Via-Impedanz optimieren für überlegene Signalintegrität in Hochfrequenz-PCBs

Vias fungieren als Leiter, die Leiterbahnen über verschiedene Lagen eines Multilayer-PCBs (Printed Circuit Board) verbinden. Bei niedrigen Frequenzen beeinflussen Vias die Signalübertragung nicht. Steigt die Frequenz (über 1 GHz) und wird die Signalflanke steil (≤ 1 ns), können Vias nicht mehr als reine elektrische Verbindungen betrachtet werden – ihr Einfluss auf die Signalintegrität muss sorgfältig berücksichtigt werden. Vias verhalten sich als Unterbrechungspunkte mit diskontinuierlicher Impedanz auf der Übertragungsleitung, was Signalreflexionen verursacht. Die Hauptprobleme konzentrieren sich jedoch auf parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität. Der Einfluss der parasitären Via-Kapazität besteht primär in der Verlängerung der Signalanstiegszeit und Verringerung der Schaltungsgeschwindigkeit. Parasitäre Induktivität schwächt hingegen die Bypass-Kondensator-Wirkung und verringert die Filterfunktion des gesamten Powersystems. Dieser Artikel zeigt, wie Via-Impedanzkontrolle die Signalintegrität beeinflusst, und gibt Designempfehlungen.

Einfluss von Vias auf Impedanzkontinuität

Laut TDR-Kurve (Time Domain Reflectometer) bei Via-Präsenz und -Abwesenheit tritt offensichtliche Signallaufzeitverzögerung bei Via-Präsenz auf. Ohne Via beträgt die Signalübertragungszeit zum zweiten Testloch 458 ps, mit Via 480 ps. Das Via verzögert das Signal also um 22 ps.

Signalverzögerung resultiert hauptsächlich aus parasitärer Via-Kapazität, berechnet durch folgende Formel:

Dabei: D₂ = Pad-Durchmesser (mm) auf Ground, D₁ = Via-Pad-Durchmesser (mm), T = PCB-Dicke (mm), εᵣ = Dielektrizitätskonstante des Substrats, C = parasitäre Kapazität (pF) des Vias.

Via-Länge in dieser Diskussion: 0,96 mm, Via-Durchmesser 0,3 mm, Pad-Durchmesser 0,5 mm, Dielektrizitätskonstante 4,2. Eingesetzt in die Formel ergibt sich parasitäre Kapazität ≈ 0,562 pF. Bei einer Signalübertragungsleitung mit 50 Ω Wellenwiderstand verursacht dieses Via Änderungen der Signal-Anstiegszeit, berechnet durch:

Basierend auf der Formel beträgt die Anstiegszeitänderung durch Via-Kapazität 30,9 ps – 9 ps mehr als das gemessene Ergebnis (22 ps), was eine Abweichung zwischen Theorie und Praxis zeigt.

Fazit: Signallaufzeitverzögerung durch parasitäre Via-Kapazität ist nicht gravierend. Im High-Speed-Design muss jedoch besonders auf Lagenwechsel mit multiplen Vias in der Leiterführung geachtet werden.

Im Vergleich zur parasitären Kapazität verursacht die parasitäre Induktivität von Vias größeren Schaden. Parasitäre Induktivität berechnet sich nach:

L = parasitäre Induktivität (nH), h = Via-Länge (mm), d = Via-Durchmesser (mm). Äquivalente Impedanz durch parasitäre Induktivität:

Testsignal-Anstiegszeit 500 ps, äquivalente Impedanz 4,28 Ω. Impedanzänderung durch Vias erreicht jedoch > 12 Ω – gemessener Wert weist extreme Abweichung zum theoretisch berechneten Wert auf.

Einfluss des Via-Durchmessers auf Impedanzkontinuität

Experimente zeigen: Je größer der Via-Durchmesser, desto mehr Diskontinuität verursacht das Via. Im High-Frequency/High-Speed-PCB-Design wird Impedanzänderung meist auf ±10 % begrenzt, sonst droht Signaldistortion.

Einfluss der Pad-Größe auf Impedanzkontinuität

Parasitäre Kapazität hat extrem großen Einfluss auf Resonanzpunkte im Hochfrequenzsignalband – Bandbreite verschiebt sich mit parasitärer Kapazität. Hauptelement für parasitäre Kapazität ist Pad-Größe mit äquivalentem Einfluss auf Signalintegrität. Je größer der Pad-Durchmesser, desto mehr Impedanzdiskontinuität.

Bei Pad-Durchmesseränderung von 0,5 mm auf 1,3 mm wird Impedanzdiskontinuität durch Vias stetig reduziert. Erhöht sich Pad-Größe von 0,5 mm auf 0,7 mm, ändert sich Impedanz relativ stark. Bei weiter steigender Pad-Größe wird Via-Impedanzänderung glatter. Daher: Je größer der Pad-Durchmesser, desto geringer die durch Vias ausgelöste Impedanzdiskontinuität.

Rückstrompfad für Via-Signale

Grundprinzip: Hochfrequenter Rückstrom fließt entlang des Pfads mit geringster Induktivität. Da ein PCB mehrere Ground-Planes enthält, fließt der Rückstrom direkt auf dem dem Signalleiter nächstgelegenen Ground-Plane. Wenn alle Signalströme von einem Punkt zum anderen auf derselben Ebene fließen, Signale aber durch ein Via von einer Lage zur anderen geführt werden, kann der Rückstrom nicht "springen", wenn keine Ground-Verbindung besteht.

Im High-Speed-PCB-Design kann dem Via-Signalstrom ein Rückpfad bereitgestellt werden, um Impedanzmismatch zu eliminieren. Um das Via herum kann ein Ground-Via designed werden, das Rückpfad für Signalstrom bietet – eine Induktivitätsschleife zwischen Signal-Via und Ground-Via entsteht. Selbst wenn Impedanzdiskontinuität durch Via-Einfluss entsteht, kann Strom zur Induktivitätsschleife fließen und Signalqualität verbessern.

Signalintegrität von Vias

S-Parameter können den Via-Einfluss auf Signalintegrität bewerten – sie repräsentieren Eigenschaften aller Kanalelemente: Verlust, Dämpfung, Reflexion etc. Experimente zeigen: Ground-Vias reduzieren Übertragungsverlust, und je mehr Ground-Vias um Vias herum platziert werden, desto geringer der Übertragungsverlust. Hinzufügen von Ground-Vias um Vias verringert via-bedingte Verluste teilweise.

Aus der Diskussion lassen sich zwei Schlussfolgerungen ziehen:
a. Impedanzdiskontinuität durch Vias wird von Via-Durchmesser und Pad-Größe beeinflusst. Je größer Via- und Pad-Durchmesser, desto schwerer die Impedanzdiskontinuität. Impedanzdiskontinuität nimmt mit steigender Pad-Größe ab.
b. Hinzufügen von Ground-Vias verbessert Via-Impedanzdiskontinuität deutlich – kontrollierbar innerhalb ±10 %. Zudem erhöht es die Signalintegrität evident.

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