Welchen Nutzen hat die Impedanzkontrolle auf Leiterplatten?

Bei analogen oder hochfrequenten digitalen Schaltungen ist es entscheidend, die Integrität der sich auf der Leiterplatte ausbreitenden Signale zu gewährleisten. Tatsächlich werden Signale über 100 MHz durch die Impedanz der Leiterbahnen beeinflusst, die, sofern diese nicht richtig berücksichtigt werden, zu ungelegenen Fehlern führen können und besonders schwer zu analysieren sind. Glücklicherweise ermöglicht die Impedanzkontrolle dem Leiterplattendesigner und -hersteller, dieses Phänomen zu beherrschen.

Was ist eine Impedanz?

Die Impedanz misst den Widerstand einer elektrischen Schaltung, wenn ein Wechselstrom durch diese fließt. Sie ist die Kombination aus Kapazität und Induktion einer hochfrequenten elektrischen Schaltung. Die Impedanz wird, wie der Widerstand, in Ohm gemessen. Die beiden Werte dürfen jedoch nicht verwechselt werden, da der Widerstand charakteristisch für Gleichstrom ist. Wenn ein Signal von einem Leiter mit einer bestimmten Impedanz zu einem anderen mit der gleichen Impedanz gelangt, wird es optimal übertragen. Im Umkehrschluss treten bei unterschiedlichen Impedanzen Reflexionen und Abschwächungen auf, die für eine Verschlechterung des Signals sorgen.

Woran wird die Impedanz gemessen?

Im Allgemeinen liegt die Impedanz einer Leiterbahn zwischen 25 und 125 Ohm und hängt von den folgenden Faktoren ab:

• Breite und Stärke der Kupferbahn
• Signalpassage durch Durchkontaktierungen
• Dicke des Kern- oder Prepregmaterials beidseitig der Leiterbahn
• Dielektrizitätskonstante des Kern- und Prepregmaterials
• Abstand zur Referenzkupferebene
• Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Lötstopplack

Der Leiterplattendesigner muss daher sicherstellen, dass bei hochfrequenten Signalen durch seine Wahl von Leiterbahnenführung und Stackup ein Impedanz-Sollwert mit einer bestimmten Toleranz erreicht wird. Modernste elektronische CAD-Software führt diese Berechnungen automatisch durch.

Was ist Impedanzkontrolle?

Die Impedanzkontrolle besteht darin, die Impedanz bestimmter Leiterbahnen bereits bei der Herstellung der Leiterplatte zu messen und sicherzustellen, dass sie innerhalb der vom Konstrukteur kommunizierten Grenzen liegt. Diese Technik ist zwar kostspielig, ist jedoch seit Anfang der 2000er Jahre mit der kontinuierlichen Zunahme der Frequenzen von elektronischen Komponenten salonfähig geworden. Sie wird beispielsweise in den folgenden Produkten eingesetzt:

• Analoge und digitale Telekommunikation
• Videosignalverarbeitung
• Internet-Box, Fernseher, GPS, Videospiele, Digitalkamera
• Computer, Tablet-PC, Mobiltelefone
• Motorsteuerungsmodule

Wozu dient die Impedanzkontrolle auf Leiterplatten?

Wenn ein Signal eine bestimmte Impedanz aufweisen muss, um ordnungsgemäß zu funktionieren, sollte die kontrollierte Impedanz bevorzugt werden. In Hochfrequenzanwendungen ist die Aufrechterhaltung einer konstanten Impedanz über die gesamte Leiterplatte unerlässlich, um die Integrität der übertragenen Daten und die Klarheit des Signals zu gewährleisten. Je länger die Leitungsbahn oder je höher die Frequenz, desto mehr Anpassungen sind notwendig. Ein Mangel an Strenge auf diesem Niveau kann die Schaltzeiten eines elektronischen Gerätes oder einer elektronischen Schaltung erhöhen und unbeabsichtigte Fehler verursachen.

Unkontrollierte Impedanz lässt sich nach der Montage der Komponenten auf der Schaltung nur sehr schwierig analysieren. Die Komponenten haben je nach Charge eine unterschiedliche Toleranzkapazität. Darüber hinaus werden ihre Eigenschaften durch Temperaturschwankungen beeinflusst, die zu Fehlfunktionen führen können. In einem derartigen Fall mag der Austausch einer Komponente auf den ersten Blick die Lösung darstellen, aber in Wirklichkeit ist es die unzureichende Impedanz der Leiterbahnen, die ein Problem darstellt.

Daher muss bereits im Vorfeld bei der Konstruktion der Leiterplatte die Impedanz der Leiterbahnen und deren Toleranz überprüft werden. Der Konstrukteur muss mit dem Hersteller zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die Werte der Komponenten konform sind.