Erreichen einer Impedanztoleranz von 5 % beim PCB-Design: Von den Materialien bis zur Fertigung

Vereinfacht ausgedrückt sorgt die Impedanzkontrolle dafür, dass elektrische Signale reibungslos und ohne Verzerrungen oder Reflexionen über eine Leiterplatte (PCB) übertragen werden – ähnlich wie bei der Gleichmäßigkeit der Fahrspuren und der Ebenheit einer Autobahn, damit Autos ohne Stöße oder Schlingern sicher fahren. Für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen wie 5G-Kommunikation, KI-Server, Automobilelektronik und medizinische Geräte ist eine präzise Impedanzkontrolle entscheidend, um Signalintegrität und -zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Arten der Impedanz

Single-Ended-Impedanz : Die Single-Ended-Impedanz bezeichnet die Impedanz einer einzelnen Signalspur relativ zu einer Referenzebene (normalerweise Masse oder Strom). Sie kommt häufig in digitalen Schaltungen und bei der Taktsignalübertragung vor.

Differenzielle Impedanz : Die differenzielle Impedanz wird durch ein Paar Leiterbahnen gebildet, die komplementäre Signale (positiv und negativ) übertragen. Diese Konfiguration bietet eine hohe Störfestigkeit und reduziert elektromagnetische Strahlung und ist daher ideal für USB-, HDMI-, LVDS-, PCIe- und 5G-Kommunikationsschnittstellen. Die Steuerung der differenziellen Impedanz ist komplexer als bei Single-Ended-Verbindungen, da sie nicht nur von der Leiterbahnbreite und der dielektrischen Dicke, sondern auch vom Leiterbahnabstand, der Parallelität und der Fertigungskonsistenz abhängt.

Impedanz von Koplanarwellenleitern und Mikrostreifen-/Streifenleitungsimpedanz : Koplanare Wellenleiter werden häufig in HF-Schaltungen eingesetzt. Die Signalleitung wird von Masseflächen flankiert, um die elektromagnetische Feldverteilung besser zu kontrollieren. Mikrostreifenleitungen befinden sich auf der Leiterplattenoberfläche und verwenden Luft und Dielektrikum als Medium. Streifenleitungen, eingebettet zwischen zwei Referenzebenen, eignen sich besser für die schnelle und zuverlässige Signalübertragung.

Wichtige Faktoren, die die Impedanz beeinflussen

Materialauswahl

Die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df) von Materialien beeinflussen direkt die Signalausbreitungsgeschwindigkeit und -dämpfung. Standard-FR4 eignet sich für die meisten mehrschichtigen Leiterplatten. Für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen bieten Materialien wie Rogers und Megtron eine stabilere Dk und einen niedrigeren Df. SprintPCB wählt Materialien basierend auf Kundenanforderungen und Anwendungsumgebungen aus, um von Grund auf zuverlässige Impedanzeigenschaften zu gewährleisten.

Leiterbahnbreite und -abstand

Die Impedanz ist stark von der Leiterbahngeometrie abhängig – schon wenige Mikrometer Abweichung können zu Abweichungen von den Designvorgaben führen. Daher müssen Leiterbahnbreite und -abstand während der Fertigung streng kontrolliert werden, was extrem stabile Ätzprozesse erfordert. Über- oder Unterätzen kann die Leiterbahnbreite verändern und sich auf die Impedanz auswirken. SprintPCB setzt hochpräzise LDI-Laserbelichtung und automatisierte Ätzsysteme ein, um minimale Abweichungen zu gewährleisten und so eine gleichbleibende Impedanz zu gewährleisten.

Dielektrische Dicke

Während der Laminierung kann jede Abweichung der Dielektrikumdicke – verursacht durch Temperatur- oder Druckkurvenabweichungen – zu einer Verschiebung der Impedanzwerte führen. SprintPCB nutzt eine präzise Laminierungskurvensteuerung, um eine gleichmäßige Dielektrikumdicke über alle Schichten hinweg sicherzustellen und so auch bei der Massenproduktion eine stabile Impedanz zu erreichen.

Kupferdicke und Oberflächenbeschaffenheit

Auch die Kupferdicke und die Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen die Impedanz. Beispielsweise erzeugen 35 μm und 18 μm dicke Kupferschichten deutlich unterschiedliche Impedanzwerte. Oberflächenveredelungen wie ENIG oder Galvanisierung verändern die Oberflächenmorphologie geringfügig und beeinflussen so die Signalübertragung. SprintPCB kontrolliert die Beschichtungs- und Veredelungsprozesse streng und validiert die Ergebnisse mittels TDR-Tests (Time Domain Reflectometry), um sicherzustellen, dass die gemessene Impedanz den Designzielen entspricht.

So erreichen Sie eine Impedanzkontrolle

Verwendung von Differenzialpaaren

Die differentielle Signalübertragung ist eine weit verbreitete Methode zur Impedanzkontrolle. Durch die Übertragung von Signalen über ein positives/negatives Paar wird die Rauschresistenz erhöht und die elektromagnetische Störung reduziert. SprintPCB gewährleistet die Konsistenz der differentiellen Impedanz durch präzise Steuerung von Leiterbahnabstand, -breite und dielektrischer Dicke.

Verwalten von Leiterbahnbreite und -abstand

Präzise Leiterbahnbreite und -abstand sind entscheidend für die Zielimpedanz. Designer müssen Dielektrizitätskonstante, Kupferdicke und Referenzebenen mithilfe von Impedanzrechnern oder Simulationstools berücksichtigen. Eine konsistente Geometrie reduziert Übersprechen und erhält die Signalintegrität. Die LDI-Belichtung und das automatisierte Ätzen von SprintPCB garantieren eine originalgetreue Reproduktion der Designparameter für eine wiederholbare Impedanzkontrolle.

Verwenden von Grund- und Referenzebenen

Masse- und Referenzflächen spielen eine entscheidende Rolle für die Impedanzstabilität. Die Massefläche dient als Signalrückweg und hält die Impedanz konstant. Die Referenzfläche schafft eine einheitliche Potenzialbasis und unterstützt so die Signalintegrität. Durch optimiertes Stapeldesign und kontrollierten Lagenabstand kann die Impedanz auf der gesamten Leiterplatte effektiv gesteuert werden.

Material- und Kupferdickenkontrolle

Die Reduzierung der Impedanz erfordert häufig die Anpassung der Materialeigenschaften und der Leiterbahngeometrie. Materialien mit niedrigerem Dk-Wert beschleunigen die Signalausbreitung und reduzieren die Impedanz. Durch die Anpassung der Leiterbahnbreite und der Kupferdicke lässt sich die Impedanz feinabstimmen. Mit zunehmender Kupferdicke sinkt die Induktivität und die Kapazität steigt, was zu einer niedrigeren Impedanz führt. Daher ist eine sorgfältige Kupferkontrolle entscheidend.

In der Produktion von SprintPCB entwickelt das Engineering-Team präzise Stapelmodelle basierend auf den Impedanzzielen des Kunden und optimiert Leiterbahnbreite, -abstand und Lagenkonfigurationen. Während der Produktion wird die Laminierung mithilfe importierter Hochebenheitspressen und Stahlplatten streng kontrolliert, wodurch eine Ebenheit von 0,02 mm/m² und eine Toleranz der Dielektrikumdicke von 5 % erreicht wird. Säureätzen liefert glatte Seitenwände mit einem Ätzfaktor von 4–6 und minimiert so Maßabweichungen. Hochpräzise TDR-Tests stellen sicher, dass die endgültigen Impedanzwerte innerhalb enger Toleranzbereiche bleiben und garantieren so eine zuverlässige, wiederholbare Leistung über alle Chargen hinweg.