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	Applikationsschrift 158 Warum kritische Leiterbahnen auf die Innenlagen einer Leiterplatte gelegt werden sollten.

Nachfolgend finden Sie einige Gründe, warum Sie kritische Leitungen nicht auf die Außenlagen einer Leiterplatte legen sollten. Natürlich müssen immer wieder Kompromisse eingegangen werden, jedoch sollten Sie sich über die Auswirkungen im Klaren sein.

Suszeptibilität auf elektrische Interferenz externer Störquellen

Wir sind ständig von abgestrahlten Signalen von Störquellen wie z.B. Mobiltelefone, Elektromotoren, Computer, Monitore etc. umgeben. Exponierte Leiter wie z.B. außenliegende Leiterbahnen auf einer Leiterplatte nehmen diese Störungen wie eine Antenne auf. Die aufgenommenen Signale überlagern das übertragene Originalsignal und können zu einer Fehlfunktion der Schaltung führen.

Umgekehrt gilt - Leiterbahnen auf Innenlagen sind durch solide Kupferlagen beidseits der Leiterbahn gut abgeschirmt vor Störsignalen. Störstrahlung kann zwar an den Kanten der Leiterplatte zwischen den Schirmlagen eindringen, jedoch wird diese Störstrahlung durch die Kupferoberflächen absorbiert, bevor sie die empfindlichen Leiterbahnen erreicht. Aus diesem Grund sollten kritische Leitungen nicht zu nahe der Aussenkante der Leiterplatte geführt werden. Ein Mindestabstand in Höhe des 10-fachen Lagenabstandes wird empfohlen.

(Übrigens - Leiterbahnen können Störstrahlung sowohl aufnehmen als auch abgeben - es kann daher auch der gegenteilige Fall eintreten. Wie oben gilt, Störstrahlung wird unterdrückt, indem die Leitung zwischen zwei solide Masselagen gelegt wird. Störstrahlung kann an den Kanten der Leiterplatte austreten, daher gilt auch ein Mindestabstand 10-facher Lagenabstand.)

Kontrolle der bestimmenden Einflussfaktoren auf die Impedanz

Die Form und Nähe von benachbarten Leitungen sind Faktoren, welche die Leiterbahnimpedanz beeinflussen. Leitende Oberflächen anderer Leiterplatten, Kabel und Chassisteile in der Nähe von Leiterbahnen an der Oberfläche ändern die Leiterbahnimpedanz.

Die Anordnung der impedanzkontrollierten Leiterbahnen auf die Innenlagen stellt definierte Verhältnisse in Bezug auf die Leiterbahnumgebung her und sorgt so für konstante Impedanzwerte.

Exakte Kontrolle des Leiterbahnprofils

Das Leiterbahnprofil beeinflusst die Impedanz über die Ladungsverteilung an der Leiterbahnoberfläche. Die Ladung tendiert dazu, sich an Kanten der Leiterbahn zu verdichten, so dass es in diesen Bereiche auch zu einer höheren Feldliniendichte kommt als auf den flachen Bereichen der Leiterbahn. Eine geringe Abrundung der Kantenform führt zu einer Neuverteilung der elektrischen Ladung weg von den Kanten und somit zu einer Änderung des elektrischen Feldes und der Impedanz.

Field Solver setzen entweder einen rechteckigen oder trapezförmigen Leiterbahnquerschnitt voraus - dies ist auch die normale Querschnittsform eines guten Ätzprozesses. Leiterzüge auf den Innenlagen entsprechen weitgehend diesem Idealbild. Aufgekupferte Leiterbahnen an den Außenlagen weisen jedoch nicht dieses scharfkantige rechteckige oder trapezförmige Profil auf, daher wird auch die Impedanz vom vorausberechneten Wert abweichen.

Exakte Kontrolle des Leiterbahnquerschnitts

Die exakten Querschnittsabmessungen einer Leiterbahn bestimmen auch weitere Abmessungen wie z.B. Separation und Abstand zur Lage. All diese Abmessungen können auf (unbeschichteten) Innenlagen wesentlich genauer eingehalten werden als auf (beschichteten) Außenlagen. Der kumulative Effekt der Geometriefehler kann zu einer signifikanten Abweichung der Impedanz vom berechneten Wert führen.

Dicke und Profil des Lötstoplacks

Leiterbahnen auf Aussenlagen sind normalerweise mit einer dielektrischen Beschichtung versehen. Selbst geringste Schichtdicken führen zu signifikanten Änderungen des elektrischen Feldes und somit zu Änderungen der Impedanz.

Beim Design gelten einige Annahmen hinsichtlich der Schichtdicken - dass die Beschichtung die gleiche Dicke auf der Leiterbahn und auf dem Laminatmaterial hat, dass die Schichtdicke zwischen einem differentiellen Leitungspaar gleich ist als auf den Außenseiten, dass die Schichtdicke auf den Seitenflanken der Leiterbahn identisch ist mit der Schichtdicke auf der Oberseite. All diese Annahmen sind natürlich nicht zutreffend.

Ddie Schichtprofile und daraus resultierende Dickenvariationen hängen von einer Reihe von Faktoren ab: Beschichtungsmaterial, Fließeigenschaften, Methode der Aufbringung, Richtung der Aufbringung, Leiterbahn- und Zwischenraumabmessungen, etc. Generell gilt, obwohl eine Beschichtung gleichförmig aufgebracht wird, so wird sich diese vor und während des Aushärtprozesses neu verteilen, und eine "Normalverteilung" über dem Laminat, erhöhte Dicke zwischen eng separierten Leiterbahnen (speziell zwischen differentiellen Paaren) und einer reduzierten Dicke auf der Leiterbahnoberfläche annehmen. Es lässt sich leicht vorstellen, wie die Flüssigkeit von den Leiterbahnen in die danebenliegenden "Täler" abfließt oder durch die Kapillarwirkung zwischen zwei Leiterbahnen hochgezogen wird. Die Endform besteht meist aus einem sanften, abgerundeten Profil, dessen Dicke stark von der Anordnung der Leiterbahnen abhäng und über die gesamte Leiterplatte stark schwanken kann. Dies führt natürlich auch zu signifikanten Abweichungen der Impedanz vom berechneten Wert.

Das Profil könnte im Prinzip in einem Field Solver berücksichtigt werden, wenn der Layouter und Leiterplattenhersteller dieses vorhersagen und definieren könnte. Dies ist jedoch einfach nicht praktikabel. Kritische Leitungen sollten daher immer auf Innenlagen gelegt werden, da hier das umgebende Dielektrikum sehr genau spezifiziert werden kann.


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