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1-2017

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Rund um die Leiterplatte

Rund um die Leiterplatte Impedanzkontrollierte Leiterplatten Besser verstehen, qualifiziert entwerfen, optimal fertigen und richtig testen In den letzten Jahren ist der Markt impedanzkontrollierter Leiterplatten stark angewachsen und macht nun ungefähr die Hälfte des Gesamtvolumens aus. Dafür gibt es drei Gründe: Vor allem erlauben die (Miniaturisierungs-)Fortschritte bei den Bauelementen immer höhere Signalfrequenzen, sodass sich die Anforderungen an die Verbindungsstrecken erhöhten - egal, ob für analoge oder digitale Übertragung. Hinzu kommt die steigende Bedeutung elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV). Platinen sollen möglichst robust gegen Störfelder sein und selbst möglichst wenig Störstrahlung abgeben. Auch diese Ziele lassen sich nur erreichen, wenn man die Übertragungsleitungen auf „Die Impedanz-Technik ist für unsere Kunden nicht mehr nur ein Muss, sondern ist bei vielen Entwicklungen bereits eine Standardanforderung geworden.” Christian Ranzinger, Leiter Technologie bei Contag AG der Platine nach hochfrequenztechnischen Gesichtspunkten definiert. Die genannten Entwicklungen brachten die klassischen Multilayer- mit hoher Pin-Dichte in Bedrängnis geraten. Dünne Leiterplatten z.B. mit 100-µm-Strukturen ermöglichen dabei impedanzkontrollierte Leitungen und somit freie Fahrt für Signale mit hohen und höchsten Frequenzen. Unser Aufmacherbild zeigt die Struktur eines sechslagigen HDI/SBU-Multilayers (orange: Leiterbahn aus Kupfer, kegelig: Microvia, Quelle: Wikipedia). „impedanzkontrolliert“ Der etwas merkwürdige Ausdruck „impedanzkontrolliert“ wurde vom englischen Begriff impedance control abgeleitet und meint hier nicht etwa nur eine Kontrolle, sondern das unter Kontrolle bringen aller bezüglich der Signale und der EMV relevanten Leitungsimpedanzen. „Immer höhere Signalfrequenzen und kürzere Schaltzeiten der Bausteine erfordern die exakte Einhaltung der vorgegebenen Impedanzwerte.” Hermann Reischer, Contag AG Impedanzklassen – Einteilung nach FED am Beispiel einer Stripline- Variante (eine Leitungsebene zwischen zwei Planes, Quelle: ibw Industrieberatung) Platinen immer mehr an ihre physikalischen Grenzen. Es schlug die Stunde der HDI-Leiterplatte (High- Density Interconnect), einer besonders kompakt gestalteten Platine. HDI PCBs (Printed Circuit Boards) erlauben feinere Leitungsstrukturen und kleinere Durchkontaktierungen (Microvias) mit besseren elektrischen Eigenschaften. Durch die Verpressung weiterer Lagen mittels SBU-Technik (Sequential Build Up) lassen sich Signale auf den inneren Lagen koppeln und entflechten, ohne dass Bauteile Platinen für hohe Frequenzen verstehen Für das Verständnis impedanzkontrollierter Leiterplatten genügt reines elektrotechnisches Wissen nicht mehr, sondern es müssen auch die darüber hinausgehenden Grundlagen der Übertragung von hochfrequenten Signalen beherrscht werden. Dies wird manchmal nicht gesehen, und so kommt es zu fragwürdigen Darstellungen, wie beispielsweise in [1, 2] beschrieben. 12 1/2017

Rund um die Leiterplatte Impedanztypen Single-Ended-Impedanz: Impedanz einer Leitung, welche nicht mit einer zweiten Leitung gekoppelt ist Differentielle Impedanz: Impedanz zwischen einem parallel verlaufenden und symmetrisch aufgebautem Leitungspaar Odd-Mode-Impedanz: Die Impedanz einer Leitung eines Leitungspaars gegen Masse, ist halb so groß wie die differentielle Impedanz Even-Mode-Impedanz: Impedanz einer Leitung eines Leitungspaars, wenn beide Leitungen mit einem Signal gleicher Amplitude und gleicher Polarität beaufschlagt werden Common-Mode-Impedanz: Impedanz eines Leitungspaars, wenn beide Leitungen kurzgeschlossen sind, ist halb so groß wie die Even-Mode-Impedanz Impedanztypen – Die Lagenzuordnung bestimmt den Leitungstyp und dessen Grundeigenschaften (Quelle: ibw Industrieberatung) Die gemeinten Grundlagen sind: 1. Wellenwiderstand 2. Wellenleitung 3. Reflexion 1. Wellenwiderstand HF-Leitungen zeichnen sich durch einen homogenen Aufbau aus, d.h. ihr Querschnittsbild ist über die Länge konstant. Das hat zur Folge, dass weder die verteilte Induktivität noch die verteilte Kapazität einen störenden (dämpfenden) Einfluss ausübt. Verluste entstehen lediglich durch den ohmschen Leiterwiderstand und das nicht ideale Dielektrikum. Verteilte Induktivtät und Kapazität sind konstruktionsbedingt und bestimmen den oft als Impedanz bezeichneten Wellenwiderstand der Leitung, ihre wichtigste Kenngröße. Der Wellenwiderstand wird von der Quelle wie ein ohmscher Widerstand gesehen; etwa eine 75-Ohm-Leitung nimmt daher aus einer Quelle mit 75 Ohm Innenwiderstand die maximal mögliche Leistung auf (Widerstandsanpassung), ohne eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu verursachen. Dieser Zustand ist völlig unabhängig von den weiteren Leitungskenngrößen und davon, ob und wie die Leitung am Ende abgeschlossen ist. 2. Wellenleitung Im Gegensatz zu einem „Klingeldraht“ oder zu einer 230-V-Netzleitung pflanzt sich auf einer HF- Leitung in erster Linie ein elektromagnetisches Wechselfeld fort. Die zugehörigen Spannungen und Ströme haben hier zweitrangige Bedeutung. Man spricht von Wellen leitung. Eine HF-Leitung ist also gewissermaßen ein Energie- Zwischenspeicher, vergleichbar mit einer Wasserleitung. Dies vermögen die genannten einfachen Leitungen nicht. 3. Reflexion Die gewissermaßen in die HF-Leitung gepumpte Energie kann diese nur dann am Ende vollständig verlassen, wenn dort ein ohmscher Widerstand gleich dem Wellenwiderstand liegt. Andernfalls muss ein Teil der Energie oder (bei Leerlauf oder Kurzschluss) die gesamte Energie umkehren. Man spricht von einer Reflexion. Diese ist unerwünscht, sodass man einen „impedanzrichtigen“ Abschluss der Leitung anstrebt. Bei den Platinen erfolgt dass so, dass man die Leitung so gestaltet, dass ihr Wellenwiderstand dem Eingangswiderstand der mit dem Signal zu versorgenden Baugruppe entspricht. Bei HDI-Leiterplatten beträgt er typischerweise 50 bis 100 Ohm. „Der Trend bei der Entwicklung der integrierten Bauteile wird dazu führen, dass in wenigen Jahren jede digitale Schaltung die Highspeed-Bedingungen berücksichtigen muss.” Markus Biener, Zollner AG Nähere Informationen, auf deren Basis man jedes beliebige Übertragungssystem berechnen kann, bringt [3]. Platinen für hohe Frequenzen entwerfen Im Prinzip benötigt man also ein Programm, bei dem man einen Impedanzwert eingeben kann und dann Möglichkeiten für die Gestaltung der Leitung angeboten bekommt. Hierzu gehören beispielsweise die hochgenauen 2D-Field- Solver-Simulationsprogramme oder die Impedanzberechnungs-Software von Polar Instruments mit etwa 100 Impedanzmodellen. Parameteränderungen wirken sich vielfältig und wechselseitig – vergleichbar mit einem Perpetuum mobile an der Zimmerdecke – auf die Impedanz aus. Zu den beeinflussenden Parametern gehören: • Lagenabstand • Harzgehalt des Platinenmaterials • Kupferdicke der Signallage • Leiterbahnbreite • Dielektrizitätskonstante des Platinenmaterials Selbst das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Lötstopplack hat Einfluss. Nicht übersehen sollte man auch, dass sich die Cu- Schichtdicken auf die tatsächliche Wichtige Einflussgrößen auf die Impedanz • Leiterbreite (einfach veränderbar) • Lagenabstand (durch Materialwahl bestimmt) • Kupferdicke (durch Materialwahl bestimmt) • Dielektrizitätskonstante (durch Materialwahl bestimmt) • Flankenform (prozessbedingt) • verpresste Dicke eines Prepregs Dies ist die Dicke, nachdem das Material zwischen zwei Kupferfolien mit 100% Kupferbelegung verpresst wurde – ohne Vias, Freistellungen etc. Auch dieser Parameter ist wichtig für die weitere Berechnung der Enddicke des Aufbaus und der enthaltenen Impedanzstrukturen. 1/2017 13

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