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PCB-Schichtaufbau-Builder

Bauen Sie Ihre Platine Schicht für Schicht auf und berechnen Sie die kontrollierte Impedanz für jede Leiterbahn — Microstrip, Stripline, Differenzpaare oder Koplanare Wellenleiter.

⠇⠇SMSoldermask (top)
mm
⠇⠇CuL1 — Signal
⠇⠇PPPrepreg
mm
⠇⠇CuL2 — Ground
⠇⠇CoreCore — FR4
mm
⠇⠇CuL3 — Power
⠇⠇PPPrepreg
mm
⠇⠇CuL4 — Signal
⠇⠇SMSoldermask (bottom)
mm
1.555 mm0.0250Soldermask (top)1 ozL1 — Signal0.100Prepreg0.5 ozL2 — Ground1.200Core — FR40.5 ozL3 — Power0.100Prepreg1 ozL4 — Signal0.0250Soldermask (bottom)

Trace Specification

Results

Configure trace parameters and run the calculation to see results.

Wie kontrollierte Impedanz funktioniert

Das PCB Stack-Up Tool entwirft Schichtkonfigurationen mit Impedanzberechnung für Leiterplatten mit kontrollierter Impedanz — unverzichtbar für HF-Designs (50-Ohm-Anpassung), Hochgeschwindigkeits-Digitaltechnik (DDR4/5, PCIe Gen4/5, USB4) und EMC-Konformität. Techniker für Signalintegrität verwenden dies, um eine Impedanztoleranz von +/- 10% (Standardfertigung) oder +/ -5% (erweiterte HF-Fertigung) zu erreichen und gleichzeitig die Isolierung von Schicht zu Schicht aufrechtzuerhalten. Gemäß den IPC-2141A- und Hammerstad-Jensen-Gleichungen (von IEEE MTT-S auf +/ -1% validiert) hängt die charakteristische Impedanz Z0 von vier Parametern ab: Leiterbahnbreite W, dielektrische Höhe H über der Referenzebene, Kupferdicke T und effektive Dielektrizitätskonstante ER_eff. Für Mikrostreifen (äußere Schicht) reicht ER_eff von 0,6xER bis 0,85xER, da das Feld teilweise in der Luft vorhanden ist; für Streifenleitung (innere Schicht) ist ER_eff = Er, weil das Feld vollständig im Dielektrikum enthalten ist. Die Dielektrizitätskonstante von FR4 variiert gemäß dem Djordjevic-Sarkar-Dispersionsmodell zwischen 4,6 bei 1 MHz und 4,2 bei 5 GHz (9% Verschiebung), wodurch sich die berechnete Impedanz um 4-5% ändert. Rogers RO4350B hält zwischen 1 und 10 GHz Er = 3,48 +/-0,05 fest. Aus diesem Grund spezifizieren HF-Designs über 2 GHz Controlled-ER-Laminate gemäß IPC-4101. Die standardmäßige FR4-Verlusttangente (tan_delta = 0,02) bewirkt eine Dämpfung von 0,5-1 dB/cm bei 5 GHz; verlustarme Materialien erreichen 0,1-0,15 dB/cm. Die Ausbreitungsverzögerung t_pd = sqrt (ER_eff) /c0 unterscheidet sich um 14% zwischen Mikrostreifen (~6,1 ps/mm auf FR4) und Streifenleitung (~7,1 ps/mm). Bei DDR4 mit 3200 MT/s (Einheitsintervall 312 ps) muss dieser Geschwindigkeitsunterschied bei der Längenanpassung zwischen den Schichten berücksichtigt werden — eine 10-mm-Spurfehlanpassung führt zu einer Verschiebung von 61 ps auf dem Mikrostreifen gegenüber 71 ps auf der Streifenleitung.

Arbeitsbeispiel

Aufgabe
Sie entwickeln ein 2,4 GHz WiFi-Frontend auf einer JLC Standard-4-Lagen-Platine (1,6 mm gesamt, FR4, 1 oz Außenkupfer). Die HF-Leiterbahn auf L1 muss 50 Ω haben. Welche Leiterbahnbreite benötigen Sie?
Lösung
Das JLC Standard-4-Lagen verwendet 0,1 mm Prepreg zwischen L1 und L2. L2 ist die Massereferenz. Das Kupfergewicht beträgt 1 oz (34,8 µm).

Für Microstrip auf FR4 mit H = 0,100 mm, T = 0,035 mm, εᵣ = 4,5 ergibt die Hammerstad-Jensen-Formel Z₀ ≈ 44 Ω bei W = 0,200 mm. Mit der Solve-Funktion und Ziel-Z₀ = 50 Ω → gelöste Breite ≈ 0,158 mm (εᵣ_eff ≈ 3,39).

Ausbreitungsverzögerung: t_pd = √3,39 / 299,8 ≈ 6,13 ps/mm. Eine 25 mm Antennenspeiseleitung fügt ~153 ps hinzu.

Fertigungshinweis: “L1/L4 Microstrip: W = 0,16 mm, Z₀ = 50 Ω ±10%, gemäß IPC-2141A. Über soliden L2/L3-Masseflächen routen.”

Praktische Tipps

  • ✓Überprüfen Sie den tatsächlichen Aufbau der Fabrik, bevor Sie das Design fertigstellen — JLC, PCBWay, OSHpark veröffentlichen exakte Schichtdicken und Er-Werte. Generische FR4-Annahmen führen zu einem Impedanzfehler von 5-10%, der den spezifizierten Wert um +/- 10% überschreiten kann.
  • ✓Verwenden Sie 1 Unze Kupfer auf den Signalschichten für eine engere Impedanzkontrolle — 2 Unzen Kupfer erhöhen die effektive Leiterbahnbreite, wodurch Z0 um 3 bis 5 Ohm verschoben wird und eine Breitenanpassung gemäß IPC-2141A Tabelle 4-1 erforderlich ist.
  • ✓Verlegen Sie impedanzgesteuerte Leiterbahnen nur über durchgehende Referenzebenen — Schlitze, Aussparungen oder über Antipads in der Grundplatte unter dem störenden Rückstrom, wodurch die Impedanz um 10-30% reduziert und die EMI um 6-10 dB erhöht wird (Henry Ott).
  • ✓Fügen Sie dem Gerber-Paket Gutscheine für Impedanztests hinzu — ohne TDR-messbare Coupons kann das Unternehmen die Konformität nicht überprüfen und Fehler sind gemäß IPC-TM-650 2.5.5.7 nicht rückverfolgbar. Die meisten Hersteller berechnen einen Aufpreis für kontrollierte Impedanzen ohne Coupons.
  • ✓Für Differenzialpaare (USB, PCIe, HDMI): Halten Sie den Leiterbahnabstand auf der gesamten Strecke konstant, einschließlich Vias und Stecker — selbst ein um 2 mm größerer Abstand erhöht den Zdiff um 5-8% und verringert die Rückflussdämpfung gemäß IEEE 802.3.
  • ✓Bei GHz-Frequenzen (>2 GHz RF, >5 Gbit/s digital): Geben Sie ein verlustarmes Laminat an (Rogers, Isola I-Speed, FR4-HF) — der Standard FR4 tan_delta = 0,020 verursacht eine Dämpfung von 0,5-1 dB/cm, die sich über längere Leiterbahnen ansammelt.
  • ✓Überprüfen Sie den Lötmaskeneffekt — die 25-µm-Lötmaske über dem Mikrostreifen senkt Z0 um 1-2 Ohm. Verwenden Sie das eingebettete Mikrostreifenmodell für Berechnungen oder fordern Sie unmaskierte Impedanzbereiche für HF-Spuren an.
  • ✓Für asymmetrische Streifenleiter (typische innere Schichten): Verwenden Sie die richtige Formel. Eine Leiterbahn auf L2 einer 4-lagigen Leiterplatte hat oben 0,1 mm Prepreg und unten 1,2 mm Kern — die symmetrische Formel überschätzt Z0 um 10-25%.

Häufige Fehler

  • ✗Bei Verwendung eines Er-Werts von 1 MHz (4,6) bei GHz-Frequenzen fällt Er pro Djordjevic-Sarkar auf 4,2 bei 5 GHz, wodurch sich die Impedanz um 5% verschiebt. Verwenden Sie immer frequenzkorrigiertes Er oder geben Sie ein Controllled-ER-Laminat für HF an.
  • ✗Platzieren einer kontrollierten Impedanzspur auf der inneren Schicht, ohne die Asymmetrie zu überprüfen — JLC 4-Layer hat 0,1 mm Prepreg und 1,2 mm Kern, was einem Höhenverhältnis von 12:1 entspricht. Verwenden Sie eine asymmetrische Streifenlinienformel, nicht eine symmetrische.
  • ✗Vergessen wir, dass die Kupferdicke die Impedanz beeinflusst — eine Kupferverschiebung von 0,5 Unzen bis 2 Unzen verändert die effektive Breite und Z0 um 3-8 Ohm. Rechnen Sie neu, wenn Sie das Kupfergewicht ändern.
  • ✗Das Durchlaufen von impedanzkontrollierten Leiterbahnen durch Viafelder ohne Bodenstiche — jede nicht genähte Bodenlücke erzeugt eine Impedanzdiskontinuität, die 3-5% der Signalenergie pro Johnson/Graham widerspiegelt.
  • ✗Unter der Annahme der gleichen Ausbreitungsverzögerung auf allen Schichten breitet sich der Mikrostreifen (ER_EFF=3,4) mit 6,1 ps/mm aus; die Streifenleitung (ER_EFF=4,5) mit 7,1 ps/mm. Für den Längenabgleich zwischen den Schichten ist eine Längenanpassung von 14% erforderlich.
  • ✗Angabe der kontrollierten Impedanz ohne Testcoupon — Fab kann die Impedanz ohne Coupon nicht per TDR verifizieren. Jeder Impedanzausfall in der Produktion ist nicht diagnostizierbar. Fordern Sie immer einen Gutschein und einen TDR-Bericht an.
  • ✗Eine Änderung des Lagenaufbaus in der Mitte des Entwurfs ohne Neuberechnung — durch Hinzufügen einer Schicht oder Ändern der Kerndicke werden alle zuvor berechneten Leiterbahnbreiten ungültig. Führen Sie die Impedanzberechnungen nach jeder Änderung des Lagenaufbaus erneut durch.

Häufig gestellte Fragen

Kontrollierte Impedanz bedeutet, Leiterbahnen mit einer bestimmten charakteristischen Impedanz herzustellen (50 Ohm für HF, 100 Ohm Differenz für USB/PCIe). Gemäß der Übertragungsleitungstheorie führt eine Impedanzfehlanpassung zu Reflexionen, wenn die Leiterbahnlänge Lambda/10 überschreitet (ca. 15 mm bei 1 GHz auf FR4). Eine 50-Ohm-Leiterbahn, die eine 75-Ohm-Last steuert, reflektiert 20% der Signalenergie (VSWR 1, 5:1), wodurch die Augendiagramme bei Hochgeschwindigkeitsschnittstellen um 15-40% verschlechtert werden.
Standard-Leiterplattenfabriken (JLC, PCBWay, OSHpark) erreichen eine kontrollierte Impedanz von +/- 10% gemäß IPC-6012D Klasse 2. Moderne HF-Fabs bieten +/- 5% zu einem Premium-Preis. Eine 50-Ohm-Spur bei +/- 10% ergibt einen Frequenzbereich von 45-55 Ohm, was im schlimmsten Fall zu einem VSWR von 1, 22:1 (Rückflussdämpfung 20 dB) führt — akzeptabel für die meisten HF-Frequenzen unter 6 GHz und Digitalanwendungen unter 10 Gbit/s.
Mikrostreifen: äußere Schichtspur mit Dielektrikum unten und Luft-/Lötmaske darüber. Das effektive Er ist niedriger (Feld teilweise in Luft), was bei gleicher Breite eine höhere Impedanz und eine schnellere Ausbreitung (6,1 ps/mm) ergibt. Streifenleitung: Spur der inneren Schicht, die zwischen zwei Grundflächen vergraben ist. Es gilt der volle Wert Er, was bei gleicher Breite eine niedrigere Impedanz und eine langsamere Ausbreitung (7,1 ps/mm) ergibt. Stripline bietet eine um 6-10 dB bessere Isolierung und EMV-Abschirmung gemäß Johnson/Graham.
CPWG platziert koplanares Erdkupfer neben der Leiterbahn und der darunter liegenden Massefläche. Geeignet für: (1) dicke Substrate, bei denen H > 0,3 mm die Mikrostreifenleiterbahn zu breit macht; (2) HF-Übergänge an Steckverbindern/Chip-Pads, die eine genau definierte Masse benötigen; (3) Konstruktionen, die eine seitliche Abschirmung erfordern. Der koplanare Abstand bietet zusätzliche Parameter zur Impedanzabstimmung. CPWG erreicht gemäß den Designrichtlinien von Rogers eine um +/- 3% engere Toleranz als Microstrip.
FR4 Er fällt gemäß dem Djordjevic-Sarkar-Dispersionsmodell von 4,5-4,7 bei 1 MHz auf 4,2-4,4 bei 1 GHz auf 4,0-4,2 bei 5 GHz. Diese Abweichung von 9% verschiebt die berechnete Impedanz um 4-5%. Das Tool wendet eine Frequenzkorrektur an, wenn Sie die Betriebsfrequenz eingeben. Verwenden Sie für Designs über 2 GHz gemessene Datenblattwerte oder geben Sie Rogers/Isola-Materialien mit streng kontrolliertem Er (+/ -1,5%) an.
Die symmetrische Streifenleitung hat eine Leiterbahn, die zwischen zwei Referenzebenen mit gleicher dielektrischer Höhe oben und unten zentriert ist. Eine asymmetrische Streifenleitung (häufig auf inneren Lagen) weist ungleiche Höhen auf — L2 auf einer 4-lagigen Leiterplatte hat in der Regel einen Prepreg von 0,1 mm oben und einen 1,2 mm unteren Kern (Verhältnis 12:1). Die symmetrische Formel überschätzt Z0 für asymmetrische Geometrien um 10-25%. Wählen Sie für genaue Berechnungen immer das richtige Modell aus.
t_pd = sqrt (er_eff) /c0, wobei c0 = 299,8 mm/ns ist. Für 50-Ohm-FR4-Mikrostreifen (ER_eff ungefähr 3,4) ist t_pd = 6,1 ps/mm. Für Streifenleitung (ER_eff = 4,5) ist t_pd = 7,1 ps/mm. DDR4 bei 3200 MT/s erfordert einen Versatz von <10 ps innerhalb der Byte-Lanes, sodass nur 1,6 mm Längenabweichungen auf Mikrostreifen möglich sind. Das Tool zeigt eine Übertragungsverzögerung für die aktuelle Geometrie an, um sie mit den Schnittstellenspezifikationen zu vergleichen.
Die Hammerstad-Jensen-Mikrostreifenformel ist für typische Geometrien (0,1 < W/H < 10, T/H < 0,2) gemäß IEEE MTT-S-Validierung auf +/- 1 2% genau. Die Stripline-Formeln erreichen eine Genauigkeit von +/- 1,5%. Die Genauigkeit verschlechtert sich bei extremen W/H-Verhältnissen, bei Übergängen und in der Nähe von Kupfergüssen. Für Toleranzanforderungen von +/ -3% oder weniger sollten Sie die Berechnungen mit einer 2,5D- (Polar SI9000, HyperLynx) oder 3D-EM-Simulation (CST, HFSS) ergänzen.
Ja, aber via ist eine Diskontinuität. Die Durchgangsbohrung hat einen kapazitiven Stummel (unbenutzter Zylinder unter der Signalschicht) und eine Induktivität von 1—2 nH, wodurch die Impedanz lokal verschoben wird. Unter 1 GHz ist dies in der Regel akzeptabel. Oberhalb von 1 GHz: Verwenden Sie Via-in-Pad, Back-Drill-Stubs gemäß IPC-6012E oder HDI-Micro-Vias. Stellen Sie die Kontinuität der Referenzebene auf der Zielschicht sicher und fügen Sie Verbindungsnähte innerhalb von 2 mm hinzu, um einen Rückweg mit niedriger Induktivität gemäß Johnson/Graham zu erzielen.
Leiterverlust (Hauteffekt) plus dielektrischer Verlust: für 50-Ohm-1oz-Mikrostreifen auf FR4 — bei 1 GHz: 0,10-0,15 dB/cm; bei 2,4 GHz: 0,20-0,30 dB/cm; bei 5 GHz: 0,40-0,60 dB/cm. Eine 10 cm lange WiFi-Spur bei 5 GHz verliert 4-6 dB — signifikant vor LNA. Rogers RO4350B reduziert diesen Wert auf 0,08-0,12 dB/cm bei 5 GHz. Geben Sie die Frequenz in das Tool ein, um die Dämpfung für Ihre spezifische Geometrie zu berechnen.