Impedanz-PCBs - Optimieren Sie die Signalintegrität

Was ist PCB Impedanzkontrolle?

Impedanzkontrolle auf Leiterplatten bedeutet die Kontrolle der Impedanz von Leiterbahnen. Diese Impedanz wird auch als kontrollierte Impedanz bezeichnet. Die kontrollierte Impedanz ist die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung, die aus Leiterbahnen und ihren Bezugsebenen besteht. Wenn Hochfrequenzsignale auf PCB-Übertragungsleitungen übertragen werden, ist dies von Bedeutung. Die kontrollierte Impedanz ist wichtig, um Probleme der Signalintegrität zu lösen. Signalintegrität bedeutet, dass das Signal ohne Verzerrung übertragen wird.

Die Schaltungsimpedanz wird durch die physische Größe der Leiterplatte und das dielektrische Material bestimmt. Sie wird in Ohm (Ω) gemessen. Zu den Arten von PCB-Übertragungsleitungen, die eine Impedanzkontrolle benötigen, gehören Single-Ended-Mikrostreifen, Single-Ended-Streifenleitungen, differentielle Mikrostreifenpaare, differentielle Streifenleitungspaare, eingebettete Mikrostreifen und koplanare Leitungen (Single-Ended und differentiell).

Gemeinsame Methoden zur Impedanzkontrolle

1. PCB-Lagenstruktur verwenden

Leiterplattendesigner können den Leiterplattenlagenstapel zur Impedanzkontrolle verwenden. Bringen Sie verschiedene Signallagen an unterschiedlichen Positionen an, um die Kapazität und Induktivität zwischen den Lagen zu steuern. Normalerweise werden für die inneren Lagen höhere Impedanzen und für die äußeren Lagen niedrigere Impedanzen gewählt, um Reflexionen und Übersprechen zu verringern.

2. Differenzielle Signalleitungen verwenden

Differenzialpaare bieten eine bessere Rauschunterdrückung und ein geringeres Risiko des Übersprechens. Ein differentielles Paar besteht aus zwei parallelen Leitern. Ihre Spannungen sind gleich groß und von entgegengesetzter Polarität. Differenzialpaare bieten eine bessere Signalintegrität und Rauschunterdrückung. Die Impedanz eines differentiellen Paares wird durch den Abstand, die Leiterbahnbreite und das Layout der Massefläche gesteuert.

3. Geometrie der Kontrollspur

Leiterbahnbreite, Abstände und Layout-Geometrie können ebenfalls die Impedanz beeinflussen. Bei herkömmlichen Mikrostreifenleitungen senken breitere Leiterbahnen und größere Abstände die Impedanz. Bei koaxialen Strukturen erhöhen ein kleinerer Innenleiter und ein größerer Außenleiterradius die Impedanz. Wählen Sie die Leiterbahngeometrie entsprechend der Zielimpedanz und der Signalfrequenz.

4. PCB-Materialien auswählen

Die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattenmaterials beeinflusst die Impedanz. Die Auswahl von Materialien mit stabilen dielektrischen Eigenschaften ist Teil der Impedanzkontrolle. Für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen werden häufig fr4 (Glas-Epoxid), PTFE (Teflon) und RF-Laminate verwendet.

5. Verwendung von Simulations- und Entwurfswerkzeugen

Verwenden Sie vor dem endgültigen PCB-Layout Simulations- und Design-Tools, um die Impedanz zu prüfen und zu optimieren. Diese Tools simulieren das Schaltungsverhalten, Signalverluste und elektromagnetische Wechselwirkungen. Sie helfen dabei, die besten Leiterplattenparameter zu finden. Zu den gängigen Tools gehören CST Studio Suite, HyperLynx und ADS.

Auswirkungen der Leiterplattenherstellung auf die Impedanz

Spurbreite

Die Leiterbahnbreite wirkt sich direkt auf die Impedanz und den Verlust der Übertragungsleitung aus. Die meisten guten Ingenieure geben dem Leiterplattenhersteller mit den Gerber-Dateien eine Toleranz für die Leiterbahnbreite vor. Wenn beispielsweise eine Leiterbahnbreite von 6,2 mil entworfen wurde und die Impedanz 50 Ohm beträgt, führt eine Fertigungsinstabilität, die die Leiterbahnbreite verändert, zu einer Veränderung der Impedanz. Aus Erfahrung mit vielen Fabriken kann die Leiterbahnbreite um 10% variieren. Wir können die Änderung der Leiterbahnbreite als eine Gaußsche Verteilung mit einer Standardabweichung von 10% modellieren.

Kupferfolie / plattiertes Kupfer Dicke

Bei Leiterplattenprodukten besteht die Kupferdicke aus zwei Teilen: der Dicke des Basiskupfers und der Dicke des plattierten Kupfers. Das Basiskupfer ist relativ gleichmäßig, aber die Gleichmäßigkeit des plattierten Kupfers hängt vom Herstellungsverfahren ab. Die Dicke des plattierten Kupfers kann von Fabrik zu Fabrik stark variieren. Unterschiedliche Kupferdicken verändern die Impedanz und den Verlust von Leiterbahnen. Die Impedanz kann in einem kleinen Bereich variieren, zum Beispiel zwischen 49,5 und 51 Ohm. Im Vergleich zur Leiterbahnbreite hat die Kupferdicke einen geringeren Einfluss auf die Impedanz.

Dielektrische Dicke

Bei der Leiterplattenherstellung ergeben sich Änderungen der dielektrischen Dicke aus Schwankungen des Rohmaterials, des Laminierdrucks und der Klebstofffüllung. Wenn sich die dielektrische Dicke ändert, ändern sich Impedanz und Verlust. In schwerwiegenden Fällen haben die Übertragungsleitungen einen hohen Verlust. Die Impedanz kann von etwa 44 Ohm bis 54 Ohm variieren. Die Spanne kann bis zu 10 Ohm betragen.

Ätzfaktor

Leiterbahnen haben eine endliche Dicke. Nach dem Ätzen sind die Leiterbahnen keine perfekten Rechtecke. Sie sehen eher wie ein Trapez aus. Der Trapezwinkel ändert sich mit der Kupferdicke (einschließlich der Beschichtung). Wenn das Kupfer dünn ist, nähert sich der Seitenwandwinkel 90°. Die Größe des Winkels beeinflusst die Impedanz. Wenn der Seitenwandwinkel z. B. 70° beträgt, liegt die Impedanz bei etwa 50 Ohm. Wenn der Winkel 90° beträgt, liegt die Impedanz bei 48,37 Ohm.

Bei den obigen Tests wird jeweils ein Faktor geändert. In der realen Produktion ändern sich mehrere Variablen auf einmal. Die Impedanz kann von etwa 40 Ohm bis 56 Ohm variieren. Dies übersteigt bei weitem eine typische Anforderung wie 50Ω ±10%. Während der Produktion führen viele Parameter zu Impedanzänderungen. Bei Hochgeschwindigkeits- oder High-End-Produkten muss das PCB-Design und der Herstellungsprozess jedes Material und jeden Schritt streng kontrollieren. Andernfalls kann das Produkt unerwartete Probleme aufweisen.

Impedanz und Wellenwiderstand

1. Widerstand

Wenn ein Wechselstrom in einem Leiter fließt, wird der Widerstand, auf den er trifft, als Impedanz (Scheinwiderstand) bezeichnet. Das Symbol ist Z. Die Einheit ist immer noch Ohm (Ω). Dieser Widerstand unterscheidet sich vom Gleichstromwiderstand. Bei Wechselstrom gibt es neben dem Widerstand (R) auch den induktiven Blindwiderstand (XL) und den kapazitiven Blindwiderstand (XC).

Zur Unterscheidung vom Gleichstromwiderstand wird der Wechselstromwiderstand als Impedanz (Z) bezeichnet.

Die Formel:

2. Impedanz (Z)

Bei höherer IC-Integration und höherer Signalfrequenz und -geschwindigkeit können Signale auf Leiterbahnen durch die Leiterbahn selbst beeinflusst werden. Wenn die Signalfrequenz einen Grenzwert erreicht, verursacht die Leiterbahn ernsthafte Signalverzerrungen oder -verluste. Dies zeigt, dass Leiterbahnen nicht nur Strom, sondern auch Energie in Form von Impulsen oder Rechtecksignalen übertragen.

3. Kontrolle der charakteristischen Impedanz (Z0)

Der Widerstand, den ein Signal auf seinem Weg erfährt, wird als Wellenwiderstand bezeichnet. Das Symbol ist Z0.

Es reicht also nicht aus, nur “offen”, “kurz” und "Anschluss" zu reparieren. Bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzübertragungsleitungen muss die Qualität noch strenger sein. Es reicht nicht aus, einen Unterbrechungs-/Kurzschlusstest zu bestehen oder kleine Defekte zu haben. Sie müssen Z0 messen und innerhalb der Toleranz halten. Ist dies nicht der Fall, muss die Leiterplatte verschrottet werden. Keine Nacharbeit.

Signalausbreitung und Übertragungsleitungen

1. Definition einer Signalübertragungsleitung

1. Nach der elektromagnetischen Theorie bedeutet eine kürzere Wellenlänge (λ) eine höhere Frequenz (f). Ihr Produkt entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Das heißt:

2. Jedes Gerät kann eine hohe Signalfrequenz haben. Nachdem das Signal eine Leiterbahn durchlaufen hat, kann es langsamer oder verzögert werden.

Eine kürzere Leiterbahnlänge ist also besser.

3. Eine Erhöhung der Verdrahtungsdichte oder eine Verringerung der Drahtgröße ist hilfreich. Wenn jedoch die Bauteilfrequenz höher wird oder sich die Impulsperioden verkürzen, kann sich die Leiterbahnlänge einem Teil der Signalwellenlänge nähern. Dann weist die Leiterbahn eine deutliche Verzerrung auf.

4. IPC-2141 Abschnitt 3.4.4 besagt: Wenn eine Leiterbahnlänge 1/7 der Signalwellenlänge erreicht, wird die Leiterbahn als Signalübertragungsleitung behandelt.

5. Beispiel:

Ein Gerät hat eine Signalfrequenz f = 10 MHz. Die Leiterbahnlänge beträgt 50 cm. Ist eine Kontrolle des Wellenwiderstandes erforderlich?

Berechnen:

Da 1/60 viel kleiner ist als 1/7, ist diese Leiterbahn eine normale Leitung und benötigt keine Impedanzkontrolle.

Die Maxwell-Gleichungen besagen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit VS einer Sinuswelle in einem Medium mit der Lichtgeschwindigkeit C und der Dielektrizitätskonstante εr in Beziehung steht:

Wenn εr = 1 ist, entspricht die Signalgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit = 3 × 10^10 cm/s.

2. Übertragungsgeschwindigkeit und Dielektrizitätskonstante

Signalgeschwindigkeit bei 30 MHz für verschiedene Materialien:

Die Tabelle zeigt: Mit zunehmendem εr nimmt die Signalgeschwindigkeit im Material ab. Um eine höhere Signalgeschwindigkeit zu erreichen, wählen Sie einen höheren Wellenwiderstand. Um einen höheren Z0 zu erhalten, wählen Sie ein Material mit niedrigerem εr. PTFE hat das kleinste εr und bietet daher die höchste Geschwindigkeit.

Die fr4-Platte verwendet Epoxidharz und E-Glas. Ihr εr beträgt etwa 4,7. Die Signalgeschwindigkeit beträgt 138 m/μs. Ein Wechsel des Harzsystems kann εr verändern.

Gründe für die Kontrolle des Wellenwiderstandes

Grund 1

Wenn ein elektronisches Gerät (Computer, Kommunikationsgerät) läuft, sendet der Treiber ein Signal über Leiterbahnen an den Empfänger. Die charakteristische Impedanz Z0 der Leiterbahn muss mit der elektronischen Impedanz von Treiber und Empfänger übereinstimmen. Wenn sie übereinstimmen, wird die Signalenergie vollständig übertragen.

Grund 2

Wenn die Qualität der Leiterplatte schlecht ist und Z0 außerhalb der Toleranz liegt, werden die Signale reflektiert, gestreut, gedämpft oder verzögert. In schweren Fällen können die Signale falsch sein und das Gerät kann abstürzen.

Grund 3

Strenge Materialauswahl und Prozesskontrolle sind erforderlich, damit der Z0 der Mehrlagenleiterplatte den Kundenspezifikationen entspricht. Komponenten mit höherer elektronischer Impedanz erfordern in der Regel einen höheren Z0 der Leiterplatte, um sie anzupassen. Eine mehrlagige Leiterplatte mit korrektem Z0 ist ein qualifiziertes Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzprodukt.

Beziehung von Z0 zu Material und Prozess

Die Formel für den Mikrostreifenwellenwiderstand Z0:

Wo:

• εr - Dielektrizitätskonstante

• H - dielektrische Dicke

• W - Leiterbahnbreite

• T - Dicke der Leiterbahn

Ein niedrigeres εr macht es einfacher, Z0 zu erhöhen, um es an Hochgeschwindigkeitskomponenten anzupassen.

1. Z0 und εr

Z0 steht in umgekehrter Beziehung zu εr. Z0 steigt mit zunehmendem H. Für strenge Z0-Hochfrequenzleitungen muss die Toleranz der dielektrischen Dicke streng sein. Normalerweise darf die Änderung der dielektrischen Dicke 10% nicht überschreiten.

2. Effekt der dielektrischen Dicke

Bei höherer Leitungsdichte führt ein größeres H zu mehr elektromagnetischen Störungen. Bei Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Digitalleitungen sollte mit zunehmender Leitungsdichte die dielektrische Dicke reduziert werden, um EMI und Übersprechen zu verringern, oder Materialien mit geringerem εr verwendet werden.

Aus der Formel geht hervor, dass die Kupferdicke T ein wichtiger Faktor ist. Ein größeres T senkt Z0, aber die Änderung ist gering.

3. Effekt der Kupferdicke

Dünneres Kupfer ergibt einen höheren Z0-Wert, aber die Auswirkungen auf Z0 sind gering. Die Verwendung von dünnem Kupfer hilft bei der Herstellung feiner Leiterbahnen, was die Kontrolle von Z0 stärker unterstützt als der Wert der Kupferdicke allein.

Aus der Formel:

Wenn W (Leiterbahnbreite) abnimmt, nimmt Z0 zu. Eine Änderung der Breite hat einen größeren Einfluss auf Z0 als eine Änderung der Dicke.

4. Effekt der Leiterbahnbreite

Z0 steigt stark an, wenn die Breite W kleiner wird. Um Z0 zu kontrollieren, muss die Leiterbahnbreite engmaschig kontrolliert werden. Heutzutage haben die meisten digitalen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsbahnen eine Breite von 0,10 mm oder 0,13 mm. Traditionell betrug die Breitentoleranz ±20%. Für nicht übertragungsgebundene Leiterbahnen (Leiterbahnlänge << Signalwellenlänge / 7) mag ±20% in Ordnung sein. Aber bei Z0-gesteuerten Leiterbahnen kann der Breitenfehler von ±20% die Anforderungen nicht erfüllen. In diesem Fall übersteigt der Z0-Fehler oft ±10%.

Beispiel:

Eine Mikrostreifenleiterplatte hat eine Breite von 100 μm, eine Dicke von 20 μm und eine dielektrische Dicke von 100 μm. Es wird angenommen, dass die Kupferdicke gleichmäßig ist. Wenn sich die Breite um ±20% ändert, kann Z0 dann ±10% entsprechen?

Nach der Formel:

Es sei W0 = 100 μm, W1 = 80 μm, W2 = 120 μm, T = 20 μm, H = 100 μm. Dann ist Z01 / Z02 = 1,20. Z0 erreicht also gerade ±10%, liegt aber nicht innerhalb von ±10%. Um Z0 innerhalb von ±10% zu erhalten, muss die Breitenvariation viel kleiner als ±20% sein. Um Z0 ≤ ±5% zu erhalten, muss die Breitentoleranz ≤ ±10% sein.

Dies erklärt, warum einige PTFE-Leiterplatten und einige fr4-Leiterplatten eine Breitentoleranz von ±0,02 mm erfordern. Der Grund ist die Kontrolle von Z0.

Prozesskontrollen für charakteristische Impedanz

1. Kontrolle und Inspektion der Filmherstellung
   Halten Sie die Temperatur und Luftfeuchtigkeit konstant (21±2°C, 55±5%), halten Sie einen sauberen Raum und führen Sie einen Breitenausgleich durch.

2. Gestaltung des Panels
   Die Kanten der Platten sollten nicht zu schmal sein. Die Beschichtung sollte gleichmäßig sein. Verwenden Sie beim Galvanisieren eine Pseudokathode, um den Strom zu verteilen. Fügen Sie einen Coupon an der Plattenkante hinzu, um Z0 zu testen.

3. Ätzen
   Kontrollieren Sie die Prozessparameter, um Hinterschnitte zu reduzieren. Führen Sie eine First-Pass-Inspektion durch. Reduzieren Sie Restkupfer, Kupfergrate und Kupferabfälle. Prüfen Sie die Leiterbahnbreite und halten Sie sie innerhalb des erforderlichen Bereichs (±10% oder ±0,02 mm).

4. AOI-Inspektion
   Suchen Sie bei Innenlagen nach Leiterbahnlücken und Überständen. Bei 2-GHz-Hochgeschwindigkeitssignalen muss schon eine Lücke von 0,05 mm zu Leiterplattenausschuss führen. Die Kontrolle der Innenlagenbreite und der Defekte ist entscheidend.

5. Kaschierung
   Verwenden Sie die Vakuumlaminierung, um den Druck zu senken und den Harzfluss zu reduzieren. Bewahren Sie mehr Harz auf, da Harz den εr beeinflusst. Mehr Harz senkt oft εr. Kontrollieren Sie die Toleranz bei der Laminatdicke. Wenn die Dicke der fertigen Platte ungleichmäßig ist, variiert die dielektrische Dicke und beeinflusst Z0.

6. Gutes Grundmaterial auswählen
   Halten Sie sich strikt an das Materialmodell des Kunden. Falsches Modell bedeutet falsches εr, falsche Dicke. Ein vollständiger Prozess mit falschem Material führt immer noch zu Ausschuss, da Z0 stark von εr abhängt.

7. Lötstoppmaske (Coverlay)
   Die Lötmaske auf der Leiterplattenoberfläche kann Z0 um 1-3 Ω verringern. In der Praxis ist der Effekt nicht sehr groß. Vor der Lötmaske hat die Leiteroberfläche eine Grenzfläche zur Luft (εr = 1), so dass der gemessene Z0 höher ist. Nach der Lötmaske sinkt Z0 um 1-3 Ω, weil εr der Lötmaske etwa 4,0 beträgt.

8. Feuchtigkeitsaufnahme
   Vermeiden Sie die Feuchtigkeitsaufnahme in fertigen Mehrschichtplatten. Wasser hat εr ≈ 75. Feuchtigkeit verursacht einen großen Z0-Abfall und Instabilität.

Zusammenfassung

Für Übertragungsleitungen auf Mehrlagenplatten sind die üblichen Z0-Steuerungsbereiche:

• 50 Ω ±10%

• 75 Ω ±10%

• 28 Ω ±10%

Zur Kontrolle der Schwankungen sind diese vier Hauptfaktoren zu berücksichtigen:

1. Spurbreite W

2. Spurendicke T

3. Dielektrische Dicke H

4. Dielektrizitätskonstante εr

Den größten Einfluss hat die dielektrische Dicke H. Danach folgt die Dielektrizitätskonstante εr. Dann die Leiterbahnbreite W. Der kleinste Einfluss ist die Leiterbahndicke T. Nach der Wahl des Basismaterials ist die Änderung von εr gering. H kann kontrolliert werden, schwankt aber immer noch. T ist leichter zu steuern. Die Kontrolle der Leiterbahnbreite W innerhalb von ±10% ist schwierig. Probleme mit Leiterbahnen wie Nadellöcher, Lücken und Dellen spielen ebenfalls eine Rolle. In vielerlei Hinsicht ist die wirksamste und wichtigste Methode zur Kontrolle von Z0 die präzise Kontrolle und Einstellung der Leiterbahnbreite.