Den Fiber-Weave-Effekt verstehen: vom Glasgewebe zum differenziellen Skew

Der Fiber-Weave-Skew, auch Fiber-Weave-Effekt, ist der Laufzeitunterschied, der entsteht, wenn die beiden Leitungen eines differenziellen Paares über unterschiedliche Mischungen aus Glas und Harz im Inneren eines PCB-Laminats laufen. Glasbündel haben etwa die doppelte Dielektrizitätszahl des umgebenden Harzes, rund 6 gegenüber rund 3, sodass sich ein Signal über Glas messbar langsamer ausbreitet als eines über Harz. Der daraus entstehende Intra-Pair-Skew wächst mit der Leitungslänge, schließt das Augendiagramm am Empfänger und erzeugt scharfe Resonanzeinbrüche im SDD21-Einfügedämpfungsverlauf.

Der Fiber-Weave-Effekt ist zwar gut dokumentiert, doch die vorhandene Literatur ist oft dicht und schwer zugänglich. Diese Artikelserie bietet eine anschaulichere, intuitive Aufschlüsselung, damit Ingenieurinnen und Ingenieure die zugrunde liegenden Prinzipien wirklich durchdringen. Als erster Teil einer dreiteiligen Serie beginnt dieser Artikel beim Aufbau des PCB-Laminats und erklärt, wie die dielektrischen Unterschiede zwischen Glasfaserbündeln und harzreichen Bereichen lokale Geschwindigkeitsunterschiede verursachen, die zu Intra-Pair-Skew in der differenziellen Signalübertragung führen. Anschließend zeigt er, wie dieses Phänomen das Augendiagramm schließt und charakteristische Resonanzeinbrüche im Frequenzgang der Leitung erzeugt. Damit ist die Grundlage für die weiterführenden Themen der folgenden Teile gelegt, einschließlich der Gegenmaßnahmen.

Den Aufbau des Laminats verstehen

Um zu verstehen, wie eine Leiterplatte mit schnellen Digitalsignalen wechselwirkt, muss man hinter die glatte Oberfläche blicken, auf die innere Materialanatomie.

Der Aufbau eines PCB-Laminats durchläuft drei spezialisierte Fertigungsstufen. Zuerst stellen Textilunternehmen wie Nittobo Glasfasergarne her und weben sie zu endlosen Rollen aus hochgradig gleichmäßigem Gewebe — genau so gewebt wie Ihre Lieblingsjeans, nur mit Glasbündeln statt Baumwolle.

Anschließend tränken Unternehmen wie die Isola Group und die Rogers Corporation das gewobene Glasfasergewebe mit eigenen Harzsystemen. Das harzumschlossene Glasgewebe wird zu zwei Produkten: Prepreg, das nur teilweise ausgehärtet und damit weich und flexibel bleibt und als Haftvermittler zwischen den Lagen dient, und Core, das vollständig zu einer starren Platte ausgehärtet ist und auf einer oder beiden Seiten eine dünne Kupferfolie trägt. Abbildung 2 zeigt im Detail, wie gewobenes Glasgarn und Harz in einer gewöhnlichen PCB-Laminatlage angeordnet sind.

Die dritte Stufe der Lieferkette ist der Leiterplattenhersteller, der Standard-Laminatmaterialien einkauft und sie gemäß den Designdaten der entwerfenden Person stapelt.

Während das Glasgewebe für hohe mechanische Festigkeit, Formstabilität und ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit sorgt, dient das Harz als primäre Verbindungsschicht, die die Verbundlagen miteinander verschmilzt. Ebenso wichtig: Das Harz bildet die dielektrische Barriere zwischen den Kupferlagen.

Die Physik der Laminate: uneinheitliche Dielektrika

Als Verbundwerkstoff aus abwechselnd glasreichen und harzreichen Bereichen bildet ein gewöhnliches PCB-Laminat ein uneinheitliches Medium für die elektrische Signalübertragung, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit mit jedem Materialwechsel schwankt. Um dieses Phänomen aufzuschlüsseln, lohnt ein Blick auf die grundlegenden Größen, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle bestimmen. Wendet man die Maxwell-Gleichungen auf zeitveränderliche elektromagnetische Felder an, so lässt sich zeigen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle in einem beliebigen Medium der folgenden Beziehung gehorcht:

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (etwa 3×10⁸ m/s), ε_r die relative Permittivität und μ_r die relative Permeabilität des Materials. Anschaulich beschreibt die relative Permittivität ε_r, wie leicht sich die Moleküle eines Mediums unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes polarisieren lassen, während die relative Permeabilität μ_r beschreibt, wie bereitwillig sie sich an einem Magnetfeld ausrichten. Physikalisch kostet es endlich viel Zeit und Energie, die Moleküle eines Mediums immer wieder im Takt des wechselnden elektrischen Feldes zu polarisieren und im Takt des wechselnden Magnetfeldes auszurichten. Folglich verlangsamt sich die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Umgebungen mit hohem ε_r und μ_r, weshalb diese Größen im Nenner von Gleichung 1 stehen.

Da PCB-Substrate durchweg nicht magnetisch sind, entspricht ihre relative Permeabilität näherungsweise der des Vakuums (μ_r≈1). Für die praktische Hardwareentwicklung vereinfacht sich Gleichung 1 damit auf die alleinige Abhängigkeit von der relativen Permittivität ε_r des Materials. In der Elektronik- und Leiterplattenbranche heißt dieser Parameter üblicherweise Dielektrizitätskonstante und wird mit Dk bezeichnet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals lässt sich daher so ausdrücken:

Die dichten Glasbündel besitzen eine hohe Dielektrizitätskonstante von Dk≈6, während die harzreichen Fenster in den Zwischenräumen mit Dk≈3 deutlich niedriger liegen. Weil die Glasbündel rund die doppelte Dielektrizitätskonstante des Epoxidharzes haben, bewegt sich eine elektromagnetische Welle durch einen glasreichen Bereich merklich langsamer als ein Signal über einen harzreichen Pfad. Signale, die auf derselben Leiterplatte über identisch lange Leitungen laufen, erfahren daher je nach darunterliegendem Glas-Harz-Muster unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Der ungünstigste Fall ist in Abbildung 3 dargestellt.

Hier verläuft eine Leitung direkt über einem Glasbündel und die andere über harzreichen Fenstern, was die Unter- und Obergrenze der Ausbreitungsgeschwindigkeit festlegt. Leitungen, die eine Mischung aus glas- und harzreichen Bereichen queren, erfahren eine effektive Geschwindigkeit zwischen diesen beiden Extremen. Diese materialbedingte Laufzeitschwankung heißt Fiber-Weave-Effekt.

Wie der Fiber-Weave-Effekt differenziellen Laufzeit-Skew erzeugt

Die Struktur des Glasgewebes führt lokale Geschwindigkeitsunterschiede ein, die in differenziellen Paaren Laufzeit-Skew erzeugen. Optimale differenzielle Übertragung setzt voraus, dass die komplementären Signale gleichzeitig am Empfänger eintreffen. Zwingt der Glasgewebe-Effekt die beiden Leitungen zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten, eilt ein Signal dem anderen voraus, die Symmetrie bricht und es entsteht Intra-Pair-Skew. Abbildung 4 veranschaulicht die differenzielle Signalausbreitung schematisch, unter der Annahme, dass die untere Leitung eine geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit hat als die obere.

Die differenziellen Signale starten an Punkt A perfekt ausgerichtet, wo die positive und die negative Kurvenform (v_p,A und v_n,A) identisch, aber invertiert sind. Während sie sich ausbreiten, verzögern lokale Materialunterschiede die negative Leitung gegenüber der positiven, sodass an Punkt B (v_p,B und v_n,B) Skew entsteht. Der Skew wächst über die Distanz, sodass der zeitliche Abstand zwischen positiver und negativer Leitung an Punkt C (v_p,C und v_n,C) noch größer ausfällt. Ist die Leitung lang genug, zerstört der kumulierte Skew das Signal vollständig und der Empfänger kann die Daten nicht mehr korrekt rekonstruieren. Wie der folgende Abschnitt zeigt, verschlechtert dieser Skew unmittelbar das Augendiagramm am Empfänger und führt im Frequenzbereich zu einem Verhalten wie bei einem Kerbfilter.

Verschlechterung des Augendiagramms durch Fiber-Weave-Skew

Wie sich Laufzeit-Skew auf die Signalqualität auswirkt, lässt sich am besten daran zeigen, wie der Versatz zwischen den differenziellen Signalen die Abtastreserve des Empfängers auffrisst. Zur Analyse dienen MATLAB-Simulationen, die ein ansonsten ideales differenzielles Paar modellieren, bei dem das komplementäre negative Signal gegenüber dem positiven verzögert ist. Abbildung 5 zeigt den simulierten 10-Bit-Zufallsdatenstrom, modelliert mit und ohne Laufzeit-Skew.

In beiden Teilbildern ist das positive Signal blau, das negative rot und das Differenzsignal grün. Das obere Teilbild zeigt den Idealfall ohne Skew, im unteren ist auf der negativen Leitung eine Laufzeitverzögerung von 40 % der Bitperiode eingeführt.

Im Idealfall schaltet der differenzielle Ausgang sauber zwischen +1 V und -1 V um, weil die ausgerichteten komplementären Leitungen gleichzeitig umschalten. Mit dem Skew im unteren Teilbild fällt das Differenzsignal dagegen zeitweise auf 0 V und verharrt dort. Das passiert nach jedem Wechsel im Eingangsdatenstrom. Weil das negative Signal dem positiven hinterherhinkt, erlebt der Empfänger einen kurzen Zustand, in dem beide Leitungen auf demselben Pegel liegen, bevor die verzögerte Flanke endlich eintrifft — ein ungültiger 0-V-Logikzustand.

Das ist eine wichtige Beobachtung, und um ihre Tragweite zu erfassen, muss man den Signalverlauf aus Sicht des Empfängers bewerten. Im Normalbetrieb rekonstruiert der Empfänger die gesendeten Daten, indem er das Differenzsignal abtastet und dabei klare, eindeutige Logikpegel von +1 V oder -1 V erwartet. Im Skew-Fall verweilt das Differenzsignal jedoch zeitweise bei 0 V, und der Empfänger kann nicht entscheiden, ob eine logische Eins oder Null gemeint war.

Betrachten Sie als Beispiel das untere Teilbild von Abbildung 5 im Zeitraum zwischen t=3 und t=4 Bitperioden. Dieses Fenster folgt unmittelbar auf einen Datenwechsel, wodurch das Differenzsignal auf 0 V fällt und dort genau so lange verharrt wie der Skew andauert — also 40 % der Bitperiode. Über dieses Intervall von 0,4 Bitperioden bleibt der Empfänger im unbestimmten Zustand und kann die gesendeten Daten nicht korrekt bestimmen. In diesem Beispiel bleibt ihm ein gültiges Abtastfenster von nur 0,6 Bitperioden, um die eingehenden Daten korrekt zu erfassen und zu verarbeiten.

Wie stellen wir sicher, dass wir wirklich den ungünstigsten Fall für das Abtastfenster des Empfängers gefunden haben? Die Analyse einer einzelnen Bitperiode liefert zwar wertvolle Einsichten, erfasst aber nur einen bestimmten Logikwechsel. In der Praxis verarbeitet ein digitales System Millionen zufälliger Bitmuster, und Ingenieurinnen und Ingenieure müssen alle möglichen Kombinationen bewerten, um sicherzugehen, dass kein schlechterer oder unerwarteter Grenzfall übersehen wurde. Für diesen Gesamtüberblick greifen wir zum Augendiagramm.

Indem es den fortlaufenden Signalverlauf in überlappende Zwei-Bit-Intervalle zerschneidet und übereinanderlegt, wirkt das Augendiagramm wie eine visuelle Gesamtzusammenfassung. Es erlaubt, alle möglichen Übergänge gleichzeitig zu betrachten, und legt die maximale Einbuße sowohl an horizontaler als auch an vertikaler Abtastreserve offen. Um dieses Verhalten statistisch sichtbar zu machen, wird ein langer 1000-Bit-Datenstrom erzeugt, aus dem die Augendiagramme in Abbildung 6 entstehen.

Während der Fall ohne Skew links ein weit geöffnetes Auge mit einer horizontalen Breite von etwa 1 Bitperiode zeigt, offenbart der Skew-Fall rechts eine stark eingeschnürte Öffnung mit einer Augenbreite von nur noch rund 0,6 Bitperioden; die endlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der Signalflanken erklären die leichte zusätzliche Einbuße bei beiden Reserven.

Der Einfluss des Laufzeit-Skews auf SDD21-Resonanzeinbrüche

Der Fiber-Weave-Effekt prägt auch den Frequenzgang eines differenziellen Pfades erheblich. Um zu veranschaulichen, wie dieser Skew das Verhalten im Frequenzbereich verändert, lohnt ein Blick auf seine Wirkung auf ein periodisches Signal, etwa ein Taktsignal, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Im unteren Teilbild von Abbildung 7 ist ein Skew von 40 % der Taktperiode angesetzt. Diese Phasenverschiebung bringt die positive und die negative Kurvenform so weit auseinander, dass sie beinahe wieder gleichphasig sind. Wenn der Empfänger sie voneinander abzieht, löscht sich das Differenzsignal folglich fast vollständig aus und weicht nur für ein kurzes Intervall von 20 % der Taktperiode von 0 V ab.

Erreicht der Skew genau 50 % der Taktperiode, liegen die komplementären Leitungen exakt gleichphasig. Zieht der Empfänger diese identischen Kurvenformen voneinander ab, löschen sie sich über den gesamten Zeitverlauf vollständig aus. Der differenzielle Ausgang fällt damit auf konstante 0 V — vollständige Signalzerstörung, bei der sich keine Taktflanke mehr zurückgewinnen lässt.

Im Frequenzbereich zeigt sich diese destruktive Auslöschung als kerbfilterartiges Verhalten im SDD21-Einfügedämpfungsverlauf. Einfach gesagt misst SDD21, wie viel Ihres schnellen differenziellen Signals vom Anfang der Leiterbahn bis zu ihrem Ende gelangt und wie viel unterwegs verloren geht. Bei genau jener Frequenz, bei der der über eine gegebene Leitungslänge aufgelaufene Skew exakt der halben Signalperiode entspricht, löscht sich das Signal vollständig aus und es entsteht ein scharfer, tiefer Einbruch in der Übertragung, der als Resonanzeinbruch bezeichnet wird. Abbildung 8 zeigt die simulierte differenzielle Einfügedämpfung für einen Pfad mit 65,2 ps Skew, wodurch die Resonanznullstelle bei etwa 7,8 GHz erscheint.

Da die Signalauslöschung eintritt, wenn der Skew der halben Signalperiode entspricht, lautet die Resonanznullfrequenz:

Zu beachten ist, dass S-Parameter über sinusförmige Wellen definiert sind; das Taktsignal diente in diesem Abschnitt lediglich als anschauliches Beispiel, um den Auslöschungsmechanismus des Skews zu erklären.

Fazit: Was das für das Layout bedeutet, und wie es weitergeht

Die Uneinheitlichkeit des Substrats führt zwangsläufig zu Schwankungen in der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen. Daraus entsteht ein Intra-Pair-Skew, der linear mit der Weglänge wächst, die Reserven im Augendiagramm systematisch aufzehrt und tiefe Nullstellen in der SDD21-Einfügedämpfung erzwingt. Dieser Teil hat das „Warum“ hinter der laminatbedingten Verschlechterung der Signalintegrität beleuchtet, doch das Problem zu erkennen ist nur die halbe Miete. Die weiteren Teile dieser dreiteiligen Serie widmen sich dem „Und nun?“ und stellen ein praxistaugliches Gerüst aus Gegenmaßnahmen, Layoutregeln und Materialentscheidungen vor, um den Fiber-Weave-Effekt in realen Designs zu neutralisieren.

Weiterführende Artikel

Teil 1: Den Fiber-Weave-Effekt verstehen: vom Glasgewebe zum differenziellen Skew (dieser Artikel)

Teil 2: Fiber-Weave-Skew modellieren: analytische Grenzen und statistische Skew-Prognose

Teil 3: Fiber-Weave-Skew abmildern, von Spread Glass bis zum Routingwinkel (in Kürze)

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Fiber-Weave-Effekt auf einer Leiterplatte?

Der Fiber-Weave-Effekt ist der Laufzeitunterschied, der entsteht, wenn die beiden Leitungen eines differenziellen Paares über unterschiedliche Mischungen aus Glas und Harz im Inneren eines PCB-Laminats laufen. Glasbündel haben eine Dielektrizitätskonstante nahe 6, das Harz dazwischen nahe 3, sodass Signale über Glas langsamer laufen. Der daraus entstehende Intra-Pair-Skew wächst mit der Leitungslänge und verschlechtert die differenzielle Signalqualität.

Wodurch entsteht Intra-Pair-Skew auf einem längenangepassten differenziellen Paar?

Längenanpassung gleicht das Kupfer an, nicht das Material darunter. Zwei exakt gleich lange Leitungen können dennoch erheblichen Skew aufbauen, wenn die eine überwiegend über Glasbündeln und die andere über harzreichen Fenstern liegt. Da sich die Dielektrizitätskonstanten etwa um den Faktor zwei unterscheiden, unterscheiden sich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten um rund 29 % — und dieser Unterschied ist für eine Längenprüfung unsichtbar.

Ab wann wird der Fiber-Weave-Effekt relevant?

Er wird zur Designrandbedingung, sobald der aufgelaufene Skew einen nennenswerten Anteil des Unit Interval verbraucht, was sowohl von der Datenrate als auch von der Leitungslänge abhängt. Skew geht fast unmittelbar von der horizontalen Augenöffnung ab, sodass 0,2 UI Skew rund 20 % des Abtastfensters kosten. Da der Skew linear mit der Länge wächst, stoßen lange Backplane-, DDR- und PCIe-Strecken zuerst an die Grenze.

Wie wirkt sich Fiber-Weave-Skew auf das Augendiagramm aus?

Intra-Pair-Skew verkleinert die horizontale Augenöffnung etwa um den Betrag des Skews. Im MATLAB-Modell dieses Artikels schrumpft ein volles 1-UI-Auge durch 0,4 UI Skew auf rund 0,6 UI, wobei endliche Anstiegs- und Abfallzeiten sowohl die horizontale als auch die vertikale Reserve weiter beschneiden. Während des Skew-Intervalls liegt das Differenzsignal bei 0 V, sodass der Empfänger weder eine logische Eins noch eine Null auflösen kann.

Wodurch entstehen Resonanzeinbrüche in einem SDD21-Einfügedämpfungsverlauf?

Ein Resonanzeinbruch erscheint bei der Frequenz, bei der der aufgelaufene Intra-Pair-Skew exakt der halben Signalperiode entspricht. Dann treffen die komplementären Kurvenformen gleichphasig ein, die Subtraktion im Empfänger löscht sie vollständig aus und die Übertragung bricht zusammen. Die erste Nullstelle liegt bei f = 1 / (2 × Skew), weitere bei ungeradzahligen Vielfachen dieser Frequenz. 100 ps Skew legen die erste Nullstelle beispielsweise auf 5 GHz.

Ist der Fiber-Weave-Effekt dasselbe wie der Glasgewebe-Effekt?

Ja. „Fiber-Weave-Effekt“, „Glasgewebe-Effekt“ und „Glasgewebe-Skew“ bezeichnen alle dasselbe Phänomen: die Schwankung der Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die ungleichmäßige Verteilung von Glas und Harz in einem PCB-Laminat.

Quellen

Nittobo. 2026. „Glass Cloth for Electronic Materials.“ Electronic Materials Business, Business and Products. Abgerufen am 30. Juli 2026. https://www.nittobo.co.jp/eng/business/electronicmaterials/pcbcloth/index.htm.

Simonovich, Lambert. 2011. „Practical Fiber Weave Effect Modeling.“ White Paper, Issue 2. LAMSIM Enterprises Inc., 10. Januar. http://www.lamsimenterprises.com/Practical_Fiber_Weave_Modeling_Iss2_Jan10-11.pdf.