Wie die dielektrischen Materialien von PCBs die Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität beeinflussen: Anstiegszeit, Eye-Diagramme und Verluste erklärt

In der Welt der digitalen Hochgeschwindigkeitskommunikation ist Signal Integrity (SI) der ultimative Maßstab für Systemzuverlässigkeit. Unter den vielen Einflussgrößen auf die SI werden die elektrischen Eigenschaften des PCB-Substrats häufig unterschätzt.

Ob 10-Gbps-Ethernet, PCIe Gen5/6 oder DDR5: Die Signalqualität dreht sich längst nicht mehr um „ist es verbunden?“, sondern darum, ob die Wellenform noch so aussieht, wie sie soll. Dieser Artikel zeigt, wie die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df) eines Substrats die Leistungsgrenzen eines Hochgeschwindigkeits-PCBs direkt bestimmen – betrachtet durch die Linsen Anstiegszeit, Bandbreite und Eye-Diagramm.

Anstiegszeit, Bandbreite – und was dahinter steckt

In einem digitalen Übertragungssystem steht die Logik „1“ für eine hohe Spannung, „0“ für eine niedrige. Ein Hochgeschwindigkeitssignal ist keine perfekte Rechteckwelle – jeder Pegelwechsel ist die Überlagerung vieler Sinusanteile. Je kürzer die Anstiegszeit, desto mehr Hochfrequenzanteile enthält das Signal – und desto breiter muss die Bandbreite sein.

Gängig ist die Beziehung:

Bandbreite (GHz) ≈ 0,35 / Anstiegszeit (ns)

Beispiel: Eine Anstiegszeit von 35 ps entspricht einer benötigten Bandbreite von ≈ 10 GHz.

Anders gesagt:

• Kürzere Anstiegszeit → schnelleres Signal → mehr Hochfrequenzenergie.
• Alles, was diese hohen Frequenzen begrenzt – z. B. dielektrische Verluste – verlangsamt die Flanke und verzerrt die Wellenform.

Das Eye-Diagramm: Der Gesundheitscheck für High-Speed-Links

Das Eye-Diagramm ist eines der am häufigsten verwendeten Werkzeuge zur Bewertung der Link-Qualität. Durch das Überlagern vieler Signalabschnitte entsteht ein „Auge“, das die kombinierten Effekte von Rauschen, Jitter und Verzerrung sichtbar macht.

Ein weit geöffnetes Auge bedeutet saubere, zuverlässige Übertragung. Ein geschlossenes Auge weist auf starke Degradation hin – viel Jitter, viel Rauschen, wahrscheinliche Bitfehler.

Wie PCB-Materialien die Signalintegrität beeinflussen

Betrachten wir ein 10-Gbps-Signal (analog zur Referenzdarstellung):

• Oben: Ideales Quellsignal mit sauberem Übergang von 0 auf 1.
• Unten links (Standard-FR-4): Amplitude reduziert, Flanken abgerundet, Hochfrequenzanteile verloren.
• Unten rechts (niedriges Dk / niedriges Df): Wellenform liegt nahe am Quellsignal, minimale Verluste.

„D“ steht hier für die dieelektrischen Materialparameter – primär Dk (Dielektrizitätskonstante) und Df (Verlustfaktor bzw. tan δ). In der Praxis dominiert Df die Dämpfung, während Dk die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Impedanz bestimmt.

Weitere Vergleiche zeigen:

• Ist D (bzw. Df) hoch, schließt sich das Eye-Diagramm nahezu – inakzeptabel.
• Wird D reduziert, öffnet sich das Auge, die Wellenform wird klarer, Bitfehler nehmen ab.

Kernaussage:
Ein niedriger Verlustfaktor (Df) ist grundlegend, um die Signalintegrität bei hohen Datenraten zu bewahren.

Verluste, Leiterbahnbreite und Skin-Effekt ausbalancieren

Signalverluste auf dem PCB stammen vor allem aus zwei Quellen:

1. Dielektrische Verluste – Energieaufnahme im Substrat, proportional zu tan δ.
2. Leiterverluste – durch den Skin-Effekt: Bei hohen Frequenzen fließt der Strom an der Kupferoberfläche, der wirksame Widerstand steigt.

In Simulationen (Grundlage: 5-mil-Leiterbahn) zeigte sich:

• Breitere Leiterbahnen → geringerer Skin-Effekt → weniger Gesamtdämpfung.
• Breiter machen kann einen Teil der dielektrischen Verluste kompensieren, senkt aber die Routing-Dichte.
• Dieses Trade-off ist besonders in dichten, mehrlagigen High-Speed-Layouts entscheidend.

Mehr Designfreiheit mit verlustarmen Materialien

Bei unterschiedlichen Low-Dk/Low-Df-Materialien ändert sich die Beziehung Breite ↔ Verlust deutlich:

Um eine Gesamtdämpfung < 15 dB/m einzuhalten:

• Material A (standard-niedriger Verlust) benötigt ≈ 8 mil Leiterbahnbreite.
• Material B (ultraniedriges Df) kommt mit ≈ 5 mil aus.

Das ermöglicht:

• Höhere Routing-Dichte ohne Mehrverlust.
• Feinere Geometrien ohne Einbußen bei der Signalqualität.
• Bessere Skalierbarkeit für HDI und Backplanes.

Die „Material-Decke“ in Hochgeschwindigkeitssystemen

Ab 10 Gbps ist das PCB-Substrat kein passiver Träger mehr, sondern ein aktiver Teil des Signalpfads.

Materialwahl nach Datenrate:

• ≤ 10 Gbps (mittlere Geschwindigkeit): verbessertes FR-4 oder Materialien mit mittleren Verlusten
• 10–25 Gbps (High-Speed-Interconnects): niedriges Dk/Df (z. B. Megtron 6, Rogers 4350B)
• ≥ 25 Gbps (Ultra-High-Speed): ultraniedrige Verluste (Df < 0,002), strenge Impedanzführung

Fazit: Das Substrat setzt die Grenze

Im modernen High-Speed-PCB-Design ist die RKIze nicht mehr „nur Glasfaser“, sondern ein aktives elektrisches Bauteil:

• Niedrigeres Dk → schnellere Ausbreitung, bessere Timing-Reserven.
• Niedrigeres Df → weniger Verlust, breiteres und sauberes Eye.
• Stabiles dielektrisches Verhalten → gut vorhersagbare Designs und reproduzierbare Serienleistung.

Mit Datenraten im Multi-Gbps- bis hin zum Tbps-Bereich hat sich die Materialwahl vom Kosten- zum Leistungsentscheider gewandelt. Die richtige, verlustarme Substratwahl hält das „Auge“ Ihres Systems buchstäblich offen.