In heutigen Hochgeschwindigkeits-Digital- und RF-Systemen ist die Leiterplatte (PCB) weit mehr als nur eine mechanische Trägerstruktur. Mit Datenraten im Multi-Gigabit-pro-Sekunde (Gbps)-Bereich bestimmen die elektrischen Eigenschaften des Laminats direkt, ob Signale sauber, synchron und verzerrungsfrei bleiben.
Dieser Artikel beleuchtet die zwei wichtigsten Parameter für Hochfrequenz- und High-Speed-Designs — die Dielektrizitätskonstante (Dk) und den Verlustfaktor (Df, tan δ) — und erklärt, wie sie Signalausbreitung, Dämpfung und Zuverlässigkeit beeinflussen. Zudem wird klar, warum niedriges Dk und niedriges Df heute für moderne High-Speed-Schaltungen unverzichtbar sind.
Warum elektrische Performance im High-Speed-PCB-Design zählt
Bei niedrigen Geschwindigkeiten dient eine Leiterplatte vor allem als mechanischer Rahmen und Verdrahtungsplattform. Erreichen die Flanken jedoch Pikosekunden-Zeitskalen, wird das Board selbst Teil des Übertragungskanals.
Das Laminat steuert dann die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen — und beeinflusst Laufzeit, Impedanz, Übersprechen und Dämpfung.
Typische Anwendungen, in denen Laminateigenschaften kritisch sind:
- High-Speed-Serienschnittstellen (PCIe, USB 4.0, SATA, SerDes)
- Backplanes in Rechenzentren und KI-Computing
- 5G- und Mikrowellen-RF-Module
- Luft- und Raumfahrt, Radar, Verteidigung
Wer die dielektrischen Eigenschaften ignoriert, riskiert Signalverschlechterung, Jitter und Timing-Fehler, die sich nachträglich kaum beheben lassen.
Dielektrizitätskonstante (Dk): der Parameter für die Signalausbreitung
Bedeutung von Dk
Die Dielektrizitätskonstante (relative Permittivität) beschreibt, wie viel elektrische Energie ein Material in einem elektrischen Feld speichern kann.
Formal gilt:
Dk = Kapazität mit Dielektrikum / Kapazität in Luft.
Ein höheres Dk bedeutet größere Energiespeicherung, aber langsamere Signalausbreitung.
Einfluss von Dk auf die Geschwindigkeit
Die Signalausbreitungsgeschwindigkeit im Dielektrikum ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel von Dk:
v ∝ 1 / √Dk
Daraus folgt:
- Niedrigeres Dk → schnellere Ausbreitung, geringere Laufzeit
- Höheres Dk → langsamere Ausbreitung, mehr Timing-Skew
Referenzwerte:
- Luft: Dk ≈ 1
- Standard-FR-4: Dk ≈ 4,2–4,5
- Rogers 4350B: Dk ≈ 3,48
Diese Reduktion kann die Laufzeit um 15–20 % verringern — ein deutlicher Gewinn bei Multi-Gbps-Signalen.
Verlustfaktor (Df): Maß für Energieverluste
Was Df ausdrückt
Der Verlustfaktor (Df), auch Verlustwinkel-Tangens (tan δ), ist das Verhältnis der im Dielektrikum verlorenen Energie zur insgesamt eingekoppelten Energie.
Praktisch: Df zeigt, wie viel der Signalenergie als Wärme im PCB verloren geht.
Warum Df wichtig ist
Mit steigender Frequenz kann die molekulare Polarisation nicht mehr folgen — die dielektrischen Verluste nehmen zu. Materialien mit hohem Df verursachen:
- stärkere Signaldämpfung
- geringere Amplitude hoher Frequenzanteile
- geschlossene bzw. verzerrte Augendiagramme
Typische Werte:
- Standard-FR-4: Df ≈ 0,020
- Low-Loss-FR-4 (z. B. MEGTRON 6): Df ≈ 0,005
- Ultra-Low-Loss-PTFE (z. B. Rogers 3003): Df < 0,001
Ein niedriger Df bedeutet sauberere, zuverlässigere Signale bei hohen Datenraten.
Vom Lumped-Element zur Übertragungsleitung
Bei niedrigen Frequenzen verhält sich eine Leiterbahn wie eine einfache RC-Parallelschaltung.
Sobald die Leiterbahnlänge jedoch vergleichbar mit der Flanken-Ausbreitungsstrecke wird, muss sie als Übertragungsleitung betrachtet werden.
In diesem Regime bestimmt Dk:
- Signallaufzeit (Ausbreitungsgeschwindigkeit)
- Wellenimpedanz (charakteristische Impedanz)
- Timing-Skew und Reflexionsverhalten
Nicht-uniformes oder hohes Dk führt leicht zu Reflexionen, Impedanzfehlanpassungen und EMV-Problemen. Daher sind niedriges, eng toleriertes Dk und gute Materialkonstanz essenziell für stabile Signalintegrität.
Dielektrische Verluste vs. Frequenz
Die dielektrischen Verluste hängen von Dk und Df ab. Näherungsweise gilt:
Dämpfung ∝ √Dk × tan δ
Mit der Frequenz steigen die Verluste nahezu linear. Im Multi-GHz-Bereich gilt:
- Hochfrequente Signalanteile werden rasch als Wärme dissipiert
- Anstiegszeiten verlängern sich
- Die effektive Bandbreite schrumpft
In Multi-Gbps-Links (25 G, 56 G, 112 G PAM4) kann bereits ein kleiner Df-Unterschied große Effekte auf Insertion Loss und BER (Bitfehlerrate) haben.
Frequenz- und Umweltstabilität
In der Praxis sind Dk und Df nicht konstant; sie variieren mit:
- Frequenz: Polarisationsverzögerung verändert Dk und Df
- Temperatur: höhere Temperatur → niedrigeres Dk, höheres Df
- Feuchtigkeit: Feuchteaufnahme → höheres Dk und größere Verluste
Große Schwankungen über Frequenz oder Umweltbedingungen führen zu:
- inkonsistenter Signalgschwindigkeit
- Impedanzdrift
- mehr Jitter und Timing-Fehlern
Hochwertige High-Speed-Laminate müssen daher nicht nur niedrige Dk-/Df-Werte bieten, sondern auch flache, stabile Eigenschaften über weite Frequenz- und Umgebungsbereiche.
Fazit: Materialeigenschaften definieren die Systemleistung
Im High-Speed-Design ist das PCB-Substrat kein passives Element — es ist aktiver Teil des Signalpfads.
- Dk bestimmt Signalgeschwindigkeit und Laufzeit.
- Df bestimmt Energieverlust und Augendiagramm-Qualität.
- Stabilität sichert vorhersagbares Verhalten über die Zeit.
Die richtige Laminatauswahl — z. B. Rogers, Isola oder Panasonic MEGTRON — erhöht die Bandbreite, reduziert Jitter und hilft, strenge Eye-Mask-Anforderungen einzuhalten.
Im Zeitalter von Gigabit- bis Terahertz-Daten sind PCB-Materialien so kritisch wie die Chips, die sie verbinden. Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor setzen den Performance-Deckel jedes High-Speed-Systems.
