Stripline oder Microstrip: Unterschiede und Richtlinien beim PCB-Routing

Als ich zum ersten Mal eine Präsentation über Hochgeschwindigkeits-Designtechniken hörte, überstieg es meinen Verstand. Noch am Beginn meiner Karriere als Leiterplattenentwickler war es sicher meine Unerfahrenheit, die meine Verwirrung verursachte. Das ganze Konzept des Stripline- und Microstrip-Routing ergab für mich keinen Sinn, und ich glaubte, dass der Referent von einer völlig anderen Art von PCB-Designs sprach, mit der ich nicht vertraut war. Zum Glück löste sich ein Großteil meiner Verwirrung auf, als ich mehr über PCB-Streifenleitungen lernte.

Strip-Leitung (Stripline) und Streifenleiter (Microstrip) sind verschiedene Designausprägungen von Hochgeschwindigkeits-Übertragungsleitungen auf einer Leiterplatte. Die fundierte Kenntnis der feinen Unterschiede zwischen beiden Typen könnte Ihnen sogar ein Wettbewerbsvorteil ggü. Mitbewerbern verschaffen.  

Strip-Leitung oder Streifenleitung: Was ist was?

Stripline- und Microstrip-Routing sind Methoden zum Verlegen von Hochgeschwindigkeits-Übertragungsleitungen auf gedruckten Leiterplatten. Die Strip-Leitung (Stripline) ist eine Leiterbahnstruktur, die zwischen zwei Masseflächen innerhalb einer Leiterplatte verläuft und vom dielektrischen Platinenmaterial umschlossen ist. Bei einer Streifenleitung (Microstrip) handelt es sich dagegen um eine Leiterbahn, die auf einer Außenlage der Leiterplatte verlegt wird. Dadurch ist sie durch das dielektrische Material der Platine von einer einzigen Massefläche getrennt.

Mit der Übertragungsleitung auf der Oberflächenschicht der Leiterplatte hat das Microstrip-Routing bessere Signaleigenschaften als die Stripline. Auch die Leiterplattenherstellung ist mit Microstrip kostengünstiger, da der Zweischichtaufbau den Herstellungsprozess vereinfacht. Die Herstellung einer Strip-Leitung ist folglich komplexer, da mehr Schichten erforderlich sind – die eingebettete Leiterbahn und zwei umgebende Masse-Layer. Allerdings ist die Breite einer impedanzkontrollierten Leiterbahn bei einer Strip-Leitung geringer als bei einem Microstrip gleicher Impedanz; das liegt an der zweiten Massefläche. Diese geringere Leiterbahnbreite ermöglicht wiederum höhere Packungsdichten und damit eine kompaktere Bauform. Zudem reduziert die innere Leitungsführung EMI und bietet einen besseren Gefahrenschutz.

Stripline und Microstrip haben also unterschiedliche Vorteile. Welche für Sie die bessere Methode ist, sollte auf der Grundlage Ihrer individuellen Anforderungen entschieden werden. Bei einem kompakten High-Speed-Design wird oft eine Mischung aus beiden Methoden auf einer mehrlagigen Leiterplatte verwendet, um alle Ziele zu erreichen.

Darüber hinaus ist es bei der Entflechtung eines solchen Designs wichtig, die Impedanz über das gesamte Design zu kontrollieren. Das Layer, auf dem die Übertragungsleitung verlegt wird, die physikalischen Eigenschaften der Leiterbahn und die Eigenschaften des Dielektrikums müssen alle zusammen berechnet werden, um die richtigen Impedanzwerte für die Schaltung zu erhalten. Es gibt viele verschiedene Impedanz-Rechner mit verschiedenen Stripline- und Microstrip-Modellen, die für die Durchführung dieser Berechnungen zur Verfügung stehen.

Beispiele für Stripline- und Microstrip-Routing

Nachfolgend finden Sie einige Routing-Modelle für Strip- und Streifenleiter und wie ihre individuellen Eigenschaften die Impedanzberechnungen beeinflussen:

1. Microstrip. Übertragungsleitungen, die auf den äußeren Schichten verlegt sind, werden als Streifenleitung bezeichnet. Das Modell hierfür basiert auf der Leiterbahndicke und -breite sowie der Substrathöhe und der Art des Dielektrikums.
2. Kantengekoppelte Streifenleitung. Diese Technik wird für das Routing differentieller Microstrip-Paare verwendet. Dabei handelt es sich um die gleiche Struktur wie beim regulären Microstrip-Routing, aber das Modell ist um den Leiterbahnabstand des Differenzialleiterpaars erweitert.
3. Eingebetteter Streifenleiter. Diese Struktur ähnelt dem regulären Microstrip, jedoch befindet sich über der Übertragungsleitung eine weitere Schicht Dielektrikum. Beispielsweise kann die Lötstoppmaske als eine solche Dielektrikumsschicht betrachtet werden und muss daher in die Impedanzberechnung mit einfließen.
4. Symmetrische Strip-Leitung. Übertragungsleitungen, die auf internen Lagen (zwischen zwei Masseflächen) verlegt werden, gelten als symmetrische Streifenleitung. Wie bei Microstrip basiert ihr Modell auf der Dicke und Breite der Leiterbahnen, der Substrathöhe und dem Dielektrikumstyp, wobei die Berechnung, für die zwischen den beiden Ebenen eingebettete Leiterbahn angepasst wurde.
5. Asymmetrische Strip-Leitung. Wenngleich es in seiner Struktur dem symmetrischen Streifenleitungsmodell ähnelt, berücksichtigt dieses Modell die Auswirkungen einer Übertragungsleitung, die nicht genau mittig zwischen beiden Substratebenen verläuft.
6. Kanten-gekoppelte Strip-Leitung. Diese Technik wird für das Routing von Differenzialpaaren in internen Schichten verwendet. Es ist die gleiche Struktur wie die reguläre Strip-Leitung, aber das Modell ist durch die Hinzufügung des Leiterbahnabstandes für das Differenzialpaar erweitert.
7. Breitseitengekoppelte Strip-Leitung. Dieses Modell ähnelt dem der Kanten-gekoppelten Strip-Leitung, jedoch werden die Paare nicht nebeneinander, sondern übereinandergestapelt. Das Modell ähnelt dem für Kanten-gekoppelte Strip-Leitungen.

Ich hoffe, dass Ihnen dieser Überblick geholfen hat, die Verwirrung um diese Konzepte zu beseitigen. Wenn Sie verstehen, was sich hinter den verschiedenen Stripline- und Microstrip-Methoden zur Leiterbahnführung verbirgt, wird es Ihnen bei der Entwicklung von High-Speed-Leiterplatten zugutekommen.

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