebene ist umgekehrt proportional zur Impedanz. Eine korrekte Abstandskontrolle ist entscheidend, um eine definierte Impedanz und eine stabile Signalintegrität in Hochgeschwindigkeits- und HF-Schaltungen sicherzustellen.

● Kupferdicke und Oberflächenrauheit der Leiterbahn: Die Kupferfoliendicke ist umgekehrt proportional zur Impedanz. Je dicker das Kupfer, desto niedriger die Impedanz. Die Kupferdicke kann durch Galvanikprozesse oder durch die Auswahl einer Basiskupferfolie mit geeigneter Dicke gesteuert werden.

● Leiterbahnbreite: Die Leiterbahnbreite ist umgekehrt proportional zur Impedanz. Schmalere Leiterbahnen führen zu höherer Impedanz, breitere Leiterbahnen zu niedrigerer Impedanz. Eine Kontrolle der Leiterbahnbreite innerhalb einer Toleranz von ±20 % ist notwendig, um eine stabile Impedanz zu gewährleisten. Um die Genauigkeit der Leiterbahnbreite sicherzustellen, werden Maskenkorrekturen unter Berücksichtigung von Unterätzung, lithografischen Fehlern und Übertragungsabweichungen vorgenommen.

Der Leiterplattenentwickler muss daher sicherstellen, dass bei Hochfrequenzsignalen die Wahl von Leiterbahngeometrie und Lagenaufbau das Erreichen eines Zielimpedanzwertes innerhalb einer bestimmten Toleranz ermöglicht. Moderne CAD-Designwerkzeuge für die Elektronik berechnen diese Werte automatisch.

Warum ist Impedanzanpassung erforderlich?

Die Aufgabe einer Leiterbahn besteht darin, die Signalleistung vom Treiberbaustein zum empfangenden Bauteil zu übertragen. Diese Leistung muss über die gesamte Länge der Leiterbahn transportiert werden. Maximale Signalleistung wird jedoch nur bei angepasster Impedanz auf der Leiterplatte erreicht. Nach dem Satz von der maximalen Leistungsübertragung tritt der maximale Leistungsfluss dann auf, wenn die Impedanzen der beiden Geräte übereinstimmen. Wird in der Layoutphase nicht sorgfältig gearbeitet, verschlechtern sich Hochfrequenzsignale zwangsläufig auf ihrem Weg vom Sender zum Empfänger.

Ein häufiges Missverständnis ist die Annahme, dass die Taktfrequenz eines Schaltkreises darüber entscheidet, ob es sich um ein Hochgeschwindigkeitssystem handelt. Tatsächlich hängen Hochgeschwindigkeitssignale von der Anstiegs- und Abfallzeit eines Taktsignals ab, also davon, wie schnell ein Signal von einem Zustand in den anderen wechselt (Logik 0 und Logik 1).

Wie wird die Leiterbahnimpedanz auf der Leiterplatte berechnet?

Wie bereits erwähnt, beeinflussen zahlreiche Faktoren die Leiterbahnimpedanz. Übertragungsleitungen im PCB-Design unterliegen unterschiedlichen Berechnungsformeln, weshalb exakte Impedanzwerte mit Open-Source-Software nur schwer zu bestimmen sind. Der beste Ansatz besteht darin, den Hersteller zu kontaktieren und die Impedanz mithilfe eines kalibrierten Impedanzrechners zu berechnen.

Das JLCPCB-Impedanzrechner-Tool ist ein Online-Werkzeug von JLCPCB, das Entwicklern hilft, die Impedanz von Leiterbahnen zu berechnen. Dieses Tool ist besonders wichtig für Hochfrequenzdesigns, bei denen eine kontrollierte Impedanz entscheidend für die Signalintegrität ist.

Hauptfunktionen:

1. Auswahl des Leiterbahntyps: Auswahl zwischen Microstrip, Stripline oder differentiellen Paaren.

2. Eingabeparameter: Eingabe von Leiterbahnbreite, Leiterbahndicke, Dielektrizitätskonstante und Abstand zur Referenzebene.

3. Sofortige Berechnung: Das Tool liefert Echtzeitberechnungen der charakteristischen Impedanz auf Basis der eingegebenen Parameter.

4. Materialeigenschaften: Auswahl unterschiedlicher PCB-Materialien, die die Dielektrizitätskonstante und damit die Impedanz beeinflussen.

Wählen Sie den Typ der Übertragungsleitung (z. B. Microstrip oder Stripline) und geben Sie die Dielektrizitätskonstante des PCB-Materials ein. Tragen Sie Leiterbahnbreite, Dicke und Abstand zur Referenzebene ein. Das Tool berechnet und zeigt den Impedanzwert an. Dieses Werkzeug wird im PCB-Design häufig eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Impedanz den geforderten Spezifikationen entspricht, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- oder HF-Schaltungen. Sie können über die Website auf den JLCPCB-Impedanzrechner zugreifen.

Welche Berechnungen führt eine Impedanzkontrollmethode auf einer Leiterplatte durch?

Je länger die Leiterbahn oder je höher die Frequenz, desto größer ist der Anpassungsbedarf der Impedanz. Unzureichende Genauigkeit in dieser Phase kann die Schaltzeiten eines elektronischen Geräts verlängern und unerwartete Fehler verursachen. Unkontrollierte Impedanzen sind nach der Bestückung der Leiterplatte nur schwer zu analysieren. Bauteile weisen je nach Fertigungscharge unterschiedliche Toleranzen auf. Eine Impedanzkontrollmethode berechnet daher die kritischen Leitungslängen in Abhängigkeit von der Signalausbreitungsgeschwindigkeit.

Aus diesem Grund müssen Leiterbahnimpedanzen und deren Toleranzen bereits früh im PCB-Design überprüft werden. Designer müssen eng mit dem Hersteller zusammenarbeiten, um die Einhaltung der spezifizierten Bauteilwerte sicherzustellen.

Methoden zur Erreichung der Impedanzanpassung

Eine gut kontrollierte Impedanz bedeutet, dass die Leiterbahnimpedanz an jedem Punkt des Signalpfads konstant ist. Unabhängig davon, welchen Weg die Leiterbahn nimmt oder ob sie zwischen Lagen wechselt, muss die Impedanz vom Sender bis zum Empfänger gleich bleiben.

Es gibt mehrere wichtige Designkriterien, die berücksichtigt werden müssen. Viele EMI-bedingte Reflexionsprobleme lassen sich durch saubere PCB-Designtechniken vermeiden.

1) Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante:

Früher wurde typischerweise FR4 verwendet. Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns ist die Wahl des richtigen Laminats jedoch entscheidend. Materialien mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante sind vorzuziehen. Sie verbessern nicht nur die Signalqualität, sondern reduzieren auch Verzerrungen und Phasenjitter. Das geeignete Material sollte daher gezielt ausgewählt und in den Fertigungsunterlagen spezifiziert werden.

2) Signalrückführpfade

Früher wurde typischerweise FR4 verwendet. Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns ist die Wahl des richtigen Laminats jedoch entscheidend. Materialien mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante sind vorzuziehen. Sie verbessern nicht nur die Signalqualität, sondern reduzieren auch Verzerrungen und Phasenjitter. Das geeignete Material sollte daher gezielt ausgewählt und in den Fertigungsunterlagen spezifiziert werden.

3) Lagenaufbau

Der Lagenaufbau beschreibt die Anordnung von Signallagen, Masseflächen, Versorgungsebenen und dielektrischen Materialien in einer Leiterplatte. Er spielt eine entscheidende Rolle bei der Impedanzkontrolle. Signallagen werden in der Regel direkt neben Referenzebenen platziert, um eine stabile und kontrollierte Impedanz zu gewährleisten.

Kontrollierte Impedanzleiterbahnen wie Microstrip oder Stripline werden durch präzise Anpassung von Leiterbahnbreite, Lagenaufbau und dielektrischen Eigenschaften realisiert.

Besondere Aufmerksamkeit sollte folgenden Punkten gelten:

● Leiterbahnen sollten so kurz wie möglich gehalten werden.

● Auswahl und Anzahl der Abblockkondensatoren sowie deren Schleifenführung.

● Leiterbahn-Stubs und Diskontinuitäten, die die Signalqualität verschlechtern, sollten vermieden werden.

● Bei differentiellen Paaren sollten beide Signale die gleiche Länge haben.

● Referenz-Masseflächen und Rückstrompfade.

● Induktivitäten durch ungeeignete Bauteilgehäuse.

● Erwägen Sie Immersionssilber als Oberflächenfinish anstelle von ENIG. Der Nickelanteil in ENIG ist verlustreich und aufgrund des Skin-Effekts für Hochgeschwindigkeitsdesigns ungünstig.

Überprüfung der Impedanzkontrolle

Die Impedanzkontrolle kann nach der Fertigung der Leiterplatte mithilfe von Testcoupons überprüft werden. Ein Testcoupon ist eine speziell gefertigte Leiterplatte, die zur Qualitätsprüfung des Fertigungsprozesses dient und sich in der Regel am Rand des Panels befindet. Sie ermöglicht die Überprüfung der Lagenausrichtung, der elektrischen Verbindung und des Querschnitts.

Mithilfe eines Zeitbereichsreflektometers (TDR) wird anschließend die Impedanz gemessen. Auf Basis dieser Messung wird ein Bericht erstellt, der bestätigt, ob die charakteristische Impedanz auf der Leiterplatte erreicht wurde.

Die Gesamtleistung und das EMV-Verhalten elektronischer Geräte werden nicht nur durch das Schaltungsdesign und das Layout bestimmt, sondern auch durch das Stromverteilungsnetzwerk.

Fazit

Die auf einer realen Leiterplatte auftretenden Impedanzen können erheblich von den idealen Werten abweichen, die aus dem Schaltplan berechnet wurden. Hauptursache dafür sind das Substratmaterial und das Leiterbahnlayout. Dies kann zu Effekten wie Übersprechen führen, die von den gewünschten Impedanzwerten abweichen. Ebenso können Probleme der Stromintegrität wie Klingeln auftreten, wenn Schaltungen mit hohen Frequenzen schalten.

Bei hohen Frequenzen weicht auch die Impedanz des Stromversorgungsnetzes vom optimalen kapazitiven Verhalten ab, was sowohl die Signal- als auch die Stromintegrität beeinträchtigen kann.

Durch das Verständnis der Ursachen von Impedanzfehlanpassungen und die Anwendung geeigneter Designmethoden kann der Leiterplattenentwickler eine wirklich durchdachte Lösung schaffen – ein robustes Design, das sich zuverlässig fertigen lässt und eine hohe Leistungsfähigkeit der Leiterplatte gewährleistet.