10-lagige Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenentwicklung für DDR5 und PCIe

Eine zehnlagige Leiterplatte kann anspruchsvolle digitale Verbindungen unterstützen, die Lagenanzahl allein garantiert jedoch keine Kompatibilität. Das Ergebnis hängt vom gesamten Kanal ab: Sendergehäuse, Breakout-Board, Durchkontaktierungen, geroutete Übertragungsleitung, Steckverbinder- oder Kabelschnittstelle, Empfängergehäuse und Entzerrung. Selbst eine Leiterplatte mit hochwertigem Laminat kann aufgrund eines resonanten Durchkontaktierungs-Stichs oder eines unterbrochenen Rückleiterpfads ausfallen; ein kürzerer Kanal auf einem kostengünstigeren Material kann hingegen funktionieren, wenn die Übergänge gut gestaltet sind.

Diese Seite befasst sich mit Kanaltechnik. Sie trennt Fakten zum öffentlichen Protokoll von formfaktorspezifischen Grenzwerten, zeigt, wie Dämpfung und Diskontinuitätsreserven zuzuordnen sind, und definiert die Nachweise, die ein Hersteller erbringen kann. Detaillierte Geometrieangaben finden sich in der Impedanzkontrollspezifikation , während die Layoutumsetzung im Routing-Leitfaden beschrieben wird.

Beginnen Sie mit dem Kanal, nicht mit der Protokollbezeichnung.

„PCIe Gen6-fähig“, „112G-Material“ und „800G-Leiterplatte“ sind unvollständige Beschreibungen. Ein Protokoll kann in verschiedenen Formfaktoren mit unterschiedlichen Anschlüssen, Reichweiten und Kanalmasken auftreten. Dieselbe Datenrate kann über eine kurze Chip-zu-Chip-Verbindung, eine Verbindung zwischen Motherboard und Erweiterungskarte oder eine Backplane mit sehr unterschiedlicher Dämpfungsverteilung übertragen werden.

Der Lieferant sollte die Unterstützung einer Schnittstelle nicht allein anhand der Materialbezeichnung und der Lagenanzahl zusichern. Eine verantwortungsvolle Antwort ist bedingt: Das vorgeschlagene Design kann erst dann angeboten und realisiert werden, wenn die Anforderungen des Kunden hinsichtlich Dämpfung, Impedanz und Übergangseigenschaften mit einem freigegebenen Lagenaufbau abgeglichen wurden.

Was die Datenrate aussagt – und was nicht

Die Datenrate bildet den Ausgangspunkt für die Spektralanalyse, die Modulation ist jedoch entscheidend. PCI Express 5.0 arbeitet mit 32 GT/s und NRZ, was einer Nyquist-Frequenz von 16 GHz entspricht. PCI Express 6.0 erreicht 64 GT/s mit PAM4 und behält die Nyquist-Frequenz von 16 GHz bei, ergänzt um FEC und FLIT. PCI Express 7.0 Version 1.0 wurde 2025 mit 128 GT/s und PAM4 veröffentlicht, wodurch die Nyquist-Frequenz auf 32 GHz ansteigt. Diese öffentlich zugänglichen Daten definieren allein nicht das Verlustbudget der Leiterplatte; dies ist die jeweilige Formfaktorspezifikation.

Die Nyquist-Frequenz ist nicht die höchste relevante Frequenz. Anstiegszeit, Jitter, Entzerrung und Diskontinuitäten erhöhen die Empfindlichkeit oberhalb der Nyquist-Frequenz. Gleichzeitig kann die Verwendung einer willkürlich hohen Frequenz für jede Berechnung die Leiterplatte überlasten. Verwenden Sie die Bandbreite und die Masken gemäß der anwendbaren Konformitätsprüfung.

Erstellen Sie ein Budget für Einfügungsverluste und Diskontinuitäten.

Das Kanalbudget sollte alle physikalischen Abschnitte zwischen den Konformitätsreferenzebenen berücksichtigen. Beispielsweise weist das öffentliche PCI-SIG-Material für einen PCIe 5.0 CEM-Kanal bei 16 GHz ein Gesamteinfügungsdämpfungsbudget von 36 dB aus. Dieser Wert gilt für den definierten Kanal und sollte nicht auf jede 32-GT/s-Topologie verallgemeinert werden. Der Leiterplattenentwickler muss die für die Implementierung relevanten Zuweisungen für Gehäuse, Steckverbinder, Erweiterungskarten oder Basisplatinen abziehen, bevor er die verfügbare Leiterbahndämpfung ermittelt.

Der Verlust ist keine einheitliche dB-pro-Zoll-Konstante.

Die Leiterbahndämpfung ändert sich mit der Frequenz, der Leiterbahnbreite, der dielektrischen Dicke, dem Kupferprofil, der Glaskonstruktion und der Art der Leiterbahn (Mikrostreifen- oder Streifenleitung). Der im Datenblatt angegebene Dämpfungswert (Df) lässt sich nicht in einen universellen Wert umrechnen. Auch die Dämpfung von Steckverbindern und Durchkontaktierungen ist frequenzabhängig, und eine Stichleitungsresonanz kann eine schmale, tiefe Kerbe erzeugen, die schädlicher ist als eine gleichmäßige, durchschnittliche Dämpfung.

Rückflussdämpfung und Übersprechen verringern die Marge ebenfalls.

Eine Verbindung kann einen bestimmten Einfügungsdämpfungswert erreichen und dennoch ausfallen, da Impedanzsprünge, Modenkonversion, Nah- oder Fernübersprechen oder Netzteilrauschen das Augendiagramm schließen. Die Bewertung serieller Verbindungen sollte daher die im Protokoll geforderten Metriken – wie Kanalbetriebsreserve, COM, statistisches Augendiagramm oder ein herstellerspezifisches Verbindungsmodell – anstelle einer reinen Verlusttabelle verwenden.

Material, Kupfer und Geometrie gemeinsam auswählen

Die Materialauswahl sollte auf dem extrahierten Kanal und nicht auf einer Protokolltabelle basieren. Dielektrisches System, Kupferrauheit und Schichtaufbaugeometrie beeinflussen sich gegenseitig. Eine breitere Leiterbahn auf einem dünnen Dielektrikum kann die Leiterverluste reduzieren, benötigt aber mehr Platz; ein Material mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante (Dk) kann die für dieselbe Impedanz erforderliche Breite verändern; eine sehr glatte Folie kann die Verluste verringern, erfordert jedoch einen qualifizierten Klebeprozess.

Hybridkonstruktionen verwenden ein verlustarmes System um die Schichten mit den empfindlichsten Leiterbahnen, während in den übrigen Bereichen ein geeignetes konventionelles Material zum Einsatz kommt. Sie können kostengünstig sein, jedoch müssen die genaue Materialkombination, die Klebeschicht und der Pressvorgang festgelegt werden. Der Leitfaden zur Materialauswahl erläutert, warum MEGTRON, I-Tera, Tachyon und spezielle verlustarme Laminatfamilien nicht automatisch als gleichwertig angesehen werden können.

Ordnen Sie Laminatnamen keine Protokollgenerationen zu.

Aussagen wie „MEGTRON 6 unterstützt acht Zoll PCIe Gen5“ oder „Tachyon ist für 112G erforderlich“ lassen zu viele Variablen außer Acht, um verlässlich zu sein. Eine kurze 112G-Leitungsroute kann auf mehreren verlustarmen Systemen realisiert werden; eine lange Route mit mehreren Steckverbindern erfordert möglicherweise eine verlustärmere Konstruktion oder eine andere Systemarchitektur. Das korrekte Ergebnis ist eine simulierte Sicherheitsmarge für die tatsächliche Leitungsroute und das Fertigungsmodell.

Glasgewebe und Schräge

Bei 112 Gbit/s und darüber kann die lokale Laufzeitabweichung aufgrund der Glasfaserverstärkung vergleichbar mit dem Laufzeit-Budget innerhalb eines Adernpaares werden. Die Glasfaserverstärkung, der Leiterbahnwinkel, die Leiterbahnbreite und die Adernpaarplatzierung sollten entsprechend der tatsächlichen Fertigung gewählt werden. Im Leiterplattenentwurf sollten alle eingeschränkten Glasfasertypen oder die im Layout verwendeten Maßnahmen zur Laufzeitkorrektur angegeben werden.

Über Übergänge, Rückbohrungen und Ausbrüche

Eine Durchkontaktierung umfasst die Kapazität des Kontaktpads, die Induktivität des Verbindungskanals und einen ungenutzten Abschnitt des Verbindungskanals unterhalb oder oberhalb der Signalverbindung. Dieser ungenutzte Abschnitt verhält sich wie ein Stichleitungsabschnitt. Seine Resonanz hängt von der elektrischen Länge und der dielektrischen Umgebung ab, daher ist eine Tabelle mit festen „maximalen Stichleitungsabschnitten pro Protokoll“ lediglich eine Planungsheuristik. Der zulässige Restwert muss aus dem Kanalmodell und der Tiefensteuerungsfähigkeit des Anbieters ermittelt werden.

Rückbohren

Beim Rückbohren wird der nicht benötigte galvanisch abgeschiedene Teil des Werkstücks mit einem Tiefenbohrer entfernt. Die Konstruktion muss die Bohrseite, die Zielschicht, den nominalen Reststumpf, die zulässige Tiefentoleranz, den Bohrüberschuss, den Sicherheitsabstand zu angrenzenden Bauteilen und das Prüfverfahren definieren. Je nach Qualitätsplan können Röntgenaufnahmen, Prozessproben, Mikroschliffaufnahmen oder maschinell durchgeführte Tiefenmessungen verwendet werden. Die Aussage „Röntgenprüfung jeder Leiterplatte“ sollte nur dann zugesichert werden, wenn die Bestellung dies ausdrücklich vorschreibt und die entsprechende Stichprobenberechnung im Preis berücksichtigt.

Blind-Vias und HDI

Blind-Mikrovias können Übergänge verkürzen und die Durchbruchdichte erhöhen, jedoch bringen gestapelte Strukturen Anforderungen an die Grenzflächenzuverlässigkeit mit sich. Die Wahl des Via-Typs hängt von Kriterien wie BGA-Escape, Layerreichweite, Routing und Qualifizierung ab – nicht nur von der Datenrate. Ein konventionelles Durchkontaktierungs-Via mit einem gut konzipierten Antipad und Back-Bohrung kann einem schlecht qualifizierten gestapelten Mikrovia überlegen sein.

Referenzübergänge

Beim Lagenwechsel eines Signals benötigt der Rückstrom einen nahegelegenen Pfad zwischen der alten und der neuen Referenzebene. Sind beide Referenzen Masse, kann dieser Pfad durch Verbindungsdurchkontaktierungen (Vias) bereitgestellt werden. Wechselt die Referenzebene zwischen Versorgungs- und Masseebene, ist möglicherweise ein geeignet platzierter Entkopplungspfad erforderlich. Der Abstand wird durch die Übergangsgeometrie und die Frequenz bestimmt; eine pauschale 50-Mil-Regel ersetzt keine Analyse.

Abbildung 3. 10-lagiger Hochgeschwindigkeits-PCB-Aufbau und Kanalübersicht.

Vor- und Nachfertigungsprüfung

Vor der Herstellung

Die Vorfertigungsprüfung sollte den Schichtaufbau, die Materialkonstruktionen, die Impedanzklassen, das Kupfermodell, kritische Via-Übergänge, die Definition der Rückbohrung und den Couponplan bestätigen. Bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen sollten die nach dem Layout ermittelten Werte mit dem Konformitätsmodell verglichen und Fertigungsecken anstelle der nominalen Geometrie berücksichtigt werden.

Nach der Herstellung

Standardmäßige Leiterplattendokumentationen können auf Anfrage Ergebnisse elektrischer Prüfungen und Impedanzmessungen umfassen. Bei Hochgeschwindigkeitsprojekten können zusätzlich Einfügedämpfungs-Coupons, Rückbohrmessungen, Mikroschnitte, Materialzertifikate oder S-Parameter-Daten des Erstmusters angefordert werden. Der benötigte Dokumentenumfang sollte vor Angebotserstellung abgestimmt werden; es ist unrealistisch, dass jeder Leiterplatte alle erforderlichen Berichte beiliegt.

IPC-TM-650 beinhaltet Verfahren zur Prüfung der charakteristischen Impedanz und des Signalverlusts. Der Kunde muss jedoch weiterhin den repräsentativen Coupon, die Akzeptanzgrenze, die Stichprobenziehung und die Chargenverwendung festlegen. Bei einem normkritischen Produkt sollten die Coupondaten mit dem extrahierten Routenmodell korreliert werden, anstatt den Coupon als eigenständige Zertifizierung zu betrachten.

Für ein Angebot zur Hochgeschwindigkeitsfertigung benötigte Informationen

Ein schnelles Angebot ist nur möglich, wenn alle technischen Unterlagen vollständig sind. Bitte liefern Sie die Fertigungsdaten, Bohr- und Routing-Dateien, die Netzliste, freigegebene oder eingeschränkte Lagenaufbauten, die Impedanztabelle, die Materialfreigaberichtlinien, die Kupferanforderungen, die Zeichnung für die Rückbohrung, die Definitionen der kontrollierten Tiefe, die Oberflächenbeschaffenheit, die Leiterplattenklasse, die Menge und die benötigten Berichte.

Bei kanalsensitiven Designs sind zusätzlich die Schnittstellen-/Formfaktorspezifikation, die Zuordnung kritischer Lagen, die maximalen Zielwerte für Leiterbahnführung oder extrahierte Verluste, alle unzulässigen Material- oder Glasarten sowie die Berechtigung des Herstellers zur Anpassung der kontrollierten Geometrie anzugeben. Merkmale, die vor CAM-Änderungen die Zustimmung des Kunden erfordern, sind zu kennzeichnen.

Der Herstellungsprozess und die dazugehörigen Aufzeichnungen sind im 10-lagigen Fertigungsleitfaden beschrieben . Die Kosten sollten anhand der gesamten Konstruktion und nicht anhand eines fixen „Hochgeschwindigkeitszuschlags“ ermittelt werden.

Fordern Sie eine Überprüfung einer Hochgeschwindigkeits-10-Lagen-Leiterplatte an.

Modellfertigung und Betriebsbereiche

Ein nominales Kanalergebnis reicht für die Serienfreigabe nicht aus. Das extrahierte Modell sollte realistische Werte für hohe und niedrige Verluste berücksichtigen: dielektrische Dicke, Dk/Df-Wert, Ätzbreite, Kupferrauheit, Durchkontaktierungsgenauigkeit und Rückbohrreste. Auch die Temperatur kann das dielektrische Verhalten und die Empfängermarge beeinflussen. Ziel ist es nicht, unrealistisch alle Worst-Case-Szenarien zu kombinieren, sondern die Variablen zu identifizieren, die die Marge maßgeblich beeinflussen, und sicherzustellen, dass die Beschaffungstoleranz diese abdeckt.

Im ersten Artikel sollten Simulations- und Fertigungsdaten korreliert werden. Ein TDR-Coupon kann die Impedanz, ein Verlust-Coupon das gewählte Dielektrikum/Kupfer-Modell und ein Rückbohr-Coupon oder Mikroschnitt die Annahme des Reststumpfes bestätigen. Weichen die Messdaten vom Modell ab, müssen Modell oder Prozess aktualisiert werden, bevor die Konstruktion als wiederverwendbare Hochgeschwindigkeitsplattform eingesetzt wird.

Die Einhaltung der Protokolle bleibt eine Systemverantwortung

Ein Lieferant von Leiterplatten kann Aufbau, elektrische Durchgängigkeit, repräsentative Impedanz und vereinbarte Prüfmuster überprüfen. Er kann jedoch keine vollständige PCIe-, Ethernet- oder Speicherverbindung ohne die bestückten Bauteile, Gehäuse, Steckverbinder, Firmware und den entsprechenden Testaufbau zertifizieren. Auf der Website sollte zwischen „gefertigt gemäß den vom Kunden freigegebenen Hochgeschwindigkeitsanforderungen“ und „protokollzertifiziert“ unterschieden werden.

Status und Implementierungsgrenzen der Standards

Schnittstellennamen müssen der Revision und dem Formfaktor des Produkts zugeordnet sein. PCI Express 7.0 Version 1.0 wurde 2025 veröffentlicht, die Grenzwerte auf Boardebene hängen jedoch weiterhin von den jeweiligen Basis- und Formfaktordokumenten ab. IEEE 802.3df-2024 deckt 400-Gbit/s- und 800-Gbit/s-Ethernet ab. Die Entwicklung von 1.6-Tbit/s-Ethernet und zusätzlichen physikalischen Schichten mit 200/400/800 Gbit/s wird unter IEEE P802.3dj fortgesetzt. Daher muss bei einem auf dieser Entwicklung basierenden Design der genaue Entwurf oder die verwendete Kundenspezifikation angegeben werden. Projekte der OIF-224G-Klasse definieren ebenfalls mehrere Reichweitenkategorien anstelle eines universellen PCB-Kanals.

Diese Unterscheidung ist für die Fertigung relevant, da sich Dämpfungsmasken, Gehäuseannahmen, Steckverbinder, Testvorrichtungen und Entzerrung je nach Implementierung unterscheiden. Ein Lieferant sollte niemals „800G“, „1.6T“ oder „224G“ ohne die maßgebliche Kanaldefinition in ein festes Material, eine feste Leiterbahnlänge oder einen festen Rückbohrwert umrechnen.

Abmeldung des Hochgeschwindigkeitskanals

• Identifizieren Sie die Schnittstellenrevision, den Formfaktor, die Endpunkte und die Konformitätsmethode.
• Verluste, Rückflussdämpfung, Übersprechen und Diskontinuitätsreserven auf Gehäuse, Leiterplatte, Durchkontaktierungen und Steckverbinder verteilen.
• Wählen Sie Laminat, Kupferprofil und Geometrie aus dem extrahierten Kanal und nicht aus der Protokollbezeichnung.
• Modellfertigungsecken für dielektrische Dicke, Dk/Df, Kupferrauheit, Linienbreite, Via-Tiefe und Registrierung.
• Definieren Sie repräsentative Impedanz- und Verlustcoupons getrennt von den Konformitätsprüfungen auf Produktebene.
• Die gleichen Stackup- und Pad-Stack-Revisionen sollen an die Layout-, Simulations-, Fertigungs- und Testteams weitergegeben werden.

Von der Simulation zur Korrelation erster Artikel

Ein Kanalmodell ist besonders nützlich, wenn das hergestellte Erstprodukt mit den zugrunde liegenden Annahmen in Verbindung gebracht werden kann. Der Korrelationsplan sollte festlegen, welche Abmessungen und Materialvariablen gemessen, welche Prüflinge getestet und wie diese Ergebnisse das Modell aktualisieren.

Korrelation bedeutet nicht, Messdaten an ein optimistisches Modell anzupassen. Vielmehr bedeutet sie, das Modell mit der tatsächlichen Fertigungskonstruktion zu aktualisieren und zu prüfen, ob der Kanal die Toleranzgrenzen im Prozess und im Betrieb weiterhin einhält. Wenn die Korrelation zeigt, dass die Kupferrauheit, der Harzanteil oder die Durchkontaktierungstiefe von der Annahme abweichen, kann die Korrekturmaßnahme eine Änderung der Materialkontrolle, eine Überarbeitung der Übergangskonstruktion oder eine Anpassung der Routing-Grenzen sein – und nicht einfach eine engere Impedanztoleranz.