Applikationsschrift 120

Einführung in kontrollierte Impedanzen

Da die Signalfrequenzen auf den Leiterplatten ständig steigen, müssen Leiterplattenentwickler die Impedanz von Leiterbahnen berücksichtigen und definieren. Durch die kurzen Schaltzeiten und hohen Taktfrequenzen moderner Schaltkreise sind Leiterbahnen nicht länger nur einfache Verbindungen, sondern müssen als Übertragungsleitungen nach der Leitungstheorie betrachtet werden.

Was ist eine kontrollierte Impedanz?

Ein bekanntes Beispiel einer kontrollierten Impedanz ist das Kabel, welches die Fernsehantenne mit dem Empfangsgerät verbindet. Antennenkabel haben meist die Form einer flachen Zweidrahtleitung oder eines runden Koaxialkabels. In beiden Fällen wird die Impedanz durch die Abmessungen und das Material des Kabels bestimmt.

Sie können sich die Leiterbahnen einer Leiterplatte als kurze Kabel vorstellen, welche präzise Abmessungen haben und die Leiterbahn ähnlich dem Innenleiter eines Koaxialkabels das Signal führt und vom Rückleiter (meist eine Massefläche) durch das Laminat isoliert ist. Ein Beispiel hierfür finden Sie in der Microstrip-Konfiguration in Abb.1.

Die Abmessungen für die Leiterbahnbreite W und W1, Dicke T und Laminatstärke H sowie die Dielektrizitätskonstante Er müssen strikt eingehalten werden. Lötstoplack auf der Oberfläche reduziert die Impedanz geringfügig. Es wird daher sehr häufig die besser kontrollierbare Stripline-Konfiguration wie in Abb. 2 verwendet.  

Warum muss die Impedanz kontrolliert werden?

Die Empfangsantenne besitzt eine natürliche oder charakteristische Impedanz. Die Theorie besagt, dass zur optimalen Leistungsübertragung von der Antenne zum Empfänger (und zur Erhaltung der Signalqualität) die Impedanz der Übertragungsleitung und des Empfängers jener der Antenne entsprechen muss. Mit anderen Worten, das Signal sollte idealerweise eine konstante Impedanz vorfinden, wenn es von der Quelle zum Empfänger reist. Im Falle einer Fehlanpassung wird nur ein Teil des Signals übertragen, der Rest wird zur Einspeisestelle zurückreflektiert (was die Signalqualität beeinflusst). Kabelentwickler achten daher sehr genau auf gleichmässige Kabelabmessungen und Materialeigenschaften. Bei hohen Schaltgeschwindigkeiten müssen die elektrischen Eigenschaften des Kabels wie z.B. Kapazität und Induktivität berücksichtigt werden und Kabel können nicht mehr als einfache Verbindungen betrachtet werden. Hochfrequenzleitungen, bei welchen diese Faktoren berücksichtigt werden, nennt man daher Übertragungsleitungen.

Kontrollierte Impedanzen auf Leiterplatten

Da auch die Signalfrequenzen auf den Leiterplatten steigen, gewinnen die elektrischen Eigenschaften der Leiterbahnen die diese Signale übertragen an Bedeutung. Die Impedanz einer Leiterbahn hängt von folgenden Faktoren ab:

• der gewählten Konfiguration (Microstrip, Stripline etc.)
• den Abmessungen (Leiterbahnbreite und Dicke sowie die Stärke des Basismaterials)
• der Dielektrizitätskonstante Er des Basismaterials

Wie bei einem Kabel wird  bei Auftreffen des Signals auf eine Impedanzänderung (z.B. durch eine Änderung des Materials oder der Geometrie) ein Teil des Signals reflektiert und ein Teil übertragen. Diese Reflektionen verursachen Störungen des Signals und beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit der Schaltung. (z.B. geringere Verstärkung, Rauschen und zufällige Fehler). In der Praxis spezifizieren die Schaltungsentwickler die Impedanzen und die erlaubten Toleranzen für die Leiterbahnen und fordern von den Leiterplattenherstellern die Einhaltung dieser Spezifikationen.

Testen der Leiterplatte

Der größte Anteil impedanzkontrollierter Leiterplatten wird einer Impedanzprüfung unterzogen. Es ist jedoch häufig der Fall, dass die Leiterbahnen nicht für einen Test zugänglich sind. Oft sind die Leiterbahnen auch zu kurz oder weisen Abzweigungen oder Durchkontaktierungen auf, was ein genaue Impedanzmessung erschwert oder unmöglich macht. Das Hinzufügen von Pads und Vias für Testzwecke würde die Schaltung beeinflussen und zusätzlichen Platz benötigen. Der Test der Leiterplatte wird daher nicht auf dem Board selbst sondern auf einem oder zwei integrierter Testcoupons auf dem Panel durchgeführt. Der Coupon weist die gleiche Lagen- und Leiterbahnstruktur wie die Leiterplatte und enthält Leiterbahnen mit exakt den gleichen Impedanzen wie die Leiterplatte. Der Coupon wird daher stellvertretend für die Leiterplatte gemessen und ermöglicht exakte Rückschlüsse auf die Impedanzen auf der Leiterplatte. Zusätzlich können auf dem Testcoupon ideale Kontaktpunkte für die Prüfspitze vorgesehen werden.

Messung der kontrollierten Impedanz

Impedanzmessungen werden üblicherweise mit einem Zeitbereichsreflektometer (TDR) durchgeführt. Das TDR legt über ein impedanzangepasstes Kabel und Prüfspitze einen steilflankigen Impuls an den Coupon. Reflektionen des Pulses werden auf dem TDR dargestellt und weisen auf eine Änderung der Impedanz hin. Das TDR ist in der Lage, den Ort und die Größe der Diskontinuität anzuzeigen. Mittels entsprechender Software kann das TDR den Impedanzverlauf über der Leiterbahnlänge darstellen. Die resultierende grafische Anzeige der charakteristischen Impedanz ermöglicht die Messung der Impedanz auch in einer Produktionsumgebung.