Die Rolle des Durchkontaktierungsdesigns für die Leiterplattenleistung: Arten, Verwendungen und bewährte Praktiken

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Da elektronische Geräte schneller, kleiner und komplexer werden, wird das komplizierte Design von Leiterplatten noch wichtiger – und von ihren vielen wichtigen Funktionen heben sich die Durchkontaktierungen als eine der kleinsten und dennoch wichtigsten Komponenten hervor.

Mit bloßem Auge können die Durchkontaktierungen wie kleine Löcher erscheinen, die über die vertrauten grünen oder blauen Oberflächen einer Leiterplatte verstreut sind. Aber Ihre Rolle ist alles andere als unbedeutend. Diese kleinen, leitfähigen Leitungen verbinden verschiedene Lagen einer Leiterplatte, sodass Signale und Leistung nahtlos durch die mehrschichtige Struktur fließen können. Ohne Durchkontaktierungen wären die hoch entwickelten Schaltkreise, auf die wir uns jeden Tag verlassen, einfach nicht möglich.

Durchkontaktierungen gewährleisten die Signalintegrität, sorgen für die Aufrechterhaltung der elektrischen Konnektivität und verwalten die thermische Leistung. Ihr Design, ihre Platzierung und ihr Typ können die Leistung einer Leiterplatte verbessern oder unterbrechen, was sich direkt auf die Zuverlässigkeit und Effizienz des gesamten Systems auswirkt.

Für alle, die sich mit dem Leiterplattenlayout oder der Elektrotechnik befassen, ist es von entscheidender Bedeutung, die verschiedenen Arten von Durchkontaktierungen zu verstehen – zusammen mit ihren Anwendungen und bewährten Designpraktiken. Ob Durchgangsbohrung, Blindlöcher oder vergrabene Durchkontaktierungen – sie alle erfüllen einen bestimmten Zweck und werden mit eigenen Designüberlegungen geliefert. Bei der Optimierung durch Implementierung geht es nicht nur um das Verbinden von Lagen, sondern auch darum, dass die Leiterplatte – und das von ihr versorgte Gerät – optimal funktioniert.

In diesem Artikel werden wir tiefer in die Welt der Leiterplattendurchkontaktierungen eintauchen, ihre entscheidende Rolle in der modernen Elektronik beleuchten und Einblicke bieten, wie ein durchdachtes Durchkontaktierungsdesign die Gesamtleistung des Systems erheblich verbessern kann.

Was ist eine Durchkontaktierung?

Im Kern ist eine Durchkontaktierung ein leitfähiger Pfad, der die Übertragung elektrischer Signale oder Strom zwischen den Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte ermöglicht. Diese Leitungen werden durch das Bohren kleiner Löcher in die Platine gebildet, die dann mit leitfähigem Material – in der Regel Kupfer – beschichtet werden. Ohne Durchkontaktierungen wäre eine Leiterplatte auf eine einzige Schaltungslage beschränkt, was ihre Funktionalität und Dichte stark einschränkt.

Aber Durchkontaktierungen sind mehr als nur vertikale Tunnel, sie sind ein wesentlicher Bestandteil der Signalführung. Bei Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzdesigns müssen ihre elektrischen Eigenschaften wie Induktivität, Kapazität und Impedanz sorgfältig berücksichtigt werden, um Leistungseinbußen zu vermeiden.

Die Verwendung von Durchkontaktierungen im Leiterplattendesign

Durchkontaktierungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Leistung und Funktionalität der Leiterplatte. Ihre Hauptverwendungszwecke umfassen:

• Signalübertragung: Durchkontaktierungen ermöglichen es elektrischen Signalen, die verschiedenen Lagen der Leiterplatte zu durchqueren und dabei Schaltkreise und Komponenten über verschiedene Ebenen zu verbinden. Dies ist bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen von entscheidender Bedeutung, bei denen die Signalintegrität erhalten bleiben muss.

• Stromverteilung: Durchkontaktierungen unterstützen die Stromverteilung und Masseverbindungen über die Lagen und stellen so sicher, dass die Komponenten ohne Störungen eine stabile Stromversorgung erhalten.

• Wärmemanagement: Die Wärmeableitung ist für die Vermeidung von Komponentenausfällen von entscheidender Bedeutung. Durchkontaktierungen, die mit leitfähigen Materialien wie Kupfer gefüllt sind, tragen zur Wärmeableitung von kritischen Bereichen bei.
• Platzoptimierung: Durch die Aktivierung von Verbindungen zwischen Lagen ermöglichen Durchkontaktierungen kompaktere Designs, die eine höhere Komponentendichte bei kleineren Leiterplattenabmessungen ermöglichen.

Arten von Durchkontaktierungen und ihre Anwendungen

Es gibt verschiedene Arten von Durchkontaktierungen, die jeweils auf bestimmte Leiterplattenkonfigurationen und Leistungsanforderungen zugeschnitten sind (Abbildung 1). Die häufigste ist die Durchgangsbohrung, die von der obersten zur untersten Lage führt und jede Lage dazwischen verbindet. Während einfache und kostengünstige Durchgangsbohrungen wertvolle Platinenflächen belegen und unerwünschte Störeffekte in Hochgeschwindigkeitsdesigns verursachen können.

Um diese Probleme zu lösen, verwenden Designer oft blinde und vergrabene Durchkontaktierungen. Blinde Durchkontaktierungen verbinden eine äußere Lage mit einer oder mehreren inneren Lagen, ohne dass sie durch die Platine vollständig durchdringen. Vergrabene Durchkontaktierungen sind vollständig in die inneren Lagen eingeschlossen, die von der Oberfläche der Platine aus unsichtbar sind. Diese Durchkontaktierungstypen ermöglichen eine höhere Lagendichte und eine bessere Kontrolle der Signalintegrität, wenn auch zu höheren Herstellungskosten.

Außerdem gibt es Microvias, die ein Eckpfeiler von High-Density-Interconnect(HDI)-Designs sind. Diese sind lasergebohrt und haben in der Regel einen Durchmesser von weniger als 150 Mikrometer. Aufgrund ihrer geringen Größe und der Fähigkeit, gestapelt oder versetzt zu werden, ermöglichen Microvias eine engere Signalführung und feinere Komponenten, die in modernen Smartphones, tragbaren und kompakten IdD‑Geräten unverzichtbar sind.

Ein weiterer weniger glamouröser, aber sehr wichtiger Typ ist der thermische Durchkontaktierung. Diese werden häufig verwendet, um Wärme von Hochleistungskomponenten wegzuleiten und sie auf einen größeren Kupferbereich oder sogar auf einen Kühlkörper auf einer anderen Lage zu übertragen. Das Wärmemanagement ist ein häufig unterschätzter Aspekt des Durchkontaktierungsdesigns, der jedoch in der Leistungselektronik und LED‑Platinen entscheidend wird.

Abbildung 1: Querschnitt einer mehrlagigen Leiterplatte mit Durchgangsbohrungen, blinden und vergrabenen Durchkontaktierungen (Quelle: GlobalWell PCBA)

Auswirkungen auf Signalintegrität und Leistung

Das Durchkontaktierungsdesign spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Signalintegrität, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen, bei denen jeder Aspekt des Signalpfads entscheidend ist. Das Vorhandensein von Durchkontaktierungen kann zu Unterbrechungen im Signalpfad führen, was zu Reflexionen und Impedanzfehlzuordnungen führen kann, welche die Signalqualität beeinträchtigen können. Um diese Effekte zu mindern, setzen Designer häufig Techniken wie Rückbohrungen ein, um ungenutzte Durchkontaktierungsblindleitungen zu entfernen, die ansonsten als resonante Strukturen wirken und die Signalintegrität beeinträchtigen können.

Das Wärmemanagement (Abbildung 2) stellt einen weiteren entscheidenden Aspekt dar, bei dem das Durchkontaktierungsdesign einen erheblichen Einfluss hat. Thermische Durchkontaktierungen, die speziell in der Nähe von Hochleistungskomponenten entworfen und platziert wurden, schaffen effiziente Wege für die Wärmeableitung. Die strategische Platzierung dieser Durchkontaktierungen hilft, die Bildung von Wärmestau zu verhindern und sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung auf die gesamte Platine, was letztendlich die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des elektronischen Systems erhöht.

Abbildung 2: Detailansicht einer Leiterplatte mit thermischen Durchkontaktierungen (Quelle: FS PCBA)

Bewährte Praktiken für Durchkontaktierungsdesign

Ein effektives Durchkontaktierungsdesign ist entscheidend für hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz bei Leiterplatten. Nachfolgend finden Sie einige empfohlene Vorgehensweisen.

Minimierung der Durchkontaktierungsanzahl

Während Durchkontaktierungen für Lagenübergänge von entscheidender Bedeutung sind, führt jede einzelne eine Störeffektinduktivität und ‑kapazität ein. Diese Störeffektelemente können sich negativ auf die Signalintegrität auswirken, insbesondere bei höheren Frequenzen.

• Induktivität: Eine Durchkontaktierung fungiert als kurze Länge des Drahtes, der inhärent Induktivität besitzt. Diese Induktivität kann zu Impedanzunterbrechungen führen, die zu Signalreflexionen führen. Die Induktivität einer Durchkontaktierung ist ungefähr proportional zu ihrer Länge. Daher verringert die Minimierung der Anzahl der Lagenänderungen, denen ein Signal ausgesetzt ist, die induktive Gesamtwirkung.

• Kapazität: Der Zylinder der Durchkontaktierungen und die umgebenden Ebenen bilden einen parallelen Plattenkondensator. Diese Kapazität kann Signalverzögerungen verursachen und die Impedanz beeinträchtigen. Die Kapazität wird durch den Durchkontaktierungsdurchmesser, den Abstand zu den umgebenden Ebenen und die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattenmaterials beeinflusst.

Techniken zur Minimierung der Durchkontaktierungsanzahl:

• Strategische Lagenzuweisung: Durch die sorgfältige Planung des Lagenaufbaus und die Zuweisung von Signalen zu Ebenen können übermäßige Lagenübergänge vermieden werden. Durch das Gruppieren von zugehörigen Signalen auf benachbarten Lagen kann die Anzahl der für ihre Verbindung erforderlichen Durchkontaktierungen minimiert werden.
• Optimierte Signalführungsstrategien: Durch den Einsatz effizienter Signalführungstechniken wie Priorisierung der horizontalen Signalführung auf jeder Lage vor dem Übergang zu einer anderen können unnötige vertikale Verbindungen minimiert werden.
• Komponentenplatzierung: Die intelligente Komponentenplatzierung kann ebenfalls eine Rolle spielen. Wenn Sie Komponenten, die eng miteinander verbunden werden müssen, auf derselben Lage platzieren, kann dies die Notwendigkeit verringern, Signale über Durchkontaktierungen durch mehrere Lagen zu leiten.

Optimierung der Durchkontaktierungsplatzierung

Die Platzierung von Durchkontaktierungen ist genauso wichtig wie ihre Anzahl (Abbildung 3). Schlecht platzierte Durchkontaktierungen können zu längeren Leiterbahnlängen führen und Probleme mit der Signalintegrität verstärken.

• Verkürzung der Leiterbahnlänge: Wenn Sie Durchkontaktierungen näher an den Komponentenstiften platzieren, wird die Leiterbahnlänge auf jeder Lage minimiert. Kürzere Leiterbahnen weisen im Allgemeinen eine bessere Signalintegrität aufgrund reduzierter Verluste und Reflexionen auf.
• Vermeiden scharfer Biegungen: Wenn eine Kurve durch eine Durchkontaktierung übergeht, vermeiden Sie scharfe 90‑Grad‑Biegungen unmittelbar vor oder nach den Durchkontaktierungen. Diese scharfen Biegungen können zu Impedanzunterbrechungen führen. Verwenden Sie stattdessen graduelle Kurven oder Gehrungen, um einen glatteren Signalpfad zu gewährleisten.
• Aufrechterhaltung der Signalkontinuität: Bei der Signalführung von differenziellen Paaren oder anderen kritischen Signalen ist darauf zu achten, dass die für beide Signale verwendeten Durchkontaktierungen symmetrisch und so nah wie möglich beieinanderliegen. Dies trägt dazu bei, die Signalbalance aufrechtzuerhalten und Verzerrungen zu minimieren.
• Masse- und Stromdurchkontaktierungen: Bei Masse- und Stromverbindungen kann die strategische Platzierung mehrerer Durchkontaktierungen dazu beitragen, die Induktivität zu reduzieren und die Strombelastbarkeit zu verbessern, was zu einem stabileren Stromversorgungsnetz beiträgt. Eine gleichmäßige Verteilung der Erdungskontakte kann auch die Signalrückkehrpfade verbessern.

Abbildung 3: Nahaufnahme einer Leiterplatte mit dichtem BGA‑Layout unter Verwendung von Microvias (Quelle: Altium Resources)

Verwendung einer geeigneten Durchkontaktierungsgröße

Die Abmessungen einer Durchkontaktierung – ihr Bohr- und Paddurchmesser – müssen je nach Anwendung sorgfältig berücksichtigt werden.

• Bohrdurchmesser: Kleinere Bohrdurchmesser führen im Allgemeinen zu einer geringeren Störeffektkapazität und einer geringeren Stellfläche auf den Leiterplattenlagen, was eine höhere Signalführungsdichte ermöglicht. Kleinere Durchkontaktierungen können jedoch Einschränkungen hinsichtlich der aktuellen Tragfähigkeit und der Herstellbarkeit haben (Größenverhältnis – Verhältnis der Plattendicke zum Bohrdurchmesser).
• Paddurchmesser: Das Pad stellt die Verbindung zwischen dem Durchkontaktierungszylinder und der Kupferspur auf jeder Lage her. Die Padgröße muss groß genug sein, um eine zuverlässige Verbindung während des Lötens zu gewährleisten und mögliche Fehlausrichtungen während der Fertigung zu vermeiden. Größere Pads können jedoch die Störeffektkapazität erhöhen und den Signalführungsplatz einschränken.
• Strombelastbarkeit: Bei Leistungsdurchkontaktierungen ist der Durchmesser des Durchkontaktierungszylinders entscheidend für die Handhabung des erforderlichen Stroms ohne übermäßigen Spannungsabfall oder Erwärmung. Durchkontaktierungen mit größerem Durchmesser bieten einen geringeren Widerstand.
• Signalfrequenz: Bei höheren Frequenzen werden oft kleinere Durchkontaktierungen bevorzugt, um Signalreflexionen und Impedanzunterbrechungen zu minimieren.

Berücksichtigung von Durchkontaktierungsblindleitungseffekten

Durchgangsbohrungen, die mehr Lagen als nötig verbinden, erzeugen Blindleitungen – ungenutzte Teile des Durchkontaktierungszylinders. Diese Blindleitungen können als Resonanzstrukturen wirken und Signalreflexionen und ‑integritätsprobleme verursachen, insbesondere bei höheren Frequenzen, bei denen die Blindleitungslänge zu einem signifikanten Bruchteil der Signalwellenlänge wird.

Techniken zur Vermeidung von Durchkontaktierungsblindleitungseffekten:

• Rückbohren (kontrolliertes Tiefenbohren): Bei diesem Prozess wird der ungenutzte Teil des Durchkontaktierungszylinders nach der ersten Beschichtung von der Rückseite der Leiterplatte ausgebohrt. Durch das Rückbohren wird die Länge der Blindleitung effektiv eliminiert oder erheblich reduziert. Es fügt jedoch einen zusätzlichen Fertigungsschritt und zusätzliche Kosten hinzu.
• Blinde und vergrabene Durchkontaktierungen: Naturgemäß reichen blinde und vergrabene Durchkontaktierungen nicht durch alle Lagen, wodurch die Bildung von Blindleitungen für die angeschlossenen Signale entfällt. Dies ist ein wesentlicher Vorteil bei Hochgeschwindigkeitsdesigns.
• Optimierung der Durchkontaktierungsplatzierung: Manchmal kann eine sorgfältige Lagenzuweisung und Durchkontaktierungsplatzierung die Länge der Blindleitungen minimieren, selbst bei Durchgangsbohrungen. Wenn beispielsweise ein Signal in einer 4‑lagigen Platine von Lage 1 zu Lage 3 übergeht, kann es hilfreich sein, die Durchkontaktierung so zu platzieren, dass die Blindleitung auf Schicht 4 kurz ist.

Sicherstellen einer ordnungsgemäßen Impedanzanpassung

Durchkontaktierungen führen aufgrund ihrer induktiven und kapazitiven Eigenschaften zu Impedanzunterbrechungen im Signalpfad. Diese Unterbrechungen können Signalreflexionen verursachen, welche die Signalintegrität beeinträchtigen.

Techniken zur Verbesserung der Impedanzanpassung um Durchkontaktierungen herum:

• Erdebenenfreigabe: Die Freiräume zwischen dem Durchkontaktierungspad und der umgebenden Erdebene beeinflusst die Kapazität und Impedanz der Durchkontaktierung. Die Optimierung dieses Abstands kann helfen, die Impedanz der Durchkontaktierung mit der Kurvenimpedanz abzustimmen.
• Hinzufügen von Erddurchkontaktierungen: Die Platzierung von Erddurchkontaktierungen in der Nähe von Signaldurchkontaktierungen kann dazu beitragen, einen besseren Rückführungspfad für hochfrequente Signale zu ermöglichen und Impedanzunterbrechungen zu reduzieren. Diese Erddurchkontaktierungen schaffen effektiv eine kontrolliertere elektromagnetische Umgebung um das Signal herum.
• Via-Stitching: Bei kritischen Signalen, insbesondere bei hohen Frequenzen, kann die Verwendung mehrerer nah voneinander abgesetzter Durchkontaktierungen (über Stitching) dazu beitragen, eine einheitlichere Impedanzumgebung zu schaffen und die Signalintegrität zu verbessern.

Überlegungen zur Fertigung und Industriestandards

Der Herstellungsprozess für Leiterplattendurchkontaktierungen erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung von Branchenstandards und bewährten Praktiken. Das Institute for Printed Circuits (IPC) bietet umfassende Richtlinien durch Standards wie IPC‑2221 und IPC‑6012, die Anforderungen für Durchkontaktierungsdesign und ‑leistung festlegen. Diese Standards gewährleisten Konsistenz und Zuverlässigkeit bei der Leiterplattenproduktion und berücksichtigen gleichzeitig kritische Aspekte wie Schutz- und Qualifizierungsanforderungen.

Moderne Fertigungstechniken haben die Möglichkeiten der Durchkontaktierungsimplementierung erweitert, weisen aber auch bestimmte Einschränkungen auf, die Designer berücksichtigen müssen. Die Herstellung von blinden und vergrabenen Durchkontaktierungen umfasst beispielsweise komplexe Prozesse, die präzise Bohr- und Beschichtungstechniken erfordern. Das Größenverhältnis von Durchkontaktierungen – das Verhältnis zwischen Bohrungsdurchmesser und ‑tiefe – bleibt ein kritischer Aspekt, der sowohl die Herstellbarkeit als auch die Zuverlässigkeit beeinflusst.

05.06.2025