Impedanz berechnen | Rechner | online | Leiterplatte | Leitungsimpedanz | Scheinwiderstand

Impedanzkontrollierte Leiterplatten sind wichtig, wenn es auf den Platinen hohe Frequenzen gibt, die sich durch Reflektionen eventuell überlagern und somit zu Fehlern führen können. Allgemein spricht man ab Frequenzen von 1GHz von Hochfrequenz (HF) und sollte sich mit dem Thema Impedanz aktiv auseinandersetzen. Werden Impedanzen nicht ausreichend bei HF-Schaltungen berücksichtigt, können sporadische Fehler auftauchen, die nicht reproduzierbar sind. Mal kommt ein Bit durch, mal nicht. Daher sollte bei HF-Platinen unbedingt auf Signalintegrität geachtet werden.

Die Schaltung oder Baugruppe "spinnt" gelegentlich und wird schlicht unzuverlässig, ohne dass sich die Ursachen auf genaue Einstellungen bzw. Modi zurückführen oder die auftauchenden Fehler reproduzieren lassen.

Scheinwiderstände (Impedanzen) auf Leiterplatten werden durch folgende Parameter beeinflusst:

• Frequenz der Anwendung
• Leiterbahnbreite / -Abstand
• Endkupferstärke und eventueller Lötstopplack
• Abstand der Lagen zueinander
• Dielektrizitätskonstante εr vom Basismaterial (Kern und Prepreg)

Bei niedrigeren Frequenzen bis 1GHz ist es durchaus üblich, normales FR4 zu verwenden. Werden die Frequenzen jedoch höher, so können Signalverluste auftreten. Ausschlaggebend ist hier der sogenannte "Loss Factor" (tan delta), der nur bei expliziten Hochfrequenzmaterialien auch bei höheren Bereichen gering bleibt. Empfehlen tun wir daher Substrate von Rogers oder das Megtron6 von Panasonic, welche beide bei LeitOn ab Lager verfügbar und in der Onlinekalkulation bestellbar sind.

Die Impedanzkontrolle beginnt mit der einfachen Planung des Aufbaus und der Berechnung der elektromagnetischen Einflussfaktoren um die betroffenen Hochfrequenzleiterbahnen herum. Hierfür gibt es viele Tools, die teilweise kostenlos für grobe Abschätzungen im Internet zur Verfügung stehen. Exakte Berechnungen lassen sich hiermit jedoch nicht durchführen, da diese nur einer Grobplanung dienen, inwiefern die angepeilten Parameter überhaupt in einem realisierbaren Rahmen liegen. Für die exakte Berechnung verwenden wir bei LeitOn eine Software vom Marktführer der Firma Polar Instruments (https://www.polarinstruments.com ).

Hier werden nicht nur einfache elektromagnetische Felder berechnet, sondern der sogenannte Field-Solver berechnet die Wechselwirkung und Veränderung der jeweiligen elektrischen Felder auf- und zueinander in größeren Umkreisen um die Leiter. Dieses Verfahren ist enorm komplex, patentiert und das genauste Verfahren zur Berechnung von Impedanzen, das existiert.

Bild: Impedanzmessplatz mit Polar-Prüfspitze
(Quelle: https://www.polarinstruments.com/)

Bild: Polar Si9000 Software zur Impedanzberechnung
(Quelle: https://www.polarinstruments.com/)

Oft verwechselt werden durch den englischen Begriff „control“ (deutsch „Lenkung“) eine Impedanzberechnung mit Planung (= Lenkung) und ein echter Test/Messung der Impedanz. Wie oben erläutert ist eine reine „Lenkung“ der Impedanz zunächst auch ohne Messung möglich, indem man Material und Aufbau spezifiziert sowie die Abstände und breiten der Leiterbahnen festlegt. Um noch sicherer zu gehen, kann dieser rein vorbereitende Schritt noch durch das Vermessen der Leiterbahnstrukturen bzw. des Lagenaufbaus während oder nach der Herstellung verfeinert werden.

Ersetzt man die Soll-Werte durch die nachgemessenen Ist-Werte lassen sich in der Polar-Software recht genaue Rückschlüsse auf die zu erwartende Impedanz berechnen. Eine tatsächliche Impedanzmessung ist dies jedoch immer noch nicht. Wir empfehlen daher stets mit dem Lieferanten exakt abzuklären, was sich hinter einer „controlled impedance“ verbirgt. Soll wirklich gemessen werden, oder reicht eine planerische Annäherung?

Zur echten Messung von Impedanzen werden sogenannte Test-Coupons erstellt. Diese Coupons sehen wie gewöhnliche Leiterplatten aus, und haben je nach Anzahl der Impedanzen Abmaße von 150x10mm² bis 150x60mm². Diese Coupon-Layouts werden individuell gemäß der zu messenden Impedanzen als Layout erstellt und neben der impedanzkontrollierten Leiterplatte auf den Fertigungsnutzen gelegt. Dadurch entstehen Kosten in der CAM durch das Coupon-Design sowie später in der Produktion durch die vom Coupon verbrauchte Fläche auf jedem Produktionszuschnitt. Die jeweiligen Ätzraten (Leiterbahnabstände und -breiten), der Kupferaufbau und der Lagenaufbau auf diesem Test-Coupon sind aber repräsentativ für die impedanzkontrollierte Leiterplatte, welche direkt neben diesem Coupon liegt und hergestellt wird.

Entgegen der Leiterplatte selber hat der Test-Coupon jedoch eigens vorbereitete Prüfpads, wodurch sich dieser dann mit dem Polar-Impedanzmessgerät messen und die Ergebnisse protokollieren lassen. Am Ende wird hier also stell

vertretend für die tatsächliche Leiterplatte gemessen, was jedoch üblich und nicht anders möglich ist.

Bild: Layout eines Impedanz-Coupons
(Quelle: http://www.polarinstruments.com/)

Bild: Impedanzkennlinie bei einer Messung
(Quelle: http://www.polarinstruments.com/)

Bei LeitOn kann schon vor dem Layout die reine Berechnung von Impedanzen bestellt werden. Sie geben uns einfach die ungefähr ermittelten Werte von Aufbau, Strukturen und Zielimpedanz mit Impedanzart an. Sollten Sie bezüglich der erforderlichen Strukturen noch keine Idee haben, so reichen in einigen Fällen auch die Lagenanzahl. Daraus errechnen wir den erforderlichen Aufbau und die erforderlichen Strukturen. Mit dieser Berechnung können Sie dann Ihr Layout fertigstellen. Zu einem späteren Zeitpunkt können Sie dann die Bestellung auch online fortsetzen und geben einfach an, dass die Impedanzen bereits von LeitOn berechnet wurden und nur noch die Impedanzmessung erfolgen soll.

Sollten Sie ein eigenes Tool zur Impedanzberechnung verwenden und sich sicher sein, dass Sie bereits sehr dicht am Zielbereich liegen, so können Sie auch gleich eine Leiterplatte mit Impedanzmessung bestellen. Die Impedanzberechnung ist jedoch unsererseits weiterhin erforderlich, denn ohne die Abbildung in Polar kann auch keine Messung erfolgen.

Alle Hersteller verwenden unterschiedliche Materialien und Herstellungsmethoden. Daher erhalten Sie bei einer Bestellung, selbst mit einem vorgegebenen Lagenaufbau bei verschiedenen Herstellern, unterschiedliche Ergebnisse im Impedanzverhalten. Wir empfehlen aus diesem Grund ausdrücklich die Impedanzberechnung durch den Hersteller der Leiterplatte. Dies ist auch beim Wechsel der Produktionsstätte angeraten. Wenn Sie auf eine Impedanzmessung verzichten möchten, z.B. weil Sie mit einer recht großen Toleranz leben können, sagt die Erfahrung, dass dies oft ausreichend sein „kann“. Die Firma LeitOn kann dafür dann jedoch keine Garantie übernehmen, da hierdurch Rechen- oder Produktionsfehler nicht 100%ig ausgeschlossen werden können.

Ein guter Grund für die Impedanzmessung liegt darin, dass nicht-impedanzgemessene Standard-Platinen oft mit anderen Layouts kombiniert werden. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Pressdicken des Multilayers, die von dem errechneten Werten abweichen können. Auch werden Leiterplatten teilweise auf höherwertige TGs oder andere Optionen gefertigt, wodurch das verwendete Material und damit die Dielektrizitätskonstante nicht mehr feststeht.

Fazit: Nur bei Leiterplatten, die mit Impedanzmessung bestellt werden, können wir eine Gewähr für das Erreichen der Zielbereiche übernehmen, da diese im kontrolliertem Umfeld produziert werden.

Allgemein redet man von +/-10% bei Impedanzen. Diese Toleranz ist Standard in der Onlinekalkulation und allgemein branchenüblich.

In besonderen Fällen kann gerade bei höheren Impedanzen die prozentuale Abweichung geringer werden, z.B. 100 Ohm +/-5 Ohm. Dies erfordert jedoch meist ein erstmaliges Herstellen, wodurch dann die Möglichkeit engerer Impedanzen ermittelt und festgelegt werden können.