Mikrostreifen-Masseabstand: Wie nah ist zu nah?

Wenn Sie sich irgendwelche Richtlinien zur Dimensionierung und Berechnung der Breite für kontrollierte Impedanzleiterbahnen ansehen, werden Sie deutlich erkennen, dass die Leiterbahnbreite berechnet wird, ohne dass eine Erdung in der Nähe der Leiterbahn vorgesehen ist. Allerdings werden die meisten Designer (und grundlegende PCB-Layout-Richtlinien) aussagen, dass ungenutzte Bereiche auf jeder PCB-Schicht mit geerdetem Kupfer ausgefüllt werden sollten.

Hier gibt es einen offensichtlichen Widerspruch, der in der PCB-Design-Gemeinschaft nicht so gut diskutiert wird. Wenn Sie etwas Erdung in die Nähe einer Mikrostreifenleitung bringen, haben Sie nun eine koplanare Wellenleiteranordnung gebildet, und nun hängt die Impedanz der Verbindung von dem Abstand zwischen dem Rand der Leiterbahn und dem Kupferausguss ab. Die Frage ist nun, wie viel Abstand zwischen Mikrostreifenleitung und Erdungsebene benötigt wird, um sicherzustellen, dass Sie Ihre Impedanzziele erreicht haben?

In diesem Artikel möchte ich diese Frage genauer betrachten. Frühere Erklärungen konzentrieren sich auf eine Reihe möglicher Impedanzen, die praktische Designanforderungen in modernen Komponenten ignorieren. Wenn Sie wissen möchten, welchen minimalen Abstand zwischen Mikrostreifenleitung und Masse Sie benötigen, um eine kontrollierte Impedanz zu gewährleisten, lesen Sie weiter und Sie werden eine gute Antwort für eine Reihe möglicher Leiterbahnbreiten finden. Die Ergebnisse meiner Designuntersuchung zeigen, dass dieselbe Erklärung auch auf Streifenleitungen auf einer inneren Lage zutrifft.

Der Prozess des Designs mit kontrollierter Impedanz

Bei Platinen, die eine kontrollierte Impedanzführung erfordern, gibt es einen bestimmten Designprozess, den Sie im Allgemeinen für ein spezifisches Netz/eine Gruppe von Netzen zu Beginn des Designs sehen werden:

• Bestimmen Sie das Impedanzziel für die spezifischen Netze, die betrachtet werden
• Bestimmen Sie den Stack-up, den Sie verwenden werden, und wo Sie die Leiterbahnen verlegen werden
• Wählen Sie einen Routing-Stil (Mikrostreifen, Streifenleitung, koplanare Wellenleiter, einseitig vs. differentiell)
• Berechnen Sie die Leiterbahnbreite, die benötigt wird, um die erforderliche Impedanz zu erreichen

Nachdem alles verdrahtet ist, stellt sich nun die Frage, ob es angebracht ist, die ungenutzten Bereiche der Oberflächen- und Innenlagen mit einer geerdeten Kupferfläche aufzufüllen. Es stellt sich jedoch nun die Frage, ob die Erdungsfläche zu nah an der Leiterbahn liegt. Das Bild unten zeigt ein Beispiel für eine HF-Leiterbahn, die mit hoher Frequenz (5,8 GHz) betrieben wird und dann als Speiseleitung zu einer Antenne fungiert.

Das oben genannte Beispiel ist sehr wichtig, da viele Anwendungshinweise für Komponenten mit HF-Ausgängen genau diese Art der Verdrahtung empfehlen, möglicherweise mit einer Via-Zaun entlang der Leiterbahn. Hierbei geht es darum, die HF-Leiterbahn von EMI zu isolieren, die von anderen Teilen des Layouts oder von einer externen Quelle kommen kann. Diese Anwendungshinweise geben jedoch im Allgemeinen eine übermäßig konservative Richtlinie für den Abstand zwischen der HF-Leiterbahn und der nahegelegenen GND-Kupferfläche an. Wie nah am Boden können Sie also Ihre kontrollierte Impedanzleiterbahn platzieren?

Ist es eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung oder ein koplanarer Wellenleiter?

Im Moment möchte ich mich auf einseitige Mikrostreifen konzentrieren, da sie konzeptionell einfach sind, aber alles, was ich gleich schreiben werde, gilt gleichermaßen für Streifenleitungen. Die gleichen Ideen gelten auch für die Verdrahtung von Differentialpaaren.

Wenn die Masseflächen auf der Oberflächenschicht im obigen Bild zu nah an der Leiterbahn sind, dann haben wir eine koplanare Wellenleitung und keine Mikrostreifenleitung. Theoretisch, wenn die Masseflächen auf der Oberflächenschicht unendlich weit von der Leiterbahn entfernt sind, dann haben wir es wieder mit einer Mikrostreifenleitung zu tun. Wenn Sie den Abstand der Masseebene zur Leiterbahn zu gering wählen, wird die Impedanz der Mikrostreifenleitung aufgrund der parasitären Kapazität zwischen dem Rand der Leiterbahn und der Massefläche verändert. Deshalb haben einzelne Mikrostreifen-Übertragungsleitungen und einzelne koplanare Wellenleitungen nicht immer die gleiche Leiterbahnbreite; die koplanare Wellenleitung benötigt im Allgemeinen eine kleinere Breite, um die gleiche Impedanz wie eine Mikrostreifenleitung bei demselben Stapelaufbau zu haben.

Aus dem Obigen können wir sehen, warum die Leiterbahnen einer koplanaren Wellenleitung möglicherweise schmaler sein müssen als eine Mikrostreifenleitung auf derselben Schicht und demselben Stapelaufbau. Die parasitäre Kapazität erhöht die gesamte Kapazität pro Längeneinheit der Leiterbahn, daher muss L erhöht werden, um dies zu kompensieren, und bringt so die Impedanz wieder auf 50 Ohm. Im nächsten Abschnitt werde ich diese Idee nutzen, um zu testen, wann die Massefläche zu nah an der Leiterbahn ist, indem ich die Abweichung der Impedanz von einem 50-Ohm-Ziel als Funktion des Masseabstands betrachte.

Überprüfung der "3W"-Regel

Es gibt tatsächlich eine Faustregel, die sogenannte "3W"-Regel. Diese besagt, dass der Abstand zwischen der Leiterbahn und der benachbarten Massefläche mindestens das Dreifache der Leiterbahnbreite betragen sollte. Wie wir gleich sehen werden, ist diese Richtlinie übermäßig konservativ und berücksichtigt nicht mehrere Faktoren. In Wirklichkeit hängt der erforderliche Mindestabstand von folgenden Faktoren ab:

• Der Verdrahtungsstil (Microstrip vs. Stripline)
• Ob Einzel- oder Differenzpaarverdrahtung verwendet wird
• Die Dielektrizitätskonstante des Substrats
• Der Abstand zwischen der Leiterbahn und ihrer Masseebene auf der nächsten Schicht

Da wir eine Situation betrachten, in der Sie die erforderliche Leiterbahnbreite für eine kontrollierte Impedanz bestimmen müssen, werde ich die 3W-Regel testen, indem ich die erforderliche Leiterbahnbreite vergleiche, um eine 50-Ohm-Impedanz-Microstrip mit einem koplanaren Wellenleiter derselben Impedanz zu erzeugen. Ich werde dies für verschiedene Schichtdicken tun, damit wir sehen können, wie die Methode zur Bestimmung der intrinsischen Parameter von Streifenübertragungsleitungen den erforderlichen Abstand zur Masseebene beeinflusst. Hier ist das Ziel, den minimalen Abstand zu bestimmen, der benötigt wird, um einen koplanaren Wellenleiter mit derselben Impedanz und Leiterbahnbreite wie ein Microstrip zu erzeugen.

Ergebnisse

Ich habe zunächst eine Reihe von Kurven erstellt, die die erforderliche Breite von Mikrostreifen, Streifenleitungen und koplanaren Breiten (Innen- und Oberflächenschichten) zeigen, um eine 50-Ohm-Impedanz auf einem 370HR Isola-Laminat (Dk ~ 4.1, ~0.02 Verlustwinkel bei 1 GHz) zu erzeugen. Diese Berechnungen wurden in Polar durchgeführt. Das Bild unten zeigt diese Ergebnisse und ermöglicht den Vergleich der Leiterbahnbreiten für jeden Leiterbahntyp bei einem spezifischen Abstand der Leiterbahn zum Massefluss von 5 mils.

Von hier aus können wir sehen, dass es spezifische Stack-Ups gibt, bei denen ein CPW und ein Mikrostreifen/Streifenleiter eine 50-Ohm-Impedanz und die gleiche Leiterbahnbreite haben, obwohl der Abstand zum Massebereich im CPW recht nah an der Leiterbahn liegt.

Das nächste Diagramm untersucht dies weiter. Es zeigt den minimalen Abstand der Leiterbahn zum Massebereich, der erforderlich ist, um eine 50-Ohm-Impedanz-Mikrostreifen und einen 50-Ohm-koplanaren Wellenleiter mit der gleichen Leiterbahnbreite zu erzeugen. Ergebnisse werden auch für eine Streifenleitung und einen koplanaren Wellenleiter auf einer internen Schicht gezeigt.

Die Interpretation des obenstehenden Diagramms ist sehr einfach: Es zeigt den minimalen Abstand von Leiterbahn zu Masse in einem CPW, der erforderlich ist, um die gleiche Impedanz wie in einem Mikrostreifen/Streifenleiter zu erzeugen, wenn beide die gleiche Leiterbahnbreite haben. Von hier aus können wir endlich unseren Test der 3W-Regel durchführen. Teilen Sie einfach die Daten der Y-Achse durch die Daten der X-Achse, um das folgende Diagramm zu erstellen:

Es ist ziemlich klar, dass die 3W-Regel übermäßig konservativ ist, außer in Fällen mit Streifenleiter-Routing in dünnen Dielektrika. Folgen Sie ihr, wenn Sie möchten, da sie übermäßige Interferenzen mit Ihrer Impedanz verhindern wird. Allerdings bietet dieser Abstand möglicherweise nicht die Isolation, die Sie benötigen. Dies ist ein Bereich, der mit einem Feldlöser getestet werden kann, indem man gekoppelte Netzwerkparameter und Kopplungskoeffizienten zwischen verschiedenen Verbindungen betrachtet.

Die obigen Ergebnisse zeigen den Fall, bei dem die Laminate, die einen Mikrostreifen oder symmetrischen Streifenleiter unterstützen, ein Dk = 4.1 haben. Was passiert, wenn stattdessen ein Laminat mit niedrigerem Dk verwendet wird? Wird dies die Ergebnisse beeinflussen?

Tatsächlich werden die Ergebnisse beeinflusst, da die Kapazität zurück zum nahegelegenen Kupfer-Pour geringer sein wird. Dies liegt daran, dass die parasitäre Kapazität zwischen einer Leiterbahn und dem benachbarten Pour proportional zur dielektrischen Konstante in beiden Streifenleiter- und Mikrostreifenkonfigurationen ist. Daher würde eine geringere parasitäre Kapazität zwischen diesen Strukturen bedeuten, dass wir eine geringere Impedanzabweichung für einen gegebenen Trace-to-Pour-Abstand erwarten sollten.

Das untenstehende Diagramm zeigt weitere Simulationsergebnisse für das Verhältnis von Abstand/Breite, jedoch auf einem Dk = 3 Material (wie RO3003). Wir können sehen, dass ein geringeres Abstand/Breite-Verhältnis in der Nähe von Kupfer-Pour erlaubt ist, einschließlich im Fall von sehr dünnen Laminaten. Diese Ergebnisse unterstützen bestimmte Designs wie RF-Systeme auf dünnen Laminaten sowie HDI-Designs mit feinem Pitch.

Ich habe hier einen ähnlichen Ansatz verfolgt, um die erwarteten Kapazitäten zu einem unendlich großen Kupfer-Pour direkt in einem anderen Artikel über parasitäre Extraktion zu berechnen. Um mehr über die Auswirkungen von Kupfer-Pour in der Nähe von Übertragungsleitungen zu erfahren, die eine Impedanzspezifikation erfüllen müssen, schauen Sie sich das untenstehende Video an. In diesem Video beschreibe ich die oben genannten Punkte viel detaillierter und 

Zusammenfassung

Aus den obigen Ergebnissen sollte sehr deutlich sein, dass die 3W-Regel zur Bestimmung des Abstands zwischen der Mikrostreifenleitung und dem nahegelegenen Masseflächenüberzug übermäßig konservativ ist. Beachten Sie, dass die oben genannten Dielektrikum-Dicken praktische Werte sind, die Sie bei einem 4-Lagen- oder dickeren Stapel finden könnten, abhängig vom Laminat, das für den Stapelaufbau verwendet wird. Wir können auch sehen, dass Sie bei einem gegebenen Abstand zur Masseflächenfreigabe mit einer Mikrostreifenleitung eine viel engere Freigabe haben können, während eine Streifenleitung in dünneren Dielektrika eine viel größere Freigabe erfordert. Schließlich, wenn das Dielektrikum dick genug wird, werden diese beiden Kurven aufeinander zulaufen.

Lesen Sie Mikrostreifen Masseflächenfreigabe Teil 2: Wie die Freigabe Verluste beeinflusst

Die Bestimmung eines angemessenen Abstands für die Masseflächenfreigabe von Mikrostreifenleitungen beginnt mit den besten PCB-Stapeldesign-Werkzeugen. Wenn Sie Altium Designer verwenden, können Sie leicht die Leiterbahnbreite und den Abstand bestimmen, die erforderlich sind, um eine kontrollierte Impedanzverdrahtung auf Platinen zu gewährleisten, die in Ihrem PCB-Layout eine geerdete Kupferüberzug verwenden.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Altium 365™-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare besuchen.