Durchkontaktierungen

In einem Amateurfunkforum wurde vor kurzer Zeit das Thema Durchkontaktierungen heiß diskutiert. Je nach Ausführung einer Leiterplatte kann die Ausführung von Durchkontaktierungen entscheidenden Einfluss auf die HF-Eigenschften der Schaltung haben. Diese können von einwandfreier Funktion über Instabilität bis zur Selbsterregung reichen.

Auf einer einseitigen Leiterplatte, d. h. einer Leiterplatte auf der "heiße" Leitungen und Masse in derselben Ebene auf nur einer Seite der Leiterplatte liegen, benötigt man keine Durchkontaktierungen. Sobald aber zur Vermeidung von Leiterbahnbrücken, der besseren Schirmung oder einer für HF geeigneten, möglichst großen, niederohmigen Massefläche wegen, auf zwei Seiten einer Leiterplatte Leitungen und Masseflächen verteilt sind, werden Durchkontaktierungen benötigt.

Die meisten Durchkontaktierungen werden einfach durch die Bestückung mit bedrahteten Bauteilen hergestellt. Sie erlauben z. B. die Fortführung einer Leiterbahn von der Oberseite der Leiterplatte auf die Unterseite und wieder zurück.

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Bei Microstrip-Leitungen wie in Bild 1 (A) und Stripline-Leitungen wie (C) bildet sich im Dielektrikum zwischen Leiterbahn und Masse ein elektrisches Feld wie angedeutet aus und der HF-Strom fließt im Wesentlichen auf der Leiterbahn/Masse-Oberfläche auf der Innenseite der Platine. Durchkontaktierungen im Falle (A) sind völlig unproblematisch, da sie im Wesentlichen nur der Kontaktierung der unten liegenden Leiterbahnen mit den Bauteilen auf der Oberseite herstellen müssen. Bei der Bestückung mit SMD-Bauteilen auf der Leiterbahnseite benötigt man gar keine Durchkontaktierungen. Aufgrund von Kosten oder Komplexität der Herstellung von entsprechenden Leiterplatten kommt der Fall (C) im Amateurfunk-Selbstbau praktisch nicht vor.

Im Fall (B) sind die Verhältnisse allerdings unterschiedlich. Hier bildet sich nicht nur ein elektrisches Feld im isolierenden Dielektrikum der Leiterplatte aus, sondern ebenfalls eines auf der Außenseite der Platine, wie unten angedeutet. Das Verhältnis der sich durch diese Felder ergebenden Ströme wird durch die Dielektrititätskonstanten der Medien bestimmt. Da das Isoliermaterial ein Epsilon > 1 hat, ist der dort fließende Strom auf den Leiteroberflächen größer als der auf der Luft zugewandten Seite.

Da der HF-Strom sich sowohl innen als auch auf der äußeren Oberfläche nicht gleichmäßig auf einer Masse verteilt, vor allem dann nicht, wenn die Massefläche durch Lötaugen und Leiterbahnen unterbrochen und strukturiert ist, kann oder muss er veranlasst werden, gerichtet zu fließen. Dazu sind Einschnitte in der Massefläche geeignet, die z. B. zwei hochverstärkende Stufen eines Gain-Blocks voneinander "isolieren", um Schwingneigung zu vermeiden. Das hat man früher durch sternförmige freie Verdrahtung in der Röhrentechnik bewerkstelligt. Oder es werden z. B. Masseflächen, in denen digitale oder analoge Signale fließen, voneinander getrennt (wie Bild 2, Mitte).

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Bild 2: Getrennte Masseflächen des digitalen und analogen Teils eines DDS-VFOs (Mitte). Für DC werden die Massen mit einer Drossel verbunden.

Eine Trennung von Schaltungsstufen, die nicht interagieren dürfen kann auch durch eine Masse"mauer" entstehen.

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Bild 3: Trennung zweier Eingänge eines Frequenzzählers mittels dicht in einer Reihe liegender Durchkontaktierungen von Masse oben nach Masse unten.

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Bild 4: Leiterplatte einer 100-W-PA als Nachentwicklung für einen Heathkit SB-104.

Die Leiterplatte in Bild 4 zeigt Komponenten, die, wie z. B. bei einer Bestückung mit SMD-Bauteilen, auf der Leiterplattenoberseite kontaktiert sind. Diese Leiterplatte weist, wie Beispiel Bild 1 (B) Masseflächen und Leiterbahnen auf der Ober- UND Unterseite der Platine auf. Das bedeutet, dass man nicht nur einen im Dielektrikum fließenden HF-Strom hat, sondern auch einen auf der Oberseite der Leiterbahnen/Masse oben und unten auf der Leiterplatte. Bei einer Leistungsstufe können diese Ströme sehr hoch werden.

Um z. B. die Niederohmigkeit der Emitteranschlüsse (der Lastwiderstand eines PA-Transistors beträgt nur wenige Ohm!) zu gewährleisten und sicherzustellen, dass die dazugehörigen HF-Ströme weitgehend verlustarm sowohl in den Leiterbahnen (z. B: der Kollektoranschlüsse) aber auch in der Masse fließen, verbindet man Leiterbahnen und Masseflächen auf der Ober- und Unterseite miteinander mittels Durchkontaktierungen. Diese müssen aber dann so niederohmig als irgend möglich ausgeführt sein und, um dieser Aufgabe gerecht zu werden, besondere Anforderungen erfüllen.

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Bild 5: Wirkung einer "einfachen" Drahtdurchkontaktierung, einer solchen mit Leiterplattenfreischnitt und einer metallisierten Bohrung auf den Weg des HF-Flusses.

Bild 5 (A) zeigt, dass im Falle des Stromflusses auf der Leiterplattenoberseite eine Durchkontaktierung mit einem bloßen Draht, eingelötet in die beidseitigen Masseflächen, einen HF-Stromweg erzwingt, der bis zur nächsten Lücke in der Masse oder im schlechtesten Fall bis zum Leiterplattenrand reicht. Von dort führt er wieder zurück zum Draht, an diesem entlang und muss auf der unteren Massefläche u. U. denselben langen Weg zurücklegen. Eine solche Duchkontaktierung wirkt bestenfalls für DC, für den Anteil der HF, der auf der Leiterplattenaußenseite fließt ist sie absolut ungeeignet. Auch wenn dieser Anteil des HF-Stroms geringer ist als derjenige im Dielektrikum im Innern der Platine, kann er, wenn er durch Masse/Strombereiche anderer HF-Stufen fließen muss, zu Verkopplungen, Instabilität oder gar Selbsterregung führen. Das tritt nicht nur bei Leistungsverstärkern auf, sondern auch bei hochverstärkenden, mehrstufigen Kleinsignalbaugruppen.

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Bild 6: Hier erkennt man Masse-Lötaugen mit Freischnitt. Der Freischnitt dient nicht nur der Isolierung der Lötaugen von der Wärmekapazität der Massefläche zur besseren Lötbarkeit, sondern ebenfalls der Durchtrittsmöglichkeit der HF auf kürzestem Weg.

Gemäß Bild 5 (B) verkürzt ein solcher Freischnitt den Weg des HF-Stroms von der Masse auf der Leiterplattenoberseite zu der auf der Leiterplattenunterseite erheblich. Das Layouten von freigeschnittenen Masseaugen mit Verbindungsstegen ermöglicht somit eine einfache aber wirksame Durchkontaktierung mit Drahtstücken. Bei der industriellen Herstellung von zweiseitigen Leiterplatten werden Durchkontaktierungen üblicherweise als "Röhrchen", d. h. als Bohrung mit metallisierten, also verkupferten/verzinnten "Wänden" ausgeführt; siehe Bild 5 (C). Dienen diese Durchkontaktierungen nur der Verbindung von Masseflächen, müssen sie nicht belötet werden; sie benötigen also auch keinen Freischnitt. Die HF kann bestens durch das Röhrchen von Masseflächenoberseite auf die Masseflächenunterseite fließen bzw. im Innern am Röhrchen entlang von oben nach unten und umgekehrt. Dabei ist allerdings sorgfältig darauf zu achten, dass diese Bohrungen beim Löten NICHT mit Zinn gefüllt werden, sonst erhält man wieder den Fall Bild 5 (A).

In einem neuen Leiterplattenlayout, das Verbindungen zwischen beidseitigen Masseflächen benötigt, macht man daher grundsätzlich nichts falsch, wenn man bei nicht durchkontaktierter, preiswerter Leiterplatte, die Masseaugen mit Freischnitt versieht (sie lassen sich dann gemäß Bild 5 (B) gut mit einem Draht durchkontaktieren), oder man sieht grundsätzlich Massebohrungen bei einer durchkontaktierten Leiterplatte vor.

Auch im Eigenbau lassen sich HF-technisch gut geeignete Durchkontaktierungen mit Röhrchen, z. B. mit Adernendhülsen realisieren.

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Bild 7: Handgefräste Leiterplatte für eine 20-W-6-m-PA mit Adernendhülsen zur Durchkontaktierung (teilbestückt).

Auch beim Einlöten der Adernendhülsen muss darauf geachtet werden, dass die Röhrchen nicht mit Zinn vollaufen! Mit solchen "Röhrchen"-Durchkontaktierungen findet der außen fließende HF-Anteil den kürzesten Weg von einer Leiterplattenseite zur anderen. Damit ist gewährleistet, dass die Verbindung so niedrohmig wie möglich ist. Für höhere Ströme und zur Reduzierung der Röhrchen-Induktivität bei hohen Frequenzen können mehrere Durchkontaktierungen "parallel geschaltet" werden. Auch bei tiefen Frequenzen ist mit solchen HF-technisch optimalen Verbindungen sicher gestellt, dass sich geringstmögliche Verkopplungen, niederohmige Massen und stabile Arbeitsverhältnisse einer Schaltung ergeben.