Impedanzkontrolle: So legen Sie die Anforderungen für Leiterplattenhersteller fest

Zachariah Peterson
|  Erstellt: August 13, 2021  |  Aktualisiert am: August 12, 2022
PCB-Herstellung Impedanzkontrolle

Dieser Moment, in dem Sie eine Leiterplatte in die Fertigung geben, kann nervenaufreibend sein – insbesondere bei neuen Designs. Um sicherzustellen, dass Ihr Design zuverlässig produziert werden kann, müssen Sie gewährleisten, dass Sie Ihrem Hersteller und Bestücker Ihre Anforderungen vollständig mitteilen. Ein wichtiger Aspekt, der vor der Leiterplattenherstellung klar spezifiziert werden muss, sind die Ziele für die Impedanzkontrolle. So lässt sich Verwirrung vermeiden und die Designüberprüfung kann schnell durchgeführt werden.

Wie teilen Sie Leiterplattenherstellern Ihre Anforderungen für die Impedanzkontrolle mit?

Wie bei so vielen Fragen bezüglich des Leiterplattendesigns lautet die Antwort: es kommt darauf an. Aber wenn Sie Ihre Hausaufgaben bereits vorab machen, ist die Prüfung Ihrer Impedanzkalkulationen für Ihren Hersteller umso einfacher.

Alle Hersteller müssen ein gewisses Maß an Front-End-Engineering leisten, um Ihre Leiterplatte in die Fertigung zu bringen. Zum Teil geht es darum, zu überprüfen, ob Ihr Lagenaufbau mit dem Materialbestand des Unternehmens herstellbar ist, was sich zwangsläufig auch auf die Impedanz auswirkt. Einige Fragen, die Sie vielleicht bedenken sollten, sind:

  • Fordern Sie Designdienstleistungen von Ihrem Hersteller an?
  • Muss der Hersteller Tests oder Impedanzmessungen durchführen?
  • Welche Materialien hat er selbst vorrätig oder kann diese über Partner beschaffen, und werden diese in Ihrem Design funktionieren?

Manchmal müssen Sie die Impedanz angeben, je nachdem, welches Servicelevel Sie von Ihrem Hersteller erwarten. Die günstigsten Hersteller werden Sie wahrscheinlich nicht einmal nach der Impedanz fragen – sie werden einfach das produzieren, was Sie ihnen geben, und dabei nur minimale Prüfungen durchführen. Manchmal ist ein Design bereits ausreichend qualifiziert und getestet, sodass ein Hersteller lediglich eine kurze Designüberprüfung vornehmen muss, bevor er die Platte in die Fertigung gibt. Möglicherweise muss er jedoch Ihre Impedanz anhand ihrer Lagenaufbautabellen und verfügbaren Materialbestände überprüfen, um sicherzustellen, dass er Ihr Impedanzziel erreichen kann. Auf dem höchsten Servicelevel entwirft Ihr Hersteller Ihren Lagenaufbau für Sie und teilt Ihnen mit, mit welcher Leiterbahnbreite Ihre gewünschte Impedanz erreicht werden kann.

Wenn Sie Anforderungen an die Impedanzkontrolle für Ihren Leiterplattenhersteller angeben müssen, gibt es dafür eine Reihe von gängigen Möglichkeiten.

Geben Sie Ihrem Hersteller eine Lagenaufbautabelle

Wenn Sie eine vollständige Lagenaufbautabelle erstellt haben, können Sie dort Ihre Impedanzkontrollspezifikationen als Hinweis für Ihren Leiterplattenhersteller angeben. In der Regel sollten dabei die folgenden Informationen angegeben werden:

  1. Leiterbahnbreite, die Sie für die erforderliche Impedanz an einzelnen Endpunkten ermittelt haben
  2. Wiederholen Sie Nr. 1 für die differentielle Impedanz
  3. Wiederholen Sie Nr. 1 und Nr. 2 für jede Lage
  4. Geben Sie diese Werte für jede Übertragungsleitungsgeometrie auf jeder Lage an (koplanar bzw. Mikrostreifen/Streifenleitung).

Diese Punkte müssen unbedingt klar angegeben werden, da auf verschiedenen Lagen unterschiedliche Leiterbahngeometrien vorliegen können, die womöglich auch unterschiedliche Impedanzwerte haben. Ihre Angaben zur Leiterplattenherstellung müssen unbedingt vollständig und klar verständlich sein. Die Bestimmung aller für die Impedanzziele erforderlichen Leiterbahnbreiten ist einer der wesentlichen Schritte der vorangehenden technischen Arbeit, die normalerweise von den Designern durchgeführt werden sollte. Die Verwendung eines korrekten Rechners für den Lagenaufbau mit integriertem Feldlöser macht dies einfach.

Lagenaufbautabelle
Beispielhafte Lagenaufbau-Tabelle, erstellt mit dem Draftsman- Werkzeug in Altium Designer.

Wenn Sie eine Lagenaufbautabelle für Ihre Leiterplatte entwickeln, sollten Sie dabei die erforderliche Leiterbahnbreite für Ihr Impedanzziel angeben, wie oben gezeigt. Das obige Bild ist ein Beispiel, bei dem die Prepreg-Dicke zwischen den Lagen 1–2 und zwischen 3–4 nicht festgelegt wurde. Die Laminierung und die Dicke werden bei der Designüberprüfung vom Hersteller festgelegt. Deshalb sollten Sie sich an einen Hersteller wenden, der den von Ihnen gewünschten Lagenaufbau und die Leiterbahnbreite umsetzen kann. So stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Impedanzziele erreichen.

Wenn Sie Ihr Projekt korrekt begonnen und zuerst mit Ihrem Hersteller gesprochen haben, erhalten Sie von ihm eine Lagenaufbautabelle, in der die für eine bestimmte Impedanz erforderlichen Leiterbahnbreiten angegeben sind. Sofern er Ihre erforderlichen Materialien genehmigt oder ein geeignetes Ersatzmaterial vorrätig hat, wird er einen Aufbau zurücksenden, der so berechnet ist, dass er Ihre Impedanzanforderungen mit den angegebenen Leiterbahnbreiten und -abständen (für differentielle Paare) erfüllt. Wenn Sie Ihre Lagenaufbautabelle in Ihren Fertigungszeichnungen erstellen, befolgen Sie den ursprünglichen Lagenaufbau des Herstellers und fügen Sie die Impedanzspezifikation als Notiz neben der Lagenaufbautabelle hinzu.

Geben Sie die Impedanz in Ihren Herstellungshinweisen an

Designer tun das in der Regel, wenn sie nur die Impedanzanpassung im Blick haben und die Leiterplatte dabei nicht gemäß den Materialbeständen des Herstellers entwerfen. FR4-Laminierungen und weitere Materialien können durch andere ersetzt werden, aber dabei können Änderungen der Leiterbahnbreiten in Ihrem Design erforderlich sein, um die Impedanzziele zu erreichen. In der Regel wählt der Designer ein Material, das einem bestimmten Slash-Sheet entspricht und das wahrscheinlich eine bestimmte thermische Eigenschaft hat, die ihm wichtig ist. Er verwendet dann die entsprechende dielektrische Konstante, um die Leiterbahnbreite zu bestimmen, die für eine bestimmte Impedanz erforderlich ist.

Die Impedanz wird dann in einer Notiz in der Leiterplatten-Fertigungszeichnung angegeben.

IMPEDANZANFORDERUNGEN:
1. ??? OHM IMPEDANZ ERFORDERLICH FÜR LEITERBAHNEN VON X,XXX MIL SPUREN AUF LAGEN X, Y, Z. 
2. ??? OHM DIFFERENZIELLE IMPEDANZ ERFORDERLICH AUF LEITERBAHNEN VON X,XXX MIL SPUREN / X,XXX MIL ABSTÄNDEN AUF LAGEN X, Y, Z.

Das ist in Ordnung, solange Sie sich sicher sein können, dass Ihr Hersteller Ersatzmaterialien verwenden kann, mit denen die Impedanz in jeder Lage Ihre Ziele erreicht. Dies ist ein weiterer Grund, frühzeitig mit Ihrem Hersteller zu sprechen. Fragen Sie ihn nach seinen Standardlagenaufbauten und Designregeln, damit Sie später keine Designänderungen vornehmen müssen.

Erstellen Sie eine Impedanztabelle

Eine Möglichkeit besteht darin, eine kleine Tabelle in Ihre Fertigungszeichnung einzufügen, in der alle Impedanzanforderungen für jede Lage zusammengefasst sind. Auch hier geben Sie nur einen einzelnen Breiten- und Impedanzwert für die jeweilige Lage an. Dies ist entweder die Impedanz, die Sie mit einem Lagenaufbaurechner ermittelt haben, oder es ist das Impedanzziel, das der Hersteller laut Ihrem Design erreichen muss. Ein einfaches Beispiel für eine (farbliche) Impedanztabelle, die Sie in Ihre Herstellungshinweise einfügen können, ist unten dargestellt.

Impedanztabelle mit Angaben zur Impedanz für jede Lage
Beispielhafte Lagenaufbau-Tabelle, erstellt mit dem Draftsman- Werkzeug in Altium Designer.

Nutzen Sie die Leistungsbeschreibung

Bei kleinen Fertigungsserien mit Rapid-Prototyping-Dienstleistungen wird fast nie eine Leistungsbeschreibung (SOW, Statement of Work) verlangt. In der Regel reichen Sie Ihre Designdaten dann einfach über ein Online-Portal oder per E-Mail ein. Der Hersteller erstellt dann ein Angebot und gibt Ihr Design in die Produktion, sofern es einige grundlegende DFM-Prüfungen besteht. Bei größeren Aufträgen muss eine Leistungsbeschreibung von Ihnen (dem Kunden) eingereicht werden, und der Hersteller fügt dann eine Liste seiner Aufgaben und Anforderungen hinzu, die Sie vor Beginn der Produktion genehmigen müssen.

Wenn Sie mit dem Leiterplattenhersteller in Kontakt treten, schadet es nicht, eine Leistungsbeschreibung oder eine Anforderungsliste mit Ihren Impedanzzielen zusammenzustellen. So können Sie gewährleisten, dass Sie einander richtig verstehen. Falls Sie eine umfassende Designüberprüfung angefordert haben, wird er Ihren Lagenaufbau und das Routing überprüfen, um sicherzustellen, dass die Spezifikationen in Ihrer Leistungsbeschreibung eingehalten werden.

Was müssen Sie sonst noch angeben?

Impedanzanforderungen sind nicht der einzige Aspekt, den Sie in einem Design festlegen müssen, gehört aber zu den wichtigsten Punkten für moderne Leiterplatten. Langsame digitale Schnittstellen ausgenommen, müssen Sie stets nach einer Impedanzspezifikation entwerfen und diese klar kommunizieren. Es gibt einige andere wichtige Punkte, die Sie in Ihrem Design angeben müssen:

  • Siebdruckabmessungen
  • Oberflächenmetallisierung
  • Einheiten bei den Plattenabmessungen
  • Gesamtdicke der Platte
  • Kupferfertiggewicht (Soll)
  • Toleranzen bei den Plattenabmessungen
  • Anforderungen an die RoHS-Compliance
  • Nutzentrennungsanforderung
  • IPC-6012-Leistungsspezifikationslevel

Verwenden Sie das Draftsman-Werkzeug in Altium Designer®, um die Leiterplattenherstellung vorzubereiten und sicherzustellen, dass Ihre Anforderungen an die Impedanzkontrolle erfüllt werden. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien für Ihren Hersteller freigeben möchten, können Sie auf der Altium-365™-Plattform ganz einfach zusammenarbeiten und Ihre Projekte teilen.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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