PCB Via Design in Hochgeschwindigkeitsschaltungen: Stub, Backdrilling und Signalintegrität

Vias sind beim Routing leicht zu übersehen.

Es sind nur vertikale Verbindungen - bis sie anfangen, Ihr Signal zu unterbrechen.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten verhalten sich Durchkontaktierungen nahezu ideal.
Bei hohen Geschwindigkeiten führen sie:

• Impedanzsprünge
• Reflexionen
• zusätzliche Einfügungsdämpfung

Die meisten Probleme entstehen durch eine sogenannte über Stummel.

Was ist ein PCB-Via?

Ein Via ist ein plattiertes Loch, das verschiedene Schichten einer Leiterplatte miteinander verbindet.

Gängige Typen:

• Durchgangsbohrung (von oben nach unten)
• Blinddurchgang (von der äußeren zur inneren Schicht)
• vergrabenes Via (nur innere Schichten)

Elektrisch gesehen ist ein Via nicht nur eine Verbindung - es verhält sich wie eine kleine Übertragungsstruktur.

Was ist ein Via Stub?

Ein Via-Stummel ist der ungenutzte Teil eines Vias, der über die Signalschicht hinausgeht.

Beispiel:

• Signal geht von Schicht 1 → Schicht 3
• über weiter nach unten bis zur Schicht 8
• der ungenutzte Abschnitt (Schicht 3 → 8) ist die Stichleitung

Dieser Stub wirkt wie ein Resonanzstruktur.

Warum Via Stubs ein Problem sind

Bei hohen Frequenzen verhält sich die Stichleitung wie eine offene Übertragungsleitung.

Dies schafft:

• Reflexionen
• Resonanz bei bestimmten Frequenzen
• Signalverzerrung

In Messungen zeigt sich dies oft als:

• Einbrüche in der Einfügedämpfung
• unerwartete Impedanzänderungen

Verwandtes Konzept: PCB-Einfügedämpfung erklärt (Dielektrischer Verlust vs. Leitungsverlust)

Wann sind Via Stubs von Bedeutung?

Nicht jeder Entwurf muss sich um sie kümmern.

Sie werden wichtig, wenn:

• die Datenraten sind hoch (mehrere Gbps)
• Signalflanken sind sehr schnell
• die Anzahl der Lagen ist groß (längere Vias)

Bei Konstruktionen mit niedrigeren Geschwindigkeiten ist der Effekt in der Regel vernachlässigbar.

Backdrilling (Wie das Problem behoben wird)

Durch das Aufbohren wird der ungenutzte Teil der Durchkontaktierung entfernt.

Prozess:

• das Via normal bohren
• dann von der gegenüberliegenden Seite bohren, um den Stummel zu entfernen

Ergebnis:

• kürzer wirksam über
• geringere Reflexion
• verbesserte Signalintegrität

Backdrill vs. kein Backdrill

Aspekt	Ohne Backdrill	Mit Backdrill
über Stummel	Gegenwart	entfernt
Reflexionen	höher	unter
Einfügungsdämpfung	höher	unter
Kosten	unter	höher

Backdrilling verursacht zusätzliche Kosten, löst aber oft echte SI-Probleme.

Andere Möglichkeiten zur Verringerung der Auswirkungen

Backdrilling ist nicht die einzige Option.

1. Verwenden Sie Blind-/Verdeckte Durchgänge

Diese vermeiden lange Stummel vollständig.

• bessere Signalleistung
• höhere Herstellungskosten

2. Ebenenübergänge minimieren

Jede Durchquerung führt zu einer Diskontinuität.

Weniger Übergänge → bessere Signalqualität.

3. Optimieren der Anti-Pad-Größe

Der Abstand um das Via (Anti-Pad) beeinflusst die Impedanz.

• zu klein → höhere Kapazität
• zu groß → Impedanzfehlanpassung

4. Via-in-Pad verwenden (wenn nötig)

Häufig in Designs mit hoher Dichte.

• kurzer Signalweg
• reduzierte Induktivität

Er erfordert jedoch eine ordnungsgemäße Füllung und Beschichtung.

Via-Design und Impedanz

Ein Via ist nicht impedanzneutral.

Sie führt ein:

• Kapazität (zu Ebenen)
• Induktivität (durch den Lauf)

Dadurch entsteht eine Impedanzdiskontinuität.

In Hochgeschwindigkeitsdesigns werden Durchkontaktierungen oft wie Leiterbahnen modelliert und abgestimmt.

Stackup-Interaktion: FR4 PCB Stackup Design Leitfaden

Hin- und Rückweg

Der Rückstrom muss dem Signal durch den Via-Übergang folgen.

Wenn keine Referenz in der Nähe ist, über:

• der Rückweg ist unterbrochen
• Schleifenbereich vergrößert sich
• Lärmerhöhungen

Lösung:

• Massedurchführungen in der Nähe von Signaldurchführungen anbringen

Weitere Einzelheiten: PCB-Rückleitung und Massefläche im Hochgeschwindigkeitsdesign

Wie man Durchkontaktierungen für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten entwirft

Praktische Gestaltungshinweise

Aus echten Entwürfen:

• über Stubs zeigen sich oft unerklärliche Verlustspitzen
• Backdrilling ist bei Hochgeschwindigkeits-Backplanes üblich
• Ignorieren von Rückleitungsdurchführungen verursacht EMI-Probleme
• Via-Design wird mit steigender Datenrate wichtiger

Schlussfolgerung

Beim Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign sind Durchkontaktierungen nicht mehr “nur Verbindungen”.”

Sie führen Impedanzunterbrechungen ein und können die Signalintegrität erheblich beeinträchtigen. Insbesondere Durchgangsstichleitungen können bei hohen Frequenzen zu Reflexionen und Resonanzproblemen führen.

Ein sorgfältiges Via-Design - einschließlich Backdrilling, Geometriekontrolle und korrekter Planung des Rücklaufs - ist für eine zuverlässige Hochgeschwindigkeitsleistung unerlässlich.

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