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Fertigung von Leiterplatten mit definierten Impedanzen in der
Jenaer Leiterplatten GmbH
Impedanzen sowie impedanzgefertigte und -geprüfte Leiterplatten bestimmen seit geraumer
Zeit in steigendem Maße die Anforderungen an die Leiterplattenhersteller.
Immer häufiger werden konkrete Forderungen nach impedanzkontrollierten Leiterzügen mit
sehr engen Toleranzgrenzen gestellt.
Aus diesem Grund beschäftigt sich auch die JENAER LEITERPLATTEN GMBH seit inzwischen
fast 1,5 Jahren intensiv mit dem Thema Impedanzen und impedanzkontrollierten
Leiterplatten. In diesem Beitrag soll ein Überblick über das Thema Impedanzen, die
theoretischen Forderungen und die praktische Umsetzung gegeben werden.
Eine Impedanz wird als das Verhältnis von Spannung zu Strom eines Impulses mit kurzer
Anstiegszeit, der sich entlang des Leiters ausbreitet charakterisiert und auch
Wellenwiderstand genannt. Die Impedanz wird durch das induktive und kapazitive Verhalten
von Leitern und dessen Umgebung bestimmt und sie ist längenunabhängig. Weiterhin
beschreibt die Impedanz eine Wechselspannungscharakteristik, welche bei höheren
Frequenzen – typisch ab 300 Megahertz – an Bedeutung gewinnt.
Die folgende Übersicht veranschaulicht die unterschiedlichen Klassen, Typen und Varianten
von Impedanzen, aus deren Kombination sich viele verschiedene Strukturen ergeben
können.

Warum werden Leiterplatten mit Impedanz überhaupt benötigt
In Bereichen der Telekommunikation, bei der Video-Signalverarbeitung und
Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung, bei Anwendungen mit Echtzeit-Grafik sowie bei
der Prozesssteuerung werden stetig steigende Übertragungsfrequenzen und Taktraten
gefordert.
Weiterhin muss die maximale Signalleistungen zwischen den Bauteilen gewährleistet
werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, dass beispielsweise Impedanzanpassungen
bei den Schnittstellen hergestellt werden müssen. Dadurch kann eine maximale
Signalleistung übertragen werden.
Bei Impedanz-Fehlanpassungen wird keine maximale Leistungsübertragung erzielt. Die
fehlende Signalleistung wird durch Reflexionen hervorgerufen und es kann ebenso zu einer
vollständigen Unterbrechung der Übertragung kommen. Im Ergebnis führt dies dazu, dass
die theoretisch entwickelte Leiterplatte hergestellt und bestückt wird, aber die Schaltung
letztendlich nicht funktioniert.
Diese Kostenaspekte und weitere Gründe sprechen dafür, dem Thema Impedanzen und
impedanzkontrollierter Leiterplatten mehr und mehr Beachtung zu schenken.
Die Betrachtung der Impedanzzusammenhänge von Schaltungen und die Schaffung von
Möglichkeiten um die theoretisch errechnete Funktion der Schaltung zu gewährleisten ist
somit unerlässlich.
Die Forderung nach kontrollierten Impedanzen bei der Herstellung von Leiterplatten besteht
schon seit geraumer Zeit. Auf die Prüfung wurde allerdings seitens der Kunden bisher kaum
Wert gelegt. Die notwendige Veränderung dieser Sichtweise wurde in der Jenaer
Leiterplatten GmbH zum Anlass genommen, sich der Materie Impedanzen, einschließlich der
Einhaltung der vorgegebenen Parameter aus dem Design und der Umsetzung in der
Fertigung, intensiver zu widmen.
Impedanzmessgerät von der Firma Polar

Am Anfang stand die Frage, welche Einflussgrößen sich auf die Impedanz auswirken und
wie diese fertigungstechnisch behandelt werden müssen.
Eine Auswahl an Impedanz bestimmenden Faktoren ist in der folgenden Übersicht
dargestellt. Weiterhin ist aus dieser Darstellung ersichtlich, bei welchen Faktoren eine
Anpassung von Seiten des Leiterplattenherstellers notwendig ist und nach
Kundenrücksprache vollzogen wird.
Die Berechnung kontrollierter Impedanzen erfolgt in der Jenaer Leiterplatten GmbH mit Hilfe
der Field – Solver Software der Firma Polar. Häufig vorzufindende Formeln zur Bestimmung
der Leiterbahnabmessungen für bestimmte Impedanzwerte bringen nur Näherungswerte und
ermöglichen keine genauen Ergebnisse für Leiterplatten nach heutigem Stand der Technik.
Den Ausgangspunkt für eine Fertigung von impedanzkontrollierten Leiterplatten stellt eine
Berechnung der Nominalwerte für Leiterbreite und Laminatstärke für einen spezifischen
Impedanzwert dar. In den ersten Testphasen wurden somit tatsächlich realisierte
Impedanzen mit den theoretisch errechneten verglichen. Um die Abweichungen der
Fertigungsergebnisse den Berechnungen anzunähern, ist es notwendig Schritt für Schritt die
relevanten Kompensationswerte zu eruieren.
Als die wichtigsten Impedanz beeinflussenden Faktoren sind die Leiterzugsbreite und die
Laminatstärke bzw. der Lagenabstand, welcher als Isolator fungiert, zu nennen. Die
Dielektrizitätskonstante ε R ist von Kernmaterial zu Kernmaterial unterschiedlich. Es werden
von den Laminatherstellern für ein Kernmaterial gleichbleibende Eigenschaften zugesichert.
Jedoch werden die Fertigungsergebnisse nicht nur allein von diesen Faktoren bestimmt.
Hinzu kommen noch der Kupferaufbau und auch der Lötstopplack bei bestimmten Varianten
der Impedanzen. Ausschließlich durch eine Vielzahl von Testdurchläufen konnten die
verschiedenen Kompensationswerte in die Berechnung der theoretischen Impedanz
aufgenommen werden. Dadurch konnte der Fertigungsprozess dementsprechend spezifiziert

werden und es ließen sich reproduzierbare Verhältnisse für die Fertigung von
impedanzkontrollierten Leiterplatten ableiten.
Doch allein die Kenntnis über die Impedanz beeinflussenden Parameter garantiert noch nicht
die Funktionsfähigkeit einer Schaltung und die Erreichung der gewünschten bzw. geforderten
Impedanz. Durch die fertigungstechnischen Varianzen und Toleranzen bei der Herstellung
von Leiterplatten und vor allem durch die vom Hersteller nicht zu beeinflussenden
Toleranzen ist eine standardisierte Fertigung von impedanzkontrollierten Leiterplatten nicht
möglich. Diese zwangsläufigen Besonderheiten bringen erhebliche Abweichungen von
Standardabläufen mit sich.
Messplatz für impedanzkontrollierte Leiterplatten
Die interne Organisation für Kundenaufträge mit Impedanzforderungen unterliegt in der
Jenaer Leiterplatten GmbH einer besonderen Behandlung.
Im Vorfeld der Fertigung sind besondere Prüfungen und Abstimmungen notwendig.
Die Kundenanforderungen hinsichtlich Messung und Berechnung der Impedanz, die
Forderung eines Prüfprotokolls, die Behandlung des Messcoupon sowie besondere
Anforderungen bestimmen schon zum Zeitpunkt der Kundenanfrage den
Fertigungsdurchlauf.
Anhand der Vorgaben des Kunden wird die geeignete Materialauswahl aus den
vorhandenen oder beschaffbaren Materialbeständen getroffen und der realisierbare
Lagenaufbau (Stack-Up) ermittelt.
Eine entscheidende Besonderheit bei dem Basismaterial stellt die Dielektrizitätskonstante ε R
dar. Bei gleichem Material können sich unterschiedliche Ergebnisse für das ε R ergeben.

Zum einen sind unterschiedliche Werte bei verschiedenen Chargen möglich und zum
anderen gibt es ebenso Differenzen bei Kernen und Prepregs. Anhand der Datenblätter der
Materialhersteller gibt es zum Teil große Unterschiede zwischen Theorie und Praxis.
Weiterhin verändert sich die Dielektrizitätskonstante bei unterschiedlichen Frequenzen. Ein
anderes Problem ist noch die Toleranz bei der Materialqualität und Maßhaltigkeit des
Basismaterials. Somit führen schon geringfügige Toleranzen bei der Veränderung des Stack-
Up zu Varianzen der Impedanz. Eine Korrektur der Parameter durch den
Leiterplattenhersteller ist somit unumgänglich um die gewünschte Impedanz zu erzielen. Die
Toleranzen des Kern- bzw. Basismaterials sind durch Leiterplattenhersteller generell nicht zu
beeinflussen. Allein durch die Korrektur von verschiedenen Einflussgrößen und durch
Erfahrungswerte werden die geforderten Ergebnisse erzielt.
Weitere Überprüfungen im Vorfeld der Fertigung erfolgen in den Bereichen
Leiterzugsbreiten, Separation, Dielektrikumsabstände sowie Line and Space. Unter
Beachtung der Produktions- und Materialtoleranzen müssen gegebenenfalls Anpassungen in
Form von Weitungen oder Korrektur des Layouts und Stack Up vorgenommen werden.
Nur durch diese Anpassungen, welche Resultate des kontinuierlichen Lernprozesses sind,
können für jede Leiterplatte reproduzierbare Fertigungsverhältnisse geschaffen werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist zum einen, das auf dem Fertigungspanel überall gleiche
Verhältnisse vorliegen müssen und zum anderen spielt die Panelauslastung eine
entscheidende Rolle. Dieser nicht zu unterschätzende Punkt spiegelt sich auf der
Kostenseite und auch im Bereich der Qualität wieder. Denn die Leiterplatten sollten unter
gleichen Verhältnissen hergestellt werden und zusätzlich muss auch der Testcoupon
integriert werden. Ein Testkupon ist die Nachbildung der geforderten Impedanz mit
entsprechenden Leiterzugbreiten und Lagenabständen. Er bietet die einzige Möglichkeit die
simulierte Impedanz der Leiterplatte zu messen.
Ein anderer bereits erwähnter Einflussfaktor auf die theoretisch berechnete Impedanz ist die
Lötstoppmaske. Diese kann je nach Lackart eine Veränderung der Dielektrizitätskonstante
hervorrufen. Je nach Dicke der Lötstoppmaske sind Impedanzverluste über mehrere Ohm
möglich.
Ebenfalls ein nicht zu unterschätzender Faktor ist die Schichtdickenverteilung nach dem
Aufkupfern. Ein Vorteil für die Jenaer Leiterplatten GmbH stellt hier die angewendete Tenting
- Technologie mit dem Panelplating dar. Es können Schichtdickentoleranzen von ± 5 µm
realisiert werden.
Bei der Erstellung des Leiterbildes spielen ebenfalls Toleranzen durch den Ätzprozess eine
wichtige Rolle. Der Zusammenhang von Schichtdicke, Ätzgeometrie und Grad der
Unterätzung muss verstanden und beherrscht werden. Vor diesem Hintergrund wird im

Sinne einer permanenten Qualitätskontrolle in der Jenaer Leiterplatten GmbH bei allen
Innen- und Außenlagen eine 100 % - Prüfung der Leiterzugsbreiten und –abstände mit Hilfe
eines Laser – AOI der Firma Orbotech durchgeführt.
Nicht zu unterschätzen sind weiterhin die Toleranz der theoretischen und praktischen
Prepregstärke und die daraus resultierenden Dickentoleranzen nach dem Verpressen, mit
wiederum Auswirkungen auf die Dielektrikumsabstände.
In der folgenden Abbildung die verschiedenen Toleranzanteile an einem Beispiel nochmals
anschaulich verdeutlicht.
Toleranzanteile am Beispiel
Substratdicke 100 µm ± 10 µm 44 %
ε r
4,2 ± 0.2 14 %
Leiterbahnbreite 150 µm ± 15 µm 34 %
Leiterbahndicke 35 µm ± 3,5 µm 8 %
Surface Microstrip 52,01 Ohm
± ca. 7 Ohm
S-Dicke
εr
Lz-Breite
Lz-Dicke
In der Jenaer Leiterplatten GmbH kann auf Kundenwunsch eine 100% - Panelprüfung und
eine 100% - Couponarchivierung erfolgen. Dies garantiert eine sichere Rückverfolgbarkeit.
Anhand dieser kurzen Abhandlung zu dem Thema Impedanzen und impedanzgeprüfte
Leiterplatten lässt sich schnell erkennen, dass Kompromisse in Form der technischen
Realisierbarkeit im Rahmen der erlaubten Toleranzen unausweichlich sind.
Der entscheidende Faktor für qualitativ hochwertige Leiterplatten mit Impedanzen ist die
Stabilität und Beherrschung des Fertigungsprozesses sowie die Kenntnis über die
Besonderheiten der einzusetzenden Materialien.
Allein die Betrachtung der vielen Toleranzen im Materialbereich bringt eine gewisse
Abhängigkeit des Leiterplattenherstellers von den Lieferanten des Basismaterials mit sich.
Dazu kommen noch die Toleranzen im Fertigungsprozess sowie zusätzlich ein geringer
Messfehler bei der Ermittlung der Impedanz.

Diese Punkte verdeutlichen, dass nicht alle theoretischen Kundenanforderungen in der
Praxis umsetzbar sind. Oftmals ist es unumgänglich eine Korrektur der CAD-Daten für die
Fertigung vorzunehmen. Bei Differenzen und notwendigen Anpassungen erfolgt in jedem
Fall eine Rücksprache mit dem Kunden und dessen Freigabe.
Um ein gutes Ergebnis zu erzielen, ist eine Kompromissbereitschaft von Seiten des Kunden
notwendig.
Die enge Zusammenarbeit und Kooperation mit Firma Polar, was in gegenseitiger Beratung
und Unterstützung zum Ausdruck kommt, hat vor allem in der Anfangsphase ein schnelles
Verständnis für das Thema impedanzkontrollierte Leiterplatten zur Folge gehabt.
Die konsequente Auseinandersetzung mit dem Thema Impedanzen sowie Herstellung von
impedanzkontrollierten Leiterplatten führte zu einem langfristigen Lern- und
Erfahrungsprozess in der Jenaer Leiterplatten GmbH. Durch eine noch sicherere
Beherrschung des Fertigungsprozesses und dem Verständnis für bestimmte technologische
Zusammenhänge können die simulierten theoretischen Resultate in der Praxis
reproduzierbar umgesetzt werden. Für die Kunden werden bestmögliche Ergebnisse erzielt.
Die so gewonnenen neuen Erfahrungen führen letztendlich dazu, dass alle Leiterplatten auf
einem konstanten und noch höheren Qualitätsniveau hergestellt werden können.
Eine Abstimmung im Vorfeld der Fertigung zu den technologischen Möglichkeiten der Jenaer
Leiterplatten GmbH bringen für die Kunden Zeit- und Kostenersparnisse.