Einfluss von Ätzunterschnitt auf die Impedanz von Stripline-Leitungen: Anwendung von uSimmics (ehemals QucsStudio) [2026]

Überlegung
2025.04.20

Bei der Berechnung des Wellenwiderstands von Stripline-Leitungen mit uSimmics (ehemals QucsStudio) stimmen Theorie- und Messwerte manchmal nicht überein. Eine der Ursachen ist die Änderung des Leitungsquerschnitts durch Ätzunterschnitt (Etching Undercut). Dieser Artikel erklärt den Mechanismus dieses Phänomens und die Methode zur korrigierten Berechnung.

Was Sie in diesem Artikel lernen

  • Das subtraktive PCB-Fertigungsverfahren und der Mechanismus des Ätzunterschnitts
  • Der Einfluss eines trapezförmigen Querschnitts auf den Wellenwiderstand von Stripline-Leitungen
  • Die konkrete Methode zur Korrekturberechnung unter Berücksichtigung des Ätzunterschnitts
  • Das Verfahren zur Eingabe des Korrekturwerts in uSimmics (ehemals QucsStudio) und zur Neuberechnung
  • Ein praktischer Ansatz zur Minimierung der Abweichung zwischen Theorie- und Messwerten

1. Grundlagen der Stripline und ihr Wellenwiderstand

Die Stripline ist eine Übertragungsleitung, bei der der in eine innere PCB-Schicht eingebettete Signalleiter zwischen zwei Masseebenen (GND-Ebenen) oben und unten eingeschlossen ist. Diese Struktur unterdrückt elektromagnetische Abstrahlung und eignet sich für die Signalübertragung im Hochfrequenzbereich (HF, Mikrowellen).

Der Wellenwiderstand wird durch folgende physikalische Parameter bestimmt:

  • Breite W des Signalleiters
  • Relative Permittivität εr des Substrats
  • Dielektrikumdicke H
  • Leiterdicke T

Durch Eingabe dieser Parameter in den Transmission Line Calculator von uSimmics (ehemals QucsStudio) lässt sich der Wellenwiderstand theoretisch berechnen. Im realen Fertigungsprozess gibt es jedoch Faktoren, die von dieser Theorie abweichen.

2. Subtraktives Verfahren und Ätzunterschnitt

Was ist das subtraktive Verfahren?

Das am weitesten verbreitete Verfahren zur PCB-Musterbildung ist das subtraktive Verfahren (Subtractive Process). Dabei wird überschüssiges Kupfer von einem vollständig mit Kupferfolie beschichteten Substrat durch Ätzen (chemisches Lösen) entfernt, so dass nur das benötigte Schaltungsmuster übrig bleibt. Es wird wegen seiner niedrigen Kosten und hohen Produktivität in der Serienproduktion von Standard-Mehrlagen-PCBs weit verbreitet eingesetzt.

Entstehungsmechanismus des Ätzunterschnitts

Die Ätzflüssigkeit soll eigentlich Kupfer von oben lösen, tatsächlich weist sie aber die Eigenschaft auf, auch seitlich zu lösen. Dieses seitliche Lösen wird als Ätzunterschnitt (Etching Undercut) bezeichnet.

Wenn Ätzunterschnitt auftritt, wird der Leiterquerschnitt, der gemäß der Konstruktion rechteckig sein sollte, trapezförmig. Konkret treten folgende Änderungen auf:

  • Obere Breite W2 (Lackseite/Maskenseite): nahe am Konstruktionswert
  • Untere Breite W1 (Substratseite): kleiner als der Konstruktionswert (durch seitliches Lösen beeinflusst)

Diese Änderung der Querschnittsform verändert den effektiven Querschnitt und die effektive Breite des Signalleiters und beeinflusst den Wellenwiderstand direkt.

3. Einfluss des trapezförmigen Querschnitts auf den Wellenwiderstand

Normale Wellenwiderstands-Berechnungsformeln setzen voraus, dass der Leiterquerschnitt ein Rechteck mit gleichmäßiger Breite ist. Wenn der Querschnitt durch Ätzunterschnitt trapezförmig wird, tritt folgendes auf:

Die effektive Leiterbreite wird kleiner als der Konstruktionswert → Der Wellenwiderstand wird höher als der Konstruktionswert

Dies lässt sich durch das Gleichgewicht zwischen Kapazität und Induktivität erklären. Der Wellenwiderstand wird durch folgende Formel ausgedrückt:

Z₀ = √(L/C)

Dabei ist L die Induktivität pro Längeneinheit und C die Kapazität pro Längeneinheit. Wenn die Leiterbreite abnimmt, verringert sich die Kapazität C, was zu einem Anstieg von Z₀ führt.

Beispielsweise ist es nicht ungewöhnlich, dass eine für 50 Ω ausgelegte Stripline aufgrund von Ätzunterschnitt in der Praxis 55 bis 60 Ω aufweist. Dieser Fehler kann die Toleranz der Impedanzkontrolle (normalerweise ±10 %) überschreiten, so dass der Einfluss auf die Signalqualität nicht vernachlässigt werden kann.

4. Verfahren zur Korrekturberechnung des Ätzunterschnitts

Schritt 1: Ermittlung der Fertigungsmaße

In Spezifikationen und Fertigungsberichten, die vom PCB-Hersteller (Lieferanten) erhältlich sind, ist die Ätzunterschnittmenge angegeben. Basierend auf diesen Werten werden die tatsächliche Oberbreite W2 und Unterbreite W1 ermittelt.

Als allgemeine Faustformel gilt, dass beim subtraktiven Verfahren die Leiterbahnbreite häufig ca. 10 % kleiner als der Konstruktionswert ausfällt. Beispielsweise:

  • Konstruktions-Leiterbahnbreite: 100 μm
  • Tatsächliche Oberbreite W2: 100 μm (Lackseite, nahe am Konstruktionswert)
  • Tatsächliche Unterbreite W1: 80 μm (Substratseite, durch Ätzen verkleinert)

Schritt 2: Berechnung der effektiven Breite (Trapezkorrektur)

Als effektive Breite des trapezförmigen Querschnitts wird der Mittelwert von Ober- und Unterbreite verwendet.

W_eff = (W1 + W2) / 2

Im obigen Beispiel:

W_eff = (80 + 100) / 2 = 90 μm

Wenn die Wellenwiderstands-Berechnung mit dieser korrigierten Breite W_eff = 90 μm durchgeführt wird, verbessert sich die Übereinstimmung mit den Messwerten.

Schritt 3: Neuberechnung in uSimmics (ehemals QucsStudio)

  1. Transmission Line Calculator von uSimmics (ehemals QucsStudio) öffnen
  2. « Stripline » aus dem « choice »-Dropdown auswählen
  3. Substratparameter in « Properties » eingeben
  4. Die korrigierte effektive Breite W_eff in « W » (Leiterbreite) unter « Dimensions » eingeben
  5. Den berechneten Wellenwiderstand überprüfen

Durch den Vergleich des Wellenwiderstands vor der Korrektur (W = 100 μm) und nach der Korrektur (W_eff = 90 μm) lässt sich der Einfluss des Ätzunterschnitts quantitativ bewerten.

Schritt 4: Rückkopplung in die Konstruktionswerte

Um den Zielwiderstand von 50 Ω zu erreichen, ist es notwendig, die konstruktive Leiterbahnbreite größer zu planen und dabei die Ätzunterschnittmenge zu berücksichtigen. Das Umkehrberechnungsverfahren ist wie folgt:

  1. 50 Ω in « Z₀ » von uSimmics (ehemals QucsStudio) eingeben, um die benötigte Leiterbreite W_ideal zu berechnen
  2. Die Konstruktionsbreite unter Berücksichtigung des Ätzunterschnitt-Anteils (z.B. 10 %) korrigieren
W_design = W_ideal / (1 - Ätzunterschnitt-Rate)
  1. Die korrigierte W_design in die Fertigungsspezifikation einfließen lassen

5. Zusätzliche Einflussfaktoren zur Genauigkeitsverbesserung

Faktor Einfluss Gegenmaßnahme
Ätzunterschnitt Impedanzerhöhung Trapezkorrektur (Verwendung der mittleren Breite)
Fertigungsstreuung der Permittivität Impedanzstreuung Ausreichende Konstruktionsmargen
Streuung der Leiterdicke Geringe Impedanzvariation Überprüfung der Fertigungsspezifikation
Temperaturabhängige Permittivitätsänderung Impedanzvariation im Betriebstemperaturbereich Auswahl von Materialien mit hohem Tg

Bei realen Hochfrequenz-Schaltungsdesigns müssen all diese Faktoren umfassend berücksichtigt werden.

6. Fazit

Die Wellenwiderstands-Berechnung für Stripline-Leitungen mit uSimmics (ehemals QucsStudio) ist ein sehr effektives Werkzeug, aber in der realen PCB-Fertigung können Theorie- und Messwerte aufgrund von Ätzunterschnitt voneinander abweichen. Die Anwendung der Trapezkorrektur (Verwendung der mittleren Breite von Ober- und Unterseite) ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der Berechnungsgenauigkeit. Die Einholung von Fertigungsmaß-Spezifikationen beim Hersteller und die Integration der Korrekturberechnung in den PCB-Konstruktionsablauf führen zu einer qualitativ hochwertigen Impedanzkontrolle.

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