Simulation der Impedanz von geschlitzten Masseflächen in Flex-PCBs

Flexible PCBs und starre Flex-PCBs können beide Hochgeschwindigkeitssignale übertragen, von denen einige eine kontrollierte Impedanz erfordern. Die Implementierung einer kontrollierten Impedanz auf einem Flex-PCB ist aus mehreren Gründen keine sehr einfache Aufgabe. Wenn Sie den Weg der kontrollierten Impedanz wählen, bei dem der Hersteller die Impedanz testet und Anpassungen am Stack-Up vornimmt, haben Sie selten die Freiheit, dies zu tun, da dies die Dicke der Flex-Schicht zu dick oder zu dünn machen könnte. Wenn Sie den Weg der kontrollierten Dielektrizität wählen, macht die Struktur der Masseebene typische Modelle für die Impedanz ungültig, sodass es sehr schwierig ist, die angemessene Impedanz zu bestimmen.

Leider bedeutet dies, dass Sie einige Simulationen oder einige Testdaten verwenden müssen, um die Impedanz von einzelnen Leiterbahnen und Differenzpaaren in Flex-PCBs zu bestimmen. Nicht alle Hersteller können diese Daten liefern, oder wenn sie diese Daten haben, stellen sie diese möglicherweise nicht öffentlich zur Verfügung. Bei Differenzpaaren ist auch der Abstand ein kritischer Faktor, der die Impedanz entlang der Verbindung bestimmt.

In diesem Artikel, der von den Arbeiten von Lukas Henkel inspiriert ist, werde ich eine kurze Reihe von Simulationsergebnissen und einen Workflow vorstellen, der zur Bestimmung der Leiterbahnenimpedanz auf durchbrochenen Masseebenen verwendet werden kann.

Motivation für die Impedanzsimulation von durchbrochenen Masseebenen

Erst kürzlich haben wir ein Folgeinterview mit Lukas Henkel geführt, in dem wir einige seiner Fortschritte beim Open-Source Laptop Projekt besprochen haben. Dieses Projekt umfasste die Erstellung des Motherboards sowie der Peripheriegeräte für einen Open-Source-Laptop, und eines der Peripheriegeräte ist eine Webcam, die im oberen Teil des Displays sitzt. Schauen Sie sich unseren Interviewausschnitt an, um mehr zu erfahren, oder sehen Sie sich die gesamte Episode auf YouTube an.

Beim Bezug auf den Webcam-Teil des Designs in diesem Ausschnitt, verbindet sich die Webcam über ein Flex-PCB mit dem Motherboard. Um Daten von der Kamera zum CPU zu übertragen, wird eine Hochgeschwindigkeits-Seriellverbindung benötigt. Dies erfordert die Verwendung von MIPI CSI-2, einer Hochgeschwindigkeits-Differenzschnittstelle, die serielle Daten über vier parallele Bahnen mit einer quellsynchronen Differenztaktleitung sendet. Insgesamt ergibt dies bis zu fünf Differenzpaare, die zwischen der Kamera und dem Motherboard laufen.

CSI-2-Routing über 4 Datenbahnen und eine quellsynchrone Taktleitung. Beide Leiterbahnen in jedem Differenzpaar erfordern eine Längenanpassung, und die Differenzpaare müssen innerhalb dieser Gruppe abgeglichen werden.

Da es sich um eine differentielle Schnittstelle handelt, verwenden Sie bitte differentielle Paare, die eine Impedanzkontrolle auf 100 Ohm erfordern. Auf einer starren Leiterplatte wäre dies ziemlich einfach. Verwenden Sie den Schichtstapel-Manager und Altium Designer oder einen anderen Simulator, um schnell die verlustfreie Impedanz basierend auf dem Schichtquerschnitt zu erhalten. Auf einer Flex-Leiterplatte ist dies nicht so einfach, da Flex-Leiterplatten eine gestrichelte Massefläche verwenden. Lassen Sie uns nun kurz auf die Theorie eingehen, die zeigt, warum dies der Fall ist. Dann können wir einige Simulationsergebnisse für Lukas’ Flexband zeigen, die die differentielle Impedanz und differentielle S-Parameter detailliert darstellen.

Der Füllfaktor ist ein kritischer Parameter zur Bestimmung der Impedanz

Bei der Bewertung der Impedanz einer Kupferverbindung auf einer Flex-Leiterplatte mit einer gestrichelten Massefläche ist eines der Werkzeuge, die wir verwenden können, um zu verstehen, was in der Verbindung passiert, die Eingangsimpedanz. Wenn Sie sich die Struktur der gestrichelten Massefläche ansehen, hat das Raster einige Bereiche, aus denen Kupfer entfernt wurde, typischerweise quadratisch oder diamantförmig, und dieser Bereich kann als ein Bruchteil der wiederholten Flächenelemente definiert werden, die die gestrichelte Massefläche bilden. Ich habe diesen Bruchteil als "Füllfaktor" bezeichnet, der wie im Bild unten gezeigt definiert werden kann.

Nun lassen Sie uns eine Leiterbahn über verschiedene Bereiche der oben genannten Struktur verlegen; einige Teile der Leiterbahn werden über festes Kupfer verlaufen, während andere Teile der Leiterbahn über eine Region mit entferntem Kupfer geführt werden. Die unterschiedliche Präsenz von Masse in der Nähe der Leiterbahn wird die Impedanz und damit die Signalintegrität auf diesen Routen beeinflussen. Entlang der Länge der Leiterbahn würden wir Variationen von hoher und niedriger Impedanz erwarten, die eine Funktion des Abstands der Leiterbahn zum Kupfer sein wird.

Da wir eine Variation in der Impedanz entlang der Länge der Route haben, ist die Struktur eine periodisch kaskadierte Übertragungsleitung. Ich habe keine gute Ressource in der Forschungsliteratur speziell zu diesem Typ von Struktur gesehen, obwohl ich darauf in diesem Artikel Bezug nehme. In jedem Fall gibt es eine Eingangsimpedanz in jedem Abschnitt, die in Bezug auf den nächsten Übertragungsleitungsabschnitt geschrieben werden kann:

In einfacheren Begriffen, wenn Sie die charakteristische Impedanz jedes Abschnitts der Übertragungsleitung kennen, könnten Sie eine vernünftige Schätzung der S-Parameter über eine induktive Berechnung erhalten, und es wäre einfach genug, dies in einem Python-Skript oder in Excel zu tun. Wenn Sie zum Beispiel die Impedanz über Kupfer und im Schraffurbereich kennen würden, könnten Sie die obige Gleichung iterativ verwenden, um den Rückflussverlust (S11) am Eingangsanschluss zu schätzen.

Ich würde behaupten, dass diese Methode genauer ist, als eine feste Ebene anzunehmen und dann einen Korrekturfaktor anzuwenden, aber ich denke, das ist ein Thema für weitere Studien. Auf jeden Fall, sobald Sie eine Schätzung der einseitigen oder differentiellen Impedanz über einer schraffierten Masseebene haben, müssen Sie diese letztendlich qualifizieren, und das erfordert eine 3D-Simulation.

3D-Simulationen von schraffierten Masseebenen

Um die Leistung von Verbindungen auf einer schraffierten Masseebene vollständiger zu qualifizieren, werden wir das unten gezeigte Flexband verwenden, das von Lukas Henkel für den Open-Source-Laptop bereitgestellt wurde. Das Bild unten zeigt eine 3D-Ansicht des Flexbands und die Leiterbahnenführung in zwei Bereichen sowie die Gruppen von Leiterbahnen in jedem Bereich.

Schicht 1:

Schicht 2:

Zuerst werden einige Werte der charakteristischen Impedanz in jedem Abschnitt ermittelt, indem der Compliance-Analysator in Simbeor verwendet wird, um Impedanzen basierend auf Leiterbahnquerschnitten zu erhalten. Zwei Bereiche wurden untersucht und verglichen. Im geraden Bereich, der direkt vom Kamerakonnektor kommt, scheint die Impedanz der einseitigen Leitungen eine viel geringere Variation aufzuweisen; die Impedanz variiert von 30-40 Ohm entlang der geraden Strecken. Im gekrümmten Bereich des Flexkabels ist die Impedanzvariation viel größer mit einer charakteristischen Impedanz, die von 30-60 Ohm reicht.

Die breite Leiterbahnbreite (W/H = 4) erzeugt Bereiche mit sehr niedriger ungerader Modusimpedanz über dem Kupfer, während Bereiche zwischen dem Kupfer viel näher an einem 50-Ohm-Ziel liegen. Die genaue Variation scheint etwa 28-62 Ohm zu betragen, oder ein Durchschnitt von 45 Ohm ungerader Modusimpedanz. Die differentielle Impedanz beträgt ungefähr 78 Ohm mit einiger Variation.

Gerader Bereich:

Gekrümmter Bereich:

Basierend auf dem, was wir bereits sehen, gibt es einige große Impedanzabweichungen entlang der Verbindung, obwohl diese in ihrer Länge klein sind, sodass wir eine gewisse Modenumwandlung entlang dieser Verbindung erwarten würden. Die vollständige S-Parameter-Matrix für diese Verbindung wird uns die Verluste und Modenumwandlung mitteilen, und die Ergebnisse werden im nächsten Abschnitt gezeigt.

CSI-2 S-Parameter Ergebnisse

Jetzt schauen wir uns die S-Parameter für die CSI-2-Verbindung an, da sie impedanzkontrolliert ist. Basierend nur auf den oben gezeigten Querschnittsimpedanzwerten wird es ziemlich unklar, was der tatsächliche Rückflussverlust entlang der Verbindung sein wird. Daher führen wir eine S-Parameter-Simulation von dieser Geometrie durch, um den Rückflussverlust bis zu sehr hohen Frequenzen zu bestimmen. Das Bild unten zeigt die Ergebnisse für die oben hervorgehobene CSI-2-Spur.

Der Rückflussverlust liegt innerhalb der für eine CSI-2-Verbindung erforderlichen Grenzen; der Einfügungsverlust ist innerhalb der Kanalbandbreite dank der Breite der Leiterbahnen ziemlich niedrig, fällt aber jenseits der Bandgrenze stark ab. Ein Problem hier ist Modenkonversion, speziell SCD21 (untere rechte Grafik), was wir aufgrund der diskontinuierlichen Natur der schraffierten Massefläche erwarten würden. Dieser Link weist eine große Menge an Modenkonversion auf, die gegen die MIPI C-PHY-Grenzwerte geprüft werden müsste.

Wenn Sie die Rückflussdämpfung und die Einfügedämpfung verbessern möchten, müssten Sie den Füllfaktor und den Abstand für den differentiellen Link anpassen. Dann müssten Sie erneut simulieren und überprüfen, ob sich die S-Parameter verbessert haben. Siehe den Workflow-Abschnitt unten für weitere Details.

Zusammenfassung der Ergebnisse und des Workflows

Für unsere Zwecke, bei denen wir uns nur die Leiterbahnenführung auf der PCB ansehen, ist dieses Ergebnis akzeptabel. In der Realität werden die S-Parameter für die gesamte Verbindung von der Impedanzfehlanpassung an den Kabelschnittstellen, die zu den Steckverbindern führen, abhängen. Um die Simulation über das oben Gezeigte hinaus zu erweitern, müssten wir Folgendes tun:

1. Exportieren einer Touchstone-Datei der S-Parameter für diesen Link.
2. Touchstone-Dateien für die Steckverbinder an jedem Ende beschaffen.
3. Eine Touchstone-Datei für den Link, der zum CPU- und Kamerachip führt, beschaffen.
4. All diese in ein lineares Netzwerkmodell einfügen.
5. Die S-Parameter für das gesamte kaskadierte Netzwerk bestimmen.
6. Je nach diesen Ergebnissen muss möglicherweise der Füllfaktor für das gestrichelte Massefeld unter dem CSI-2-Differentialpaar angepasst werden.
7. Iterieren und wiederholen.

Der oben beschriebene Prozess veranschaulicht einen Workflow zur Bestimmung der Leiterbahnenimpedanz für eine CSI-2-Leitung. Aufgrund des Mangels an genauen analytischen Ergebnissen, die zur Vorhersage der Leiterbahnenimpedanz über einem gestrichelten Massefeld verwendet werden könnten, muss man mit einer Schätzung basierend auf dem Füllfaktor beginnen und dann durch einige Variationen iterieren, um eine angemessene Leiterbahnenimpedanz zu erhalten. Ich schlage den folgenden Workflow vor:

1. Beginnen Sie mit einem vorgeschlagenen Hatching-Design und berechnen Sie den Füllfaktor.
2. Berechnen Sie zwei zusätzliche Füllfaktoren, die als Variationen verwendet werden sollen.
3. Entwerfen Sie eine kleine Testplatine mit diesen Variationen und simulieren Sie die S-Parameter in jeder.
4. Untersuchen Sie die Ergebnisse der S-Parameter und wählen Sie den besten Füllfaktor aus.
5. Für Differentialpaare untersuchen Sie das Ergebnis und bestimmen Sie, ob der Abstand angepasst werden sollte, um die differentielle Impedanz zu erhöhen oder zu verringern.
6. Simulieren Sie die modifizierte differentielle Verbindung und überprüfen Sie die S-Parameter.
7. Iterieren und wiederholen.

Mit diesen drei Simulationen und möglicherweise einer vierten, basierend auf der Anpassung des Abstands der Differentialpaare, könnten Sie in nur vier Simulationen mit etwa 8 Stunden Simulationszeit zu einem nutzbaren Verbindungsdesign gelangen. Das ist schnell genug, um es an einem einzigen Tag zu schaffen.

Um mehr Einblicke in die Leistung von einseitigen und differentiellen Verbindungen über durchbrochenen Masseflächen in Flex-PCBs zu geben, plane ich eine größere Geometriestudie durchzuführen. Dies wird das Variieren vieler Füllfaktorparameter beinhalten und bestimmen, welcher geometrische Parameter der effektivste Schätzer für einseitige und differentielle Impedanz ist. Stellen Sie sicher, dass Sie dieser Blogserie folgen, um weitere Updates zu erhalten.

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