Schlüsselfaktoren für PCB-charakteristische Impedanz & praktische Lösungen

Um Entwicklungsanforderungen wie Miniaturisierung, Digitalisierung, Hochfrequenz und Multifunktionalität zu genügen, bestimmen Metallleiter auf PCBs (Printed Circuit Boards) als Verbindungsbauelemente in elektronischen Geräten nicht nur Stromflussöffnung, sondern fungieren auch als Signalübertragungsleitungen. Mit anderen Worten: Elektrischer Test an PCBs für Hochfrequenz- und High-Speed-Digitalsignale muss einerseits Durchgang, Unterbrechung und Kurzschluss der Schaltungen bestätigen. Andererseits muss sichergestellt sein, dass charakteristische Impedanz nie den regulierten Bereich überschreitet. Ein Wort: Eine Leiterplatte erreicht Konformität nur, wenn beide Anforderungen erfüllt sind.

Schaltungsleistung durch PCBs muss sicherstellen: Keine Reflexion während Signalübertragung; Signale bleiben integriert; Übertragungsverlust reduziert mit Impedanzmatching. Folglich: Übertragungssignale integral, zuverlässig, präzise ohne Interferenz oder Rauschen. Dieser Artikel fokussiert charakteristische Impedanzkontrolle von Multilayer-Boards mit Microstrip-Struktur.

Surface Microstrip und charakteristische Impedanz

Mit hoher charakteristischer Impedanz wurde Surface Microstrip breit in PCB-Fertigung angewendet. Eine Signalebene wird als äußere Lage für Impedanzkontrolle gesetzt, Isoliermaterial trennt Signalebene und angrenzende Referenzebene (Datum Plane) – deutlich im Bild unten.

Charakteristische Impedanz berechenbar durch Formel: .

Dabei: Z₀ = charakteristische Impedanz; εᵣ = Dielektrizitätskonstante Isoliermaterial; h = Isoliermaterialdicke zwischen Leiter und Referenzebene; w = Leiterbreite; t = Leiterdicke. Die folgende Abbildung verdeutlicht jeden Parameter.

Basierend auf der Formel: Elemente, die charakteristische Impedanz beeinflussen:
a. Dielektrizitätskonstante Isoliermaterial (εᵣ);
b. Isoliermaterialdicke (h);
c. Leiterbreite (w);
d. Leiterdicke (t).

Weiterhin: Charakteristische Impedanz eng mit Substratmaterial (CCL-Material) verknüpft. Daher viele Überlegungen bei Substratmaterialauswahl nötig.

Dielektrizitätskonstante und ihre Effekte

Dielektrizitätskonstante wird von Materialherstellern bei Frequenz < 1 MHz gemessen. Selbst gleiche Materialart kann bei verschiedenen Herstellern abweichen durch unterschiedlichen Harzgehalt. Beispiel Epoxid-Glasgewebe: Beziehung zwischen Dielektrizitätskonstante und Frequenz in folgender Abbildung zusammengefasst.

Offensichtlich: Dielektrizitätskonstante sinkt mit Frequenzsteigerung. Daher Dielektrizitätskonstante nach Betriebsfrequenz bestimmen – Mittelwert genügt für gewöhnliche Anforderungen. Signalübertragungsgeschwindigkeit sinkt mit steigender Dielektrizitätskonstante → Dielektrizitätskonstante verringern für hohe Signalgeschwindigkeit. Hohe charakteristische Impedanz für hohe Übertragungsgeschwindigkeit nötig → Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante.

Leiterbreite und -dicke

Leiterbreite ist einer der einflussreichsten Faktoren für charakteristische Impedanz. Abbildung 4 zeigt Beziehung zwischen charakteristischer Impedanz und Leiterbreite.

Basierend auf Abbildung 4: Ändert sich Leiterbreite um 0,025 mm, ändert sich Impedanz um 5–6 Ohm. In praktischer PCB-Fertigung: Wird Kupferfolie mit Breitentoleranz 18 µm als Signalebene für Impedanzkontrolle gewählt, beträgt zulässige Leiterbreitentoleranz ±0,015 mm. Bei 35 µm Kupferfolie: ±0,003 mm. Fazit: Leiterbreitenänderung → drastische Impedanzänderung. Designer legen Leiterbreite basierend auf multiplen Designanforderungen fest – muss nicht nur Stromkapazität und Temperaturanstieg genügen, sondern Impedanz auf Erwartungswert führen. Daher Leiterbreite sicherstellen: kompatibel mit Designanforderung, innerhalb zulässiger Toleranz.

Leiterdicke muss nach erforderlicher Stromkapazität und zulässigem Temperaturanstieg bestimmt werden. In Fertigung: Beschichtungsdicke im Durchschnitt 25 µm. Leiterdicke = Kupferfolliendicke + Beschichtungsdicke. Hinweis: Leiteroberfläche vor Galvanik reinigen → Verunreinigungen entfernen. Andernfalls ungleichmäßige Leiterdicke → beeinträchtigt charakteristische Impedanz.

Isoliermaterialdicke

Basierend auf Impedanzformel: Charakteristische Impedanz direkt proportional zum natürlichen Logarithmus der Isoliermaterialdicke (h). Je größer "h", desto größer "Z₀". Isoliermaterialdicke also entscheidend für charakteristische Impedanz. Da Leiterbreite und Dielektrizitätskonstante vor Fertigung festgelegt, Leiterdicke als fester Wert betrachtbar, ist Kontrolle der Laminationsdicke primäre Methode zur Impedanzkontrolle. Beziehung Leiterdicke vs. charakteristische Impedanz in folgender Abbildung.

Aus Abbildung: Dickenzunahme um 0,025 mm → charakteristische Impedanz ändert sich um 5–8 Ohm. In PCB-Fertigung kann Änderung jedes Prepreg-Layers große Änderung verursachen. Tatsächlich: Prepregs verschiedener Typen als Isoliermaterial gewählt, Dicke durch Prepreg-Anzahl bestimmt. Beispiel Microstrip: Abbildung 3 für Dielektrizitätskonstante basierend auf Arbeitsfrequenz, dann charakteristische Impedanz berechnen. Danach mit Leiterbreite und berechneter Impedanz Abbildung 4 für Isoliermaterialdicke nutzen, woraus Prepreg-Typ und -Anzahl basierend auf CCL- und Kupferfolliendicke abgeleitet werden.

Gemäß Abbildung 5: Microstrip-Struktur weist höhere charakteristische Impedanz als Stripline bei gleicher Isoliermaterialdicke auf. Daher Microstrip bevorzugt für Hochfrequenz- und High-Speed-Digitalsignalübertragung. Charakteristische Impedanz steigt mit Isoliermaterialdicke. Bei Hochfrequenzschaltungen mit strenger Impedanz: CCL-Isoliermaterialdicke strenge Toleranz halten – meist ≤ 10 %. Bei Multilayer-Boards: Isoliermaterialdicke auch Fertigungsparameter → streng kontrollieren.

Fazit: Selbst geringfügige Änderungen bei Leiterbreite, Leiterdicke, Dielektrizitätskonstante, Isoliermaterialdicke ändern charakteristische Impedanz. Eng verknüpft mit weiteren Elementen. Daher für Hersteller signifikante Notwendigkeit: Elemente, die Impedanzänderungen auslösen, vollständig kennen und Fertigungsparameter anpassen, damit charakteristische Impedanz in akzeptablem Bereich bleibt.

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