Leiterbahn-Impedanz verstehen: Warum sie im PCB-Design wichtig ist

In Leiterplatten werden Drähte und Leiterbahnen (Traces) typischerweise aus Kupfer gefertigt, da es neben Silber das widerstandsärmste Element ist. Legt man ein Ohmmeter über eine Leiterbahn, ist der Gleichstromwiderstand nahezu vernachlässigbar.

Das gilt nicht für die Wechselstrom-Impedanz. Impedanz basiert – im Gegensatz zum Widerstand – auf Frequenz. Alle Drähte und Leiterbahnen erzeugen mindestens eine gewisse Impedanz für den Stromfluss von jedem Treiber. Zwar benötigen Sie üblicherweise eine ziemlich schnelle Flankensteilheit (Rise Time) Ihrer Signale, damit Leiterbahn-Impedanz zum Problem wird, aber es ist wichtig, sich bewusst zu sein, dass Leiterbahn-Impedanz existiert und ein Problem werden kann.

Warum müssen wir uns um Leiterbahn-Impedanz kümmern? Warum existiert sie und kann man sie kontrollieren? Wenn Sie den Begriff „kontrollierte Impedanz“ (Controlled Impedance) gehört haben, wissen Sie wahrscheinlich bereits, dass Impedanz kontrollierbar ist. Um zu verstehen wie und warum, ist es wichtig, die Natur der Leiterbahn-Impedanz etwas zu verstehen.

Wie Leiterbahn-Impedanz funktioniert

Jede Leiterbahn hat eine kleine, fast nicht unterscheidbare Serieninduktivität, die entlang der Bahn verteilt ist, mit einem umgekehrten Verhältnis zum Querschnitt der Bahn. Mit steigenden Flankensteilheiten wird die resultierende Impedanz spürbarer. Ebenso hat jede Leiterbahn eine entlang der Bahn und des Rückführpfads verteilte Kapazität, die eine Funktion der Bahnbreite und des Dielektrikums zwischen Rückführpfad und Bahn ist. Steigen die Flankensteilheiten genug an, kann die Impedanz, die entsteht, wenn der Strom durch diese Kapazität fließt, signifikant sein.

Ihre Treiber lesen alle Leiterbahnen als verteilte LC-Schaltungen, und die AC-Impedanz Ihrer Leiterbahn stammt von dieser verteilten LC-Schaltung. Dies gilt als unkontrollierte Impedanz. Wir unternehmen keine Anstrengungen, die Leiterbahn-Umgebung so zu gestalten, dass sie diese Impedanz berücksichtigt, sondern lassen Induktivität und Kapazität entlang der Bahn variieren. Da die resultierende Impedanz meist keine Auswirkung auf den Betrieb hat, besteht keine Notwendigkeit, Zeit oder Geld in deren Kontrolle zu investieren.

Kontrollierte Impedanz (Controlled Impedanz)

Was aber, wenn wir uns um die Auswirkungen der Impedanz auf unseren Betrieb sorgen? Wir können eine Platine designen, bei der die Leiterbahn wie eine Übertragungsleitung aussieht, was uns erlaubt, Reflexionen durch Abschluss mit ihrer charakteristischen Impedanz zu vermeiden. Wie funktioniert das Design einer kontrollierten Impedanz-Schaltung?

Bei kontrollierter Impedanz stellen wir sicher, dass die Impedanz an jedem Punkt entlang der Leiterbahn konstant ist, statt wie bei normaler unkontrollierter Impedanz von Punkt zu Punkt zu variieren. Um Impedanz zu kontrollieren, müssen wir drei geometrische Merkmale der Schaltung steuern: die Breite der Leiterbahn, den Abstand zwischen Rückführpfad und Signalleiterbahn und den Dielektrizitätskoeffizienten (Dielectric Constant) des die Leiterbahn umgebenden Materials. Sie möchten möglicherweise auch die Leiterbahndicke berücksichtigen. Ein Koaxialkabel ist beispielsweise eine kontrollierte Impedanz-Übertragungsleitung.

Sie können diese geometrischen Merkmale ändern und dennoch kontrollierte Impedanz beibehalten, solange Sie andere Merkmale entsprechend anpassen, damit das Verhältnis zwischen diesen Aspekten nicht ändert und die Impedanz konstant bleibt.

Wie man PCB-Leiterbahn-Impedanz bestimmt

Um kontrollierte-Impedanz-Leiterplatten herzustellen, muss man Impedanz messen können. Der beste Weg zur Berechnung der Leiterbahn-Impedanz ist ein Leiterbahn-Impedanz-Rechner (Trace Impedance Calculator). Diese finden Sie online oder in Ihrer CAD-Software. Bei der Impedanzbestimmung sind mehrere Parameter zu beachten:

• Leiterbahnbreite (Trace Width)
• Leiterbahndicke (Trace Thickness)
• Laminatdicke (Laminate Thickness)
• Dielektrikum-Dicke (Dielectric Thickness)
• Kupfergewicht (Copper Weight)

Nachdem Sie alle relevanten Parameter berechnet haben, können Sie alle oben genannten (typischerweise die Leiterbahnbreite) anpassen, um die gewünschte Impedanz zu erreichen. Wenn Sie glauben, eine akzeptable Impedanz erreicht zu haben, können Sie die Wirksamkeit der Platine mit Testcoupons testen, die zeitgleich auf demselben Panel gefertigt werden, sodass Sie eine gute Impedanzbewertung erhalten, ohne die Leiterbahnen auf der eigentlichen Platine anzuzapfen. Die Testcoupon-Leiterbahnen sollten identisch mit den Platinen-Leiterbahnen sein, um einen genauen Test zu erhalten.

Typischerweise baut der Hersteller Testcoupons an beiden Enden des Produktionspanels, sodass Sie durch Testen beider Coupons eine sehr zuverlässige Impedanzmessung erhalten, ohne die Platine zu beschädigen. Tester messen Impedanz mit einem Time Domain Reflectometer (TDR) oder einem Netzwerkanalysator.

Impedanz kann mit einem Netzwerkanalysator, einem Labor-TDR oder einem kontrollierten-Impedanz-Testsystem, das TDR-Techniken einsetzt, gemessen werden. Ein Ingenieur mit Erfahrung in kontrollierten-Impedanz-Testsystemen führt den Impedanztest durch, um hochwertige Ergebnisse zu gewährleisten.

Für mehr Informationen zu kontrollierten-Impedanz-Leiterplatten oder um PCBs für Ihre Branche zu bestellen, kontaktieren Sie Millennium Circuits Limited noch heute.