Wir gingen zu einem Leiterplattengeschäft und fragten dort: “Können Sie die Leiterbahnimpedanz auf 10% genau kontrollieren?” Sie antworteten mit voller Überzeugung: “Kein Problem!” Wenn man ein bisschen Druck macht und nach 8% fragt, denken sie vielleicht einen Moment nach und sagen dann: “Okay (für innere Schichten)!” Wenn Sie dann fragen: “Kann eine Durchkontaktierung auf 10% gesteuert werden?”, könnte das kleine Boot der Freundschaft... umkippen!
Die Kernfrage: Leiterbahnen vs. Vias Impedanztoleranz
Sowohl Leiterbahnen als auch Durchkontaktierungen verbinden Transceiver-Chips. Warum also können Leiterbahnen auf 10% gehalten werden, Durchkontaktierungen aber nicht? Wir wissen, dass Leiterbahnen auch nicht einfach zu kontrollieren sind. Zu den Faktoren, die die Impedanz von Leiterbahnen beeinflussen, gehören der Ätzfaktor, die Schichtverschiebung und die Oberflächenrauhigkeit. Bei Mikrostreifenleitungen spielen auch die Lötstoppmaske und die Kupferdicke eine Rolle. Dennoch können viele Mainstream-Leiterplattenhersteller eine Impedanztoleranz von 10% oder sogar 8% für Leiterbahnen garantieren. Soweit ich weiß, kann keiner der Leiterplattenhersteller versprechen, die Impedanz von Durchkontaktierungen innerhalb von 10% zu halten. Das bedeutet, dass es bei Durchkontaktierungen viele Faktoren gibt, die von den Leiterplattenherstellern nicht kontrolliert werden können, so dass sie dies nicht garantieren können.
Was dieser Artikel behandelt
In diesem Artikel stelle ich zunächst zwei Via-Prozesse vor: Bohren und Via-Füllen. Viele Menschen wissen, dass das Bohren wichtig ist, aber wie stark beeinflusst die Bohrtoleranz die Leistung des Vias? Beim Füllen denken viele, dass das Füllen eines Vias mit Harz oder Lötstoppmaske die Leistung des Vias verändern wird. Wir testen diese Auswirkungen mit Simulationen.
1. Der Bohrprozess und seine Auswirkungen auf die Leistung des Bohrlochs
Zunächst zum Bohren. Wir hören oft zwei Bezeichnungen: Bohrgröße und Größe des fertigen Lochs. Wenn wir in unserer Leiterplattendatei ein 8-Millimeter-Loch entwerfen, glauben Sie dann, dass die Fabrik einen 8-Millimeter-Bohrer verwendet? Nein, natürlich nicht. Ein Via muss Leiterbahnen auf verschiedenen Lagen verbinden. Das Loch muss so plattiert sein, dass das Kupfer vertikal durch das Loch verläuft. Das ist durchkontaktiertes Kupfer. Nach der IPC-Norm ist die Dicke des durchkontaktierten Kupfers vorgeschrieben, etwa 18 µm bis 20 µm. Die Fabriken garantieren also, dass das Loch nach der Beschichtung 8 mil dick ist. Diese Endgröße ist das fertige Loch. Das bedeutet, dass die ursprüngliche Bohrungsgröße größer als 8 mil sein muss. Wie viel größer? 10 Millimeter? 12 Millimeter? Dieser Größenunterschied hat einen großen Einfluss auf die Leistung.
Nach den werkseitigen Bohrtoleranzregeln wird für ein 0,2 mm (8 mil) großes Loch mindestens ein 0,25 mm (10 mil) Bohrer verwendet. Wenn Sie keine strengeren Vorgaben machen, verwendet das Werk möglicherweise einen 0,3 mm (12 mil) Bohrer. Jeder weiß, dass ein größerer Bohrer eine niedrigere Impedanz ergibt. Aber um wie viel niedriger? Unsere Simulationsergebnisse können es Ihnen zeigen.
Die Simulation zeigt, dass Durchkontaktierungen von 0,2 mm bis 0,3 mm einen Impedanzunterschied von mehr als 5 Ohm aufweisen.
Betrachtet man die durch das Via verursachten Verluste, so sind ebenfalls deutliche Unterschiede zu erkennen.
Bei diesem einzigen Durchgangsbohrverfahren kann allein die Bearbeitungstoleranz eine Abweichung von mehr als 10% verursachen.
2. Via-Füllung: Simulation und Ergebnisse
Nun zum Füllen der Vias. Viele Freunde fragten, ob das Befüllen einer Via die Leistung der Via beeinflusst. Ich habe ihnen immer wieder geantwortet: “Keine Auswirkung! Keine Auswirkung!” Sie glaubten mir, hatten aber immer noch einige Zweifel. Also habe ich Simulationen durchgeführt, um das zu überprüfen.
Die folgende Abbildung zeigt die Modelle für ungefüllte und gefüllte Vias. Rot bedeutet, dass Harz oder Lötstoppmaske das Via füllen.
Wir haben die Rückflussdämpfung und die Einfügedämpfung für die beiden Fälle verglichen. Warum gibt es nur eine Leitung? Weil sich die Leitungen überschneiden. Warum überlappen sie sich? Weil es keinen Effekt gibt. Die Ergebnisse sind dieselben.
Theoretische Vernunft: Warum das Füllen keine Rolle spielt
Jeder, der sich ein wenig mit Hochgeschwindigkeitstheorie auskennt, weiß, dass das Signal bei höheren Geschwindigkeiten einen Skineffekt aufweist. Das Signal fließt in der Nähe der Außenwand des Vias. Ganz gleich, welches Dielektrikum sich im Inneren des Vias befindet, das elektromagnetische Feld zwischen Signal und Referenz wird nicht ins Innere übertragen. Wenn es im Inneren kein Feld gibt, dann hat das Material im Inneren des Vias auch keine Wirkung.
