Die enormen Fortschritte im elektronischen Bereich führten dazu, dass die Frequenzen von digitalen Signalen in vielen Kategorien von Leiterplatten exponentiell angestiegen sind, wie es das Mooresche Gesetz vorhergesagt hat. Dieser Trend wird sich in Zukunft wohl durch Datenübertragungsraten von 1 Gb/s oder mehr sowie die immer häufigere Nutzung von Ethernetschnittstellen und Netzwerkschaltern in Automobil-, Industrie- und IdD-Anwendungen fortsetzen. Der Anstieg der Datenübertragungsrate setzt zusammen mit der progressiven Reduktion des Formfaktors in den meisten elektronischen Anwendungen (beispielsweise bei tragbaren oder elektromedizinischen Geräten) ein sorgfältiges Design der Schaltkreise schon von der Leiterplatte ausgehend voraus, sodass die Integrität des Signals unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet wird. Hohe Signalübertragungsraten, Einfügungsdämpfung und eine niedrige Fehlerquote sind nur einige der Anforderungen, die Designer bei diesen Anwendungen berücksichtigen müssen. Die Signalintegrität ist keine Option, sondern für den Betrieb jeder Leiterplatte mit hochfrequenten Signalen von grundlegender Wichtigkeit.
Mit Signalintegrität ist die Verbindung aus Design, Analyse und Überprüfungen gemeint, deren Hauptziel es ist, die Integrität der elektrischen Signale zu erhalten, die sich entlang der Leiterbahnen einer Leiterplatte bewegen – sie also auf ihren Werten für Spannung, Stromstärke und Verlaufstrend zu halten. Dieser Aspekt spielt bei digitalen Schaltkreisen mit hochfrequenten Übertragungslinien (Signalen oder Takten) eine wichtige Rolle, da diese leicht durch Rauschen und Interferenzen beeinflusst werden können. In modernen elektronischen Schaltungen ist es nicht schwierig, Signale zu finden, deren Anstieg- und Abfallkurve innerhalb von einigen Zehnteln Picosekunden liegt; dies bedeutet, dass die Leiterplattenbahnen zur Vermeidung von Signalverzerrungen so designt werden müssen, dass eine hohe Bandbreite gewährleistet wird und die Spektralkomponenten des Signals nicht geändert werden. Ein sehr rasches Steigen oder Fallen der Anstieg- und Abfallkurve des Signals ist eine der Hauptursachen für ein Übersprechen und muss aus diesem Grund entsprechend berücksichtigt werden. Musste die Anforderung an die Signalintegrität früher nur bei manchen ganz besonderen Anwendungen (Militär, Luftfahrt, Telekommunikation und Medizin) eingehalten werden, so ist sie heute inzwischen bei elektronischen Schaltungen mit hochintegrierten digitalen Komponenten wie Mikroprozessoren, FPGA, SoC, Hochgeschwindigkeitsbussen und DDR-Speichern zu einer allgemeinen Anforderung geworden.
Jeder, der Geräte für den industriellen Gebrauch bzw. Geräte designt, die vor der Vermarktung stets der Genehmigung durch zertifizierte Körperschaften bedürfen, weiß, dass es schon während der ersten Phasen der Leiterplattenentwicklung nötig ist, die potenziellen Probleme im Hinblick auf die elektromagnetische Interferenz (EMI) zu berücksichtigen. Um die Tests im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (ENV) erfolgreich zu bestehen, muss sichergestellt werden, dass die durch die Leiterplatte laufenden Signale eine hohe Immunität gegen elektromagnetische Interferenz durch externe Quellen bieten, während sowohl die leitungsgeführten als auch die gestrahlten Emissionen aus dem Schaltkreis selbst eingeschränkt werden.
Die Signalintegrität hingegen zielt darauf ab, eine Leistungsminderung der Signalqualität zu vermeiden, um ein mögliches Auftreten von Verzerrungen oder Fehlern in der Übertragung von digitalen Signalen zwischen Quelle und Ziel zu verhindern. Bezüglich der Anforderung der Signalintegrität wird darauf abgezielt, Leiterplatten zu erstellen, auf denen die Signale sauber sind und die (im Hinblick auf mögliche Variationen bei Taktfrequenz, Versorgungsspannung oder Umgebungsbedingungen) einen entsprechenden Betrieb bieten. Die größten Probleme sind Signalreflexionen, Übersprechen, Ground debounce und Kopplungsphänomene. Die möglichen Verzerrungen des Signals bewegen sich in der Regel im Bereich weniger Millivolt oder Milliampere. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Signalverzerrung (in diesem Fall an der Anstieg- und Abfallkurve eines Rechtecksignals), welche die Signalintegrität potenziell beeinträchtigen könnte.
Abbildung 1: Beispiel für die Verzerrung eines Rechtecksignals.
Im Hinblick auf die elektromagnetische Interferenz liegen die beteiligten Signale im Bereich weniger Mikrovolt oder Mikroampere für Emissionen und weniger Kilovolt oder Ampere für die Immunität. Daraus ist abzuleiten, dass die für eine zufriedenstellende Signalintegrität erforderlichen Parameterwerte deutlich höher sind als jene, die für ein Bestehen der EMV-Tests im Hinblick auf (leitungsgeführte und gestrahlte) Emissionen erforderlich sind, aber niedriger sind als jene, die für die Immunität gegen elektromagnetische Interferenz erforderlich sind. Obwohl die Konzepte von Signalintegrität und elektromagnetischer Interferenz unterschiedlich sind, kommen zum Erfüllen der entsprechenden Anforderungen die gleichen Techniken im Leiterplattendesign zum Einsatz.
Anzahl, Typ und Anordnung der unterschiedlichen Ebenen der Leiterplatte müssen anhand des richtigen Kompromisses zwischen Kosten, Größe und Signalintegrität gewählt werden. Im Allgemeinen gilt die Regel, Leistungs- und Erdungsebenen einzufügen, die jedem Signal einen Rückleiter zur Erdung bieten, um eine gute Impedanzkontrolle zu gewährleisten. Diese Ebenen sollten im Lagenaufbau möglichst gleichmäßig verteilt sein, sodass neben jeder Signalebene zumindest eine davon vorhanden ist und keine Löcher oder Brüche auftreten, die den Signalpfad verändern können. Auch die Eigenschaften der verwendeten Materialien spielen eine wichtige Rolle; aus diesem Grund ist es erforderlich, die Dicke des Kupfers, die Dicke des dielektrischen Materials und die Dielektrizitätskonstante sorgfältig zu evaluieren. Die Verwendung von Standardmaterialien wie dem herkömmlichen FR-4 ist bei Schaltkreisen mit einer hohen Signalausbreitungsgeschwindigkeit nicht immer die beste Wahl. In diesen Fällen sollten besser Laminate mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante ausgewählt werden, da sie Verzerrungen und Phasenvariationen des Signals reduzieren können. Ein Beispiel dafür sind Rogers-Laminate wie Rogers RO4350. Im Vergleich zu FR-4 bieten Materialien dieses Typs besondere Eigenschaften für hohe Frequenzen – sie sind jedoch auch teurer.
Die Impedanzkontrolle besteht darin, die richtige Kopplung zwischen der Größe/Position der Leiterplattenbahnen und den Eigenschaften des Substrats zu finden und so sicherzustellen, dass die Intensität des Signals entlang einer Leiterbahn innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt. Je besser die Kopplung ist, desto größer ist die Signalstärke. Eine schlechte Kopplung führt jedoch zu einem Leistungsverlust und dadurch zu Problemen mit der Signalintegrität.
Um eine Kopplung mit guter Impedanz zu erreichen, müssen Leiterplattenbahnen eine gleichförmige Geometrie aufweisen; dies gewährleistet eine konsistente Dielektrizitätskonstante entlang der gesamten Leiterbahn. Der Designer kann den Impedanzwert durch Beeinflussung der Leiterbahnbreite und mit einem speziellen Rechner, der auch online verfügbar ist, prüfen. Ignoriert der Designer diesen Aspekt, können Signalreflexionen auftreten und eine Rückkehr des Signals zum Ausgangspunkt verursachen. Dies reduziert die am Ziel eingehende Signalstärke und das Erzeugen von elektromagnetischer Interferenz. Besondere Vorsicht gilt bei mehrschichtigen Leiterplatten; hier kann es vorkommen, dass eine Leiterbahn mit einer Impedanz von 40 Ω auf einer benachbarten Ebene mit einer Impedanz von 50 Ω weiterlaufen muss, was eine Signalreflexion verursacht. Eine gute Impedanzkontrolle muss sicherstellen, dass die Impedanz auf jedem Punkt der Leiterbahn konstant bleibt, auch wenn diese unterschiedliche Ebenen kreuzt.
Ein praktisches Tool zur raschen und intuitiven Beurteilung der Qualität eines digitalen Signals ist das Augendiagramm, das Verzerrungen des Signals entlang der Übertragungsleitung aufzeigt. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel eines Augendiagramms für einen Fall hervorragender Signalintegrität (linkes Bild) und einen Fall schlechter Signalintegrität (rechtes Bild).
Abbildung 2: Ein Beispiel für ein Augendiagramm.
Um eine gute Signalintegrität zu gewährleisten, sollten sich Designer auf Leiterbahnen konzentrieren, die Hochgeschwindigkeitssignale tragen, vor allem auf jenen Wegen, die das Signal zwischen dem Ursprung und dem Ziel zurücklegt, sowie auf den Wegen der Rückleiter zur Erdung. Nachfolgend die wichtigsten Regeln für ein effektives Signalrouting:
Ein Übersprechen tritt als unerwünschte induktive oder kapazitive Kopplung zwischen Signalen auf, die benachbarte Leiterplattenbahnen kreuzen. Im Fall von Hochgeschwindigkeitssignalen kann ein Übersprechen zu einer Verschlechterung der Signalqualität führen, die deterministisch und repetitiv oft sehr schwierig zu erkennen ist. Die klassische Lösung für dieses Problem liegt in einem entsprechenden Abstand zwischen den Hochfrequenz-/Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen und wenn möglich in der Verwendung des noch verfügbaren Zwischenbereichs für die weniger kritischen Leiterbahnen. Größere Abstände bieten einen unmittelbaren Vorteil, da sich die Kopplungseffekte umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Leiterbahnen verhalten.