Impedanzkontrollierte Leiterplatten Damit es einwandfrei »funkt« zwischen den Bauteilen

Softwareunterstützung bei Impedanzkontrolle- Grafische Darstellung der Systemreports in Hightech-Fertigungsprozess bei Becker & Müller

Impedanzkontrollierte Leiterplatten zählen zu den besonderen Schmankerln von Becker&Müller: Sie sorgen für saubere Signale zwischen den Bauteilen, halten aber auch einige technische Herausforderungen entlang der Design- und Fertigungskette bereit.

Die Miniaturisierung stellt auch an HF-taugliche Leiterplatten höhere Anforderungen: Steigende Frequenzen und kleinere Abstände zwischen den Leiterbahnen führen unweigerlich zu einer größeren gegenseitigen Beeinflussung. Parallel verlaufende Leiterbahnen wirken wie Kapazitäten, deren Blindwiderstände umgekehrt mit der Signalfrequenz abnehmen. Außerdem gilt: je länger die Leitungen parallel verlaufen, desto größer wird die Kapazität. Auf der anderen Seite gilt für immer schmalere Leiterbahnen eine Zunahme der Induktivität. Je größer Kapazität und Impedanz werden, desto niedriger wird die Grenzfrequenz. Damit nimmt eben die Dämpfung hoher Frequenzen immer stärker zu.

Der Tiefpassfilter, der dabei entsteht, macht aus einem sauberen Rechtecksignal ein mehr oder weniger verschliffenes Signal. Im Extremfall bleibt eine Sinusgrundwelle übrig. Mit der Fourieranalyse lässt sich jedes beliebige Signal in einzelne Sinus- und Cosinusschwingungen zerlegen. Dabei variieren die Amplituden und Phasenverschiebungen je nach Signal. Fügt man am Ende der Übertragungsstrecke diese einzelnen Schwingungen wieder zusammen, sollte normalerweise wieder das Originalsignal entstehen. Fehlen jedoch auf Grund des Tiefpassverhaltens der Übertragungsstrecke die eine oder andere Schwingung oder sind deren Amplituden bzw. Phasenlagen verändert, sind Abweichungen vom Originalsignal die zwingende Folge.

Wie groß diese Abweichung sein darf, hängt von vielen Faktoren ab. Zum einen muss der Signaleingang der integrierten Schaltung das empfangene Signal natürlich so weiterverarbeiten, als sei es das Originalsignal, zum anderen müssen zwei gleichzeitig generierte Signale an unterschiedlichen Eingängen auch wieder gleichzeitig ankommen (Laufzeit). In der Signalform und der zeitlichen Abfolge der Signale steckt letztendlich die Information, die durch das System verarbeitet werden soll.

Für die korrekte Signalweiterleitung innerhalb der integrierten Schaltung ist der Hersteller verantwortlich. Er definiert in seinem Datenblatt die Spezifikationen, mit denen jedes Bauteil betrieben werden muss, damit keine Fehlfunktionen auftreten. Es gehört aber auch viel Erfahrung und Knowhow des Leiterplattenherstellers dazu, um die Fertigungstoleranzen so klein wie möglich zu halten. Becker & Müller hat eigens für impedanzkontrollierte Leiterplatten einen speziellen Messplatz und kann die geforderten Eigenschaften exakt protokollieren.

Der Elektronikentwickler, der viele dieser Bauteile miteinander verschaltet, muss dafür Sorge tragen, dass auch der Signalweg in der geforderten Spezifikation liegt. Damit beispielsweise ein Schaltkreis die Dauer eines Eingangsimpulses auch richtig an seinem Ausgang ausgeben kann, sind entsprechend steile Flanken an seinem Eingang notwendig. Angenommen, die vorherige Funktionsstufe liefert einen absolut sauberen Rechteckimpuls aber die Übertragungsstrecke dämpft die hohen Signalanteile zu stark, dann ist die Anstiegsflanke des Signals dadurch deutlich flacher, was ein verspätetes Durchschalten der Eingangsstufe zur Folge hat. Damit ergibt sich bereits ein zeitlicher Versatz zwischen den Signalen.

Neben der Dämpfung und damit Verformung von Signalen gibt es ein weiteres Phänomen, das bei hohen Signalfrequenzen auftritt: die Reflexion. Sie kommt immer dann vor, wenn die Signallaufzeit auf der Leiterbahn länger als die Impulsdauer ist. Bei Reflexionen kann es ebenfalls zu Signalverfälschungen kommen. Man betrachtet eine Signalleitung, die Leiterbahn, als eine Parallelschaltung vieler kleinster Kondensatoren und einer Reihenschaltung vieler kleinster Induktivitäten und Widerstände. Der Einfachheit halber betrachten wir hier nur die Kapazitäten. In Wirklichkeit ist es etwas komplizierter.