HDI-Leiterplatten - Teil 14 Die Grundlagen von impedanzkontrollierten Leiterplatten

Redakteur: Claudia Mallok

Immer höhere Datenraten einerseits und steigende Bedeutung elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) andererseits erfordern ein genau definiertes und exakt reproduzierbares Impedanzverhalten – insbesondere bei „schnellen“ HDI-Schaltungen. In diesem Kapitel erklärt Christian Ranzinger, Leiter Technologie beim Leiterplattenhersteller CONTAG, die grundlegenden Begriffe und Aufgaben von impedanzkontrollierten Leiterplatten.

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Betrachten wir zunächst einmal den Begriff der Impedanz selbst. Sie beschreibt per Definition den Schein- oder auch Wellenwiderstand eines Leiters, hier der HDI-Leiterbahnen und bestimmt maßgeblich das Verhalten bei höheren und höchsten Frequenzen. Eine korrekt angepasste Impedanz sorgt für die verlust- und refleexionsarme Übertragung insbesondere der hohen Frequenzanteile auf der Leitung.

Wichtiger als der absolute Wert der Impedanz ist die Konstanz des „eingestellten“ Wertes über den gesamten Signalpfad. Dies schließt Signalpfade innerhalb der beteiligten Bauelemente mit ein. Die gewünschte Impedanz einer Leitung ist also von den Vorgaben der jeweiligen Bauelementehersteller abhängig.

Daher sind selten feste oder globale Impedanzwerte für die gesamte Schaltung vorgegeben. Statt dessen werden je nach Anwendung und Signalart spezifische Werte für die jeweiligen Bauteile vorgegeben. Diese liegen bei Impedanzkritischen Leitungen von HDI-Leiterplatten typischerweise im Bereich zwischen 50 und 100 Ohm. So weit zur Vorgabe.

Bild 1: Impedanzklassen - Einteilung nach FED am Beispiel einer Stripline-Variante (eine Leitungsebene zwischen zwei Potentialflächen, Quelle: ibw Industrieberatung (Archiv: Vogel Business Media)

Die Grundimpedanz bei der Realisierung ist von der Topologie des jeweiligen Impedanzmoduls (Klasse und Typ/Variante), der Geometrie der Leiterbahn (Breite/Höhe) und Dicke sowie Dielektrizitätskonstante des verwendeten Kernmaterials bzw. Laminats abhängig. Typ und Eigenschaften der Leiter werden durch den Abstand der nächstliegenden „geschlossenen“ Potentialebene (Plane) definiert.

Bild 2: Impedanztypen - Die Lagenzuordnung bestimmt den Leitungstyp und dessen Grundeigenschaften. Leitungen auf den Außenlagen werden als Microstrips bezeichnet, Leitungen in den Innenlagen als Striplines; Quelle: ibw Industrieberatung (Archiv: Vogel Business Media)

Die nebenstehende Grafik gibt einen Überblick über die Impedanztypen. Die Lagenzuordnung bestimmt den Leitungstyp und dessen Grundeigenschaften. Leitungen auf den Außenlagen werden als Microstrips bezeichnet, Leitungen in den Innenlagen als Striplines.

Bild 3: Auswirkungen von Parameteränderungen auf die Impedanz; Quelle: CONTAG (Archiv: Vogel Business Media)

Aus den physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgt, dass die Impedanz größer wird, wenn: der Lagenabstand oder der Harzgehalt bei FR4 zunimmt oder die Kupferdicke der Signallage abnimmt, die Leiterbahnbreite oder die Dielektrizitätskonstante εr des Materials abnimmt (Bild 3). Letzteres bewirkt zudem, dass die Impedanz auch dann ansteigt, wenn eine Leitung an der Platinenoberfläche, also in einer Aussenlage verläuft; insbesondere dann, wenn sie nicht mit Lötstopplack abgedeckt ist (Open Microstrip).

Im Entwicklungsprozess ist Abstimmung mit dem Leiterplattenhersteller angeraten

Von den Entwicklern oftmals übersehen wird die Tatsache, dass sich die Kupfer-Schichtdicken auf die tatsächliche Schichtdicke beziehen. Wie wir in den vorangegangenen Folgen dieser Serie aber gelernt haben, nimmt die Kupferschichtdicke beim sequentiellen Lagenaufbau auf den Innenlagen durch die Ätzprozesse ab und auf allen Außen-lagen, auf denen Kontaktierungen enden, durch den Kontaktierungsprozess zu. Andererseits kann die äußerste Kupferschicht durch Oberflächenbehandlungen wie Planen und Bürsten auch wieder abnehmen.

Da auch die endgültige, wirksame Laminatdicke vom Pressvorgang abhängt, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Entwickler und seinem Leiterplattenhersteller nötig. Nach der idealerweise gemeinsamen Auswahl des grundlegenden Lagenaufbaus erfolgt dann die Feinabstimmung der Impedanz typischerweise über die Variation der Leiterbahnbreite.

Unabhängig vom Grundsatzaufbau sind Leitungen immer auch als differentielle Leitungspaare auslegbar. Dabei unterscheidet sich die differentielle Impedanz Zd von der Grundimpedanz Z0. All diese Überlegungen müssen abgewogen werden, noch bevor mit dem Layout begonnen wird!

Mindestabstände einhalten und Durchkontaktierungen vermeiden

Bei impedanzkontrollierten Leiterzügen ist auch noch auf folgende, oft vernachlässigte Punkte zu achten:

Die differentielle Impedanz bezüglich der virtuellen Masse ist bei eng geführten Leiterpaaren meist erheblich höher als die Nennimpedanz! Signale könne auch durch benachbarte Leitungen und Bauelemente beeinflusst werden; diesbezügliche Mindestabstände sind daher unbedingt einzuhalten.

Die maximalen Werte für Induktivität und Kapazität der Leiterbahn müssen eingehalten werden, damit Signalflanken steil und Laufzeitverzögerungen gering bleiben. Auch sind bei impedanzkritischen Leitungen Durchkontaktierungen wo immer möglich zu vermeiden, da diese immer Diskontinuitäten mit sich bringen und damit Reflexionen und Störstrahlungen entstehen.

Wenn schon der Layer gewechselt werden muss, dann vorzugsweise mit den elektrisch sehr viel günstigeren Mikrovias. Gerade bei den recht geringen Leitungsquerschnitten impedanzkontrollierter Leitungen sind die ohmschen Widerstände bei längeren Leitungen vielfach nicht mehr zu vernachlässigen und wirken sich auf Leitungsverluste und Belastbarkeit aus. Der Einfluss von Toleranzen wird im nächsten Kapitel ausführlicher erörtert.

Single-Ended-Leiterbahnen machen den höchsten Anteil aus

Den weitaus höchsten Anteil an den impedanzkontrollierten Leiterplatten hat auch heute noch die Impedanzklasse der Single-Ended-Leiterbahnen. Hier läuft eine Leiterbahn (oder im Fall der Dual Stripline auch zwei) zwischen ein oder zwei Powerplanes, die als Potentialreferenz dienen. Mit Einführung neuer, schnellerer und leistungsfähigerer Bau.-elementetechnologien gewinnen Mischformen mit differenziellen Leitungen zunehmend an Bedeutung.

Diese sind aber von Hand kaum mehr zu berechnen. Für einfache Standard-Lagenzuordnungen wie z.B. 4-lagig Surface Coated Microstrip liefern die Bauelementehersteller meist Standard-Layoutvorgaben mit. Für komplexere Fälle bleibt nur der Einsatz von Spezialsoftware, welche die exakte Impedanz mit Hilfe der finiten Elemente Methode individuell berechnet.

Leiterebenen strikt orthogonal verlegen

Die CONTAG GmbH setzt dazu sehr erfolgreich die Spezialsoftware der Firma Polar ein. Während bei bis zu 6-lagigen Platinen die impedanzkontrollierten Leiterbahnen meist als Coated Microstrips in den Außenlagen liegen, werden ab 12 Lagen aufgrund vieler Vorteile impedanzkontrollierte Leitungen überwiegend intern und als Dual Striplines in der jeweils 2. und 3. Lage von außen geführt. So kann man noch die günstigen elektrischen Eigenschaften der Mikrovias für diese Signale nutzen. Hierbei sollten die Leiterebenen strikt orthogonal zueinander verlegt werden, um gegenseitiges Beeinflussen möglichst zu reduzieren!

Optimal für den Entwickler ist es, wenn er gemeinsam mit dem Fertigungspartner eine dort gut bewährte Technologie/Lagenaufbau für sein Projekt auswählen kann.

Welche Fertigungseinflüsse sich wie auf die Toleranzen bei der Impedanz auswirken, lesen Sie in Kapitel 15.

Hier finden Sie alle Teile der Beitragsreihe HDI-Leiterplatten.

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