Was ist Impedanzkontrolle und wie führt man Impedanzkontrolle auf Leiterplatten durch?

Leiterplatten (PCBs) spielen eine entscheidende Rolle im Design moderner elektronischer Geräte. Ihre Leistungsfähigkeit beeinflusst direkt die Stabilität, Zuverlässigkeit und Übertragungseffizienz des gesamten Systems. Die Impedanzkontrolle ist dabei ein wichtiger Bestandteil des PCB-Designs. Da moderne digitale Schaltungen kürzere Signalübertragungszeiten und höhere Taktraten aufweisen, sind Leiterbahnen auf Leiterplatten nicht mehr nur einfache Verbindungen, sondern entsprechend auch Übertragungsleitungen. Die Impedanzkontrolle auf Leiterplatten umfasst die Steuerung der Übertragungsgeschwindigkeit und die Anpassung der Impedanz an die Signalstärke, um die Qualität und Stabilität der Signalübertragung zu gewährleisten.

In der Praxis ist die Kontrolle der Leiterbahnimpedanz erforderlich, wenn die digitale Grenzgeschwindigkeit über 1 ns liegt oder die analoge Frequenz 300 MHz überschreitet. Ein Schlüsselparameter von Leiterbahnen auf Leiterplatten ist ihre charakteristische Impedanz (d. h. das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke bei der Ausbreitung einer Welle entlang der Signalübertragungsleitung). Die charakteristische Impedanz von Leiterbahnen auf Leiterplatten ist ein wichtiger Indikator für das Leiterplattendesign. Insbesondere bei Hochfrequenz-Leiterplatten muss geprüft werden, ob die charakteristische Impedanz der Leiterbahn mit der erforderlichen charakteristischen Impedanz des Bauteils oder Signals übereinstimmt. Dies umfasst zwei Konzepte: Impedanzkontrolle und Impedanzanpassung. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Impedanzkontrolle und das Leiterbahn-Stack-Design.

Auf den Leiterbahnen einer Leiterplatte werden verschiedene Signale übertragen. Um die Übertragungsrate zu verbessern, muss die Frequenz erhöht werden. Der Impedanzwert der Schaltung selbst variiert aufgrund von Faktoren wie Ätzung, Schichtdicke und Leiterbahnbreite, was zu Signalverzerrungen führt. Daher muss der Impedanzwert der Leiterbahnen auf Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten in einem bestimmten Bereich gehalten werden; dies wird als „Impedanzkontrolle“ bezeichnet.

Die Impedanz von Leiterbahnen auf Leiterplatten wird durch deren induktive und kapazitive Induktivität, Widerstand und Leitfähigkeit bestimmt. Zu den Faktoren, die die Impedanz der Leiterplattenverdrahtung beeinflussen, gehören hauptsächlich die Breite und Dicke des Kupferdrahts, die Dielektrizitätskonstante und Dicke des Mediums, die Dicke der Lötpads, der Verlauf der Masseleitung und die umgebende Verdrahtung. Die Impedanz von Leiterplatten liegt im Bereich von 25 bis 120 Ohm.

In der Praxis bestehen Leiterplatten-Übertragungsleitungen typischerweise aus einer Leiterbahn, einer oder mehreren Referenzschichten und Isoliermaterialien. Leiterbahn und Schicht bilden die Steuerimpedanz. Leiterplatten weisen häufig mehrlagige Strukturen auf, und die Impedanzsteuerung kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Unabhängig von der verwendeten Methode wird der Impedanzwert jedoch durch die physikalische Struktur und die elektronischen Eigenschaften des Isoliermaterials bestimmt.

Ein Mikrostreifen ist ein Drahtstreifen, der eine Übertragungsleitung darstellt, bei der nur eine Seite eine Bezugsebene aufweist. Die Ober- und Seitenflächen sind der Luft ausgesetzt (oder beschichtet) und befinden sich auf der Oberfläche einer Leiterplatte mit konstanter Isolationskonstante Er, wobei die Versorgungs- oder Masseebene als Bezugsebene dient. Siehe folgende Abbildung:

Hinweis: In der Leiterplattenfertigung wird üblicherweise eine grüne Farbschicht auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgetragen. Daher wird für Impedanzberechnungen üblicherweise das in der folgenden Abbildung dargestellte Modell für Oberflächen-Mikrostreifenleitungen verwendet.

Eine Streifenleitung ist ein Drahtstreifen, der zwischen zwei Bezugsebenen angeordnet ist, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums, dargestellt durch H1 und H2, können unterschiedlich sein.

Die beiden oben genannten Beispiele veranschaulichen beispielhaft die Funktionsweise von Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungen, die üblicherweise zum Erlernen von eingebetteter IoT-Hardware und anderen Systemen verwendet werden. Es gibt viele spezielle Arten von Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungen, wie z. B. beschichtete Mikrostreifenleitungen, die von der jeweiligen Schichtstruktur der Leiterplatten abhängen.

Die Gleichung zur Berechnung der charakteristischen Impedanz erfordert komplexe mathematische Berechnungen, üblicherweise unter Anwendung von Feldlösungsverfahren, einschließlich der Randelementanalyse. Mit der spezialisierten Impedanzberechnungssoftware SI9000 müssen wir daher lediglich die Parameter der charakteristischen Impedanz steuern:

Die Dielektrizitätskonstante Er der Isolierschicht, die Leiterbahnbreite W1 und W2 (trapezförmig), die Leiterbahndicke T und die Dicke der Isolierschicht H.

W – geplante Linienbreite

A – Ätzverlust (siehe Tabelle oben)

Der Grund für die ungleichmäßige Breite zwischen Ober- und Unterseite der Linie liegt darin, dass bei der Herstellung von Leiterplatten Korrosion von oben nach unten auftritt, was zu einer trapezförmigen Korrosionsstelle führt.

Zwischen der Leiterbahndicke T und der Kupferdicke dieser Schicht besteht folgender Zusammenhang:

* Da die Dicke der Lötstoppmaske nur einen geringen Einfluss auf die Impedanz hat, wird ein konstanter Wert von 0,5 mil angenommen.

Durch die Steuerung dieser Parameter lässt sich die Impedanz regeln. Am Beispiel der unteren Leiterplatte von Anwei erläutern wir die Schritte der Impedanzregelung und die Verwendung des SI9000:

Die zweite Schicht ist die Masseebene, die fünfte Schicht ist die Stromversorgungsebene und die restlichen Schichten sind die Signalschichten.

Erläuterung: Das Dielektrikum zwischen den Zwischenschichten ist FR-4 mit einer Dielektrizitätskonstante von 4,2; die obere und untere Schicht sind blanke Schichten, die in direkten Kontakt mit Luft kommen, deren Dielektrizitätskonstante 1 beträgt.

Leiterplattenentwickler können die hierarchische Struktur von Leiterplatten optimal nutzen, um die Impedanz zu steuern. Durch die Platzierung verschiedener Signalebenen an unterschiedlichen Positionen lassen sich die Kapazität und Induktivität zwischen den Ebenen effektiv kontrollieren. Im Allgemeinen werden für die innere Ebene Materialien mit hoher Impedanz und für die äußere Ebene Materialien mit niedriger Impedanz verwendet, um Reflexionen und Übersprechen zu minimieren.

Differenzielle Signalübertragungsleitungen bieten eine höhere Störfestigkeit und ein geringeres Übersprechrisiko. Sie bestehen aus zwei parallelen Leitungen mit entgegengesetzten Spannungen, aber gleichem Querschnitt, was eine bessere Signalintegrität und Störfestigkeit gewährleistet. Die Impedanz differenzieller Signalübertragungsleitungen wird üblicherweise durch die Wahl des Leitungsabstands, der Leitungsbreite und der Massefläche gesteuert.

Geometrische Parameter wie Leiterbahnbreite, Leiterbahnabstand und Layout auf Leiterplatten können ebenfalls zur Impedanzsteuerung genutzt werden. Bei herkömmlichen Mikrostreifenleitungen lässt sich die Impedanz durch größere Leiterbahnbreite und größeren Leiterbahnabstand reduzieren. Bei Koaxialleitungen hingegen können kleinere Innendurchmesser und größere Außenradien die Impedanz erhöhen. Die Wahl der Verdrahtungsgeometrie erfordert eine Optimierung basierend auf den spezifischen Impedanzanforderungen und der Signalfrequenz.

Die Dielektrizitätskonstante von Leiterplattenmaterialien beeinflusst auch die Impedanz. Die Auswahl von Materialien mit stabilen dielektrischen Eigenschaften ist Teil der Impedanzkontrolle. In Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen werden häufig Materialien wie FR-4 (glasfaserverstärkte Leiterplatte), PTFE (Polytetrafluorethylen) und HF-Laminate (Hochfrequenzlaminate) eingesetzt.

Vor dem PCB-Design können Simulations- und Designtools Entwicklern helfen, die Impedanz schnell und präzise zu überprüfen und zu optimieren. Diese Tools simulieren das Schaltungsverhalten, Signalübertragungsverluste und elektromagnetische Wechselwirkungen, um die optimalen PCB-Designparameter zu ermitteln. Gängige Simulationstools sind beispielsweise CST Studio Suite, HyperLynx und ADS.

Die Impedanzkontrolle von Leiterplatten spielt eine entscheidende Rolle in digitalen und analogen Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Durch ein durchdachtes hierarchisches Design, den Einsatz differenzieller Signalübertragungsleitungen, die Kontrolle der Leiterbahngeometrie, die Auswahl geeigneter Leiterplattenmaterialien sowie den Einsatz von Simulations- und Designwerkzeugen lässt sich eine präzise Impedanzkontrolle erreichen und somit die Schaltungsleistung und Signalintegrität verbessern.