Leiterplattendesign Lagenwechsel als Abstrahlungsursache

Beim Entflechten von Leiterplatten wird oft übersehen, dass die erstellten elektrischen Verbindungen ganz erheblichen Einfluss auf die EMV der fertigen Baugruppe haben können. Eine Vielzahl von Design-Tipps befasst sich dabei zumeist mit der Optimierung im Zweidimensionalen, also innerhalb einer Lage. Im Zusammenspiel mit dem jeweiligen Lagenaufbau können aber gerade die Lagenwechsel erhebliche EMV-Probleme verursachen und sollten sorgsam geplant sein.

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Einen klassischen Vier-Lagen-Multilayer zeigt das Bild 1, anhand dessen die Problematik erläutert werden soll. Dabei gilt das Gesagte natürlich nicht nur für vierlagige Leiterplatten, sondern ebenso für vergleichbare Anordnungen innerhalb einer Leiterplatte mit deutlich mehr Lagen.

Eine durchaus sinnvolle Belegung der Lagen würde so aussehen, dass in Top und Bottom jeweils eine Signallage, in den Innenlagen das Powersystem mit je einer Power- und einer GND-Plane realisiert wird. Auf diese Weise werden beide Signallagen von einer Referenzfläche begleitet, was u.a. im Hinblick auf Single-Ended-Verbindungen nahezu zwingend erforderlich ist.

Richtige Substratdicke ist entscheidend

Welche Substratdicke gewählt wird, ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion des Powersystems, aber – wie nachfolgend gezeigt wird — mindestens ebenso für Signalintegrität und EMV. Betrachten wir eine Signalleiterbahn in Lage 1 (Top), die aus Entflechtungsgründen mit einem Via in Lage 4 (Bottom) verlegt wird. Der vollständige Singalstromkreis sieht vereinfacht so aus: der Strom vom Treiber fließt durch die Signalleitung in Lage 1, das Via, die Signalleitung in Lage 4, den Receiver, die Fläche in Lage 3 und die Fläche in Lage 4 zurück zum Treiber.

Die Leiterbahn bildet zusammen mit der jeweiligen Bezugsfläche eine Leitung, die sich mit einer Leitungsnachbildung modellieren lässt. Da hier nur die Auswirkungen des Lagenwechsels untersucht werden sollen, begnügen wir uns damit, das letzte Element der oberen Leitung, den Lagenwechsel und das erste Element der unteren Leitung zu betrachten. In Bild 2 ist das Ersatzschaltbild zu sehen, wobei für das Via eine Induktivität LVia, und für die Unterbrechung im Rückstrompfad – der Rückstrom muss von der einen zur anderen Fläche wechseln — eine Kapazität CPlanes eingesetzt wurden. Es sei darauf hingewiesen, dass beide Modelle nur eine grobe Annäherung an die Realität darstellen, weshalb zumindest der Rückstrompfad nachfolgend noch genauer untersucht werden soll. Was das Via angeht, ist die Beschreibung mittels einer kleinen Induktivität gar nicht so schlecht, sofern die Freistellungen in den beiden Flächenlagen ausreichend groß sind um eine nennenswerte kapazitive Kopplung auszuschließen.

Einflüsse auf die Übertragungsdämpfung

Am Ersatzschaltbild in Bild 2 lässt sich erkennen, dass das Via in erster Näherung kaum mehr als eine Erhöhung des Wellenwiderstandes der Leitung und damit eine mehr oder weniger ausgeprägte Diskontinuität hervorruft. Es fällt leicht sich vorzustellen, dass die Unterbrechung des Rückstrompfades gerade bei größeren Substratdicken zwischen Power- und GND-Plane, und einer damit relativ kleinen Koppelkapazität CPlanes, den Übertragungseigenschaften möglicherweise noch größeren Schaden zufügen könnte. Dieser Effekt müsste gerade zu niedrigen Frequenzen hin besonders gut zu beobachten sein, da die kapazitive Impedanz Xc hier ihre größten Werte annimmt.

Nachfolgend wurde eine Leiterplatte mit einer entsprechenden Signalleitung mit Hilfe des 3D-Field-Solvers HFSS V.11.1 [1] untersucht. In Bild 3 ist die Übertragungsfunktion des Signalpfades dargestellt, Parameter der Kurvenschar ist die Dicke des Substrates zwischen den Lagen zwei und drei (Power-System). Wie erwartet lässt sich bei Frequenzen unterhalb etwa 300 MHz beobachten, dass die Übertragungsdämpfung mit zunehmender Substratdicke und abnehmender Frequenz immer größer wird. In diesem Frequenzbereich ist die Beschreibung des nur 6cm x 3cm großen Flächensystems als Kapazität durchaus zulässig, da seine elektrische Länge gegenüber den betrachteten Wellenlängen sehr klein ist und deshalb keine Rolle spielt.

Flächensystem ist eine zweidimensionale Leitung

Anders sieht es da schon bei höheren Frequenzen aus: Bei etwa 1,2, 2,4 und 2,7 GHz zeigen sich weitere Einbrüche in der Übertragungsdämpfung, die sich mit dem Modell der Koppelkapazität nicht erklären lassen. Wie in [2] ausführlich erläutert, handelt es sich bei dem Flächensystem in Wirklichkeit um eine zweidimensionale Leitung, deren Eigenmoden auf den genannten Frequenzen liegen. Unser Ersatzschaltbild in Bild 2 müsste also anstelle der Kapazität CPlanes eine Impedanz ZPlanes enthalten, welche die realen Impedanzverhältnisse im Flächensystem auf der jeweiligen Frequenz abbildet.

Diese Impedanz, also die Eigenimpedanz des Flächensystems an der Position des Vias, ist in Bild 4 betragsmäßig dargestellt. Auf den Resonanzfrequenzen des Flächensystems muss der Rückstrom eine vergleichsweise große Impedanz ZPlanes überwinden, was zu den erheblichen Dämpfungswerten führt. Wie in Bild 3 zu erkennen, ist der Einbruch der Übertragungsfunktion sehr stark von der verwendeten Substratdicke abhängig. Während bei den beiden dünnsten untersuchten Substratdicken praktisch kein Einbruch zu beobachten ist, beträgt er bei dem dicksten (1,5 mm) Substrat nahezu 4 dB.

Ein Digital-Signal, das auf dieser Leitung übertragen wird, erfährt eine frequenzselektive Dämpfung; die verschiedenen spektralen Anteile des Signals (Grundwelle, Oberwellen) werden dadurch nicht gleichmäßig bedämpft was zu einer Veränderung der Signalform führt. Größere Flächensysteme, wie sie heute typischerweise in jeder gängigen Leiterplatte vorkommen, weisen Resonanzen bei deutlich niedrigeren Frequenzen auf, wodurch grundsätzlich jedes Design von dieser Problematik betroffen ist.

Signalzug mit wenig Lagenwechsel

Vor diesem Hintergrund mag es sinnvoll erscheinen, einem Signalzug möglichst wenige solcher Lagenwechsel zuzumuten und deshalb kritische Signale manuell zu routen.

Neben SI-Problemen führt ein so gestalteter Lagenwechsel auch zur Einprägung einer elektromagnetischen Welle in das Flächensystem an der Position des Vias. Diese breitet sich im Flächensystem aus und wird an den Kanten reflektiert. Ersteres lässt sich als Spannungs-Ripple auf der Versorgungsspannung beobachten und kann ggf. zur Verletzung der geforderten Betriebsspannungspegel führen. Erreicht die EM-Welle die (offene) Kante des Flächensystems, wird tatsächlich nur ein Teil in das Flächensystem zurück reflektiert, ein Teil der Energie wird abgestrahlt [3] - das Funktionsprinzip einer Microstrip-Patch-Antenne.

In Bild 5 ist die abgestrahlte Leistung als Funktion der Frequenz (X-Achse) und der Substratdicke (Kurvenschar) dargestellt. Die Gesamtabstrahlung lässt sich sehr gut mit den Impedanzmaxima (Resonanzfrequenzen) des Flächensystems korrelieren.

Während die abgestrahlte Leistung bei extrem dünnen Substraten (20 µm) praktisch nicht erhöht ist, zeigen sich beim Einsatz dickerer Substrate (hier 1500 µm) dramatische Verschlechterungen in der Größenordnung von mehr als 30 dB. Das Power-/GND-Planesystem konsequent niederimpedant und vor allem resonanzfrei auszulegen ist also nicht nur aus Power-Integrity-Rücksichten sinnvoll, sondern kann im Zusammenspiel mit dem Lagenaufbau sowohl Signal-Integrität als auch EMV der Baugruppe massiv verbessern.

Außer durch die korrekte Auslegung der Powersysteme lässt sich der vorgestellten Problematik natürlich auch durch eine sorgsame Planung des Lagenaufbaus begegnen, worauf jedoch an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden soll.

*Nils Dirks ist Inhaber der Dirks Compliance Consulting in Herrsching bei München.

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