Mikrostreifen-PCB-Abstand Teil 2: Wie der Abstand die Verluste beeinflusst

In einem vorherigen Artikel habe ich eine Diskussion und einige Simulationsergebnisse über den notwendigen Abstand zwischen impedanzkontrollierten Leiterbahnen und nahegelegenen geerdeten Kupferflächen bereitgestellt. Was wir festgestellt haben, war, dass, sobald der Abstand zwischen der Fläche und der Leiterbahn zu klein wird, die Leiterbahn zu einem impedanzkontrollierten koplanaren Wellenleiter (mit oder ohne Erde) wird. Wir haben auch gesehen, dass die 3W-Regel für den Abstand zwischen der Leiterbahn und der geerdeten Kupferfläche ein wenig zu konservativ ist.

Im Wesentlichen, wenn Ihr Ziel ist, eine Zielimpedanz zu erreichen, und Sie sich Sorgen machen, wie die nahegelegene Fläche die Impedanz beeinflussen könnte, können Sie näher herankommen als die durch die 3W-Regel gesetzten Grenzen. Allerdings hängt die genaue Grenze des Abstands, den Sie anwenden können, von der Dicke des Dielektrikums ab; dickere Substrate erlauben ein kleineres Abstands-Breiten-Verhältnis, all dies wurde in einigen Simulationen als komfortable Verletzung der 3W-Regel für praktisch untersuchte Laminatdicken gefunden.

Obwohl wir uns im vorherigen Artikel auf die Impedanz konzentriert haben, könnte man zu Recht fragen, welche Auswirkungen dies auf die Verluste hat? Wenn der Grund für diese Frage nicht offensichtlich ist, oder wenn Sie nicht auf dem neuesten Stand der Feinheiten im Design von Übertragungsleitungen sind, dann lesen Sie weiter, um zu sehen, wie nahegelegene Erdflächen die Verluste in impedanzkontrollierten Verbindungen beeinflussen können.

Warum würde eine Erdung in der Nähe einer Leiterbahn Verluste beeinflussen?

Dies ist eine berechtigte Frage, und sie bezieht sich darauf, wie ein benachbarter Leiter die Verteilung des elektromagnetischen Feldes um eine Leiterbahn, die eine statische Ladung oder Stromdichte trägt, verändern kann. Um zu verstehen, wie Verluste entstehen könnten, wenn eine geerdete Kupferfläche in der Nähe einer Mikrostreifenleitung oder einer Streifenleitung platziert wird, betrachten wir das elektrische Feld.

Im Bild unten habe ich eine grobe Skizze des elektrischen Feldes um eine Mikrostreifenleitung gezeichnet. Wenn sich eine geerdete Kupferfläche in der Nähe auf derselben Schicht wie die Leiterbahn befindet, enden einige elektrische Feldlinien am Rand des Leiters.

Da die Erdungsfläche die Feldlinien in Richtung des Erdungsbereichs zieht, ist das elektromagnetische Feld stark im Bereich zwischen der Leiterbahn und der benachbarten Kupferfläche konzentriert. Sie fragen sich vielleicht, wie führt dies zu größeren Verlusten?

Skineffekt und Bildstrom

Nun ist es Zeit für eine kleine Lektion in Elektromagnetik... Wenn ein Signal entlang einer Leiterbahn fließt, wird sich die zugehörige Stromdichte um den Rand der Leiterbahn, die das Signal führt, gruppieren. Die typische Darstellung, die wir alle in Kursen zur Elektromagnetik lernen, gilt jedoch nur, wenn wir einen unendlich langen Draht betrachten, der von allen anderen Medien isoliert ist, einschließlich aller anderen nahen Leiter. Die Realität ist jedoch, dass, wenn ein Leiter in die Nähe der Leiterbahn gebracht wird, sich der Strom um Bereiche der Leiterbahn drängt, in denen das orthogonal orientierte elektrische Feld am intensivsten ist, was entlang der seitlichen Ränder der Leiterbahn der Fall ist.

In meinen jüngsten Präsentationen auf einigen Konferenzen und in Präsentationen, die ich von vielen anderen Forschern gesehen habe, werden analytische Berechnungen zum Skin-Effekt vorgestellt, während der Bildstrom in nahen Masseebenen und Kupferflächen ignoriert wird. Dies ist größtenteils eine Vereinfachung um der Berechnung willen und um Kürze während einer Präsentation zu wahren. Die Berechnung dieser speziellen Verteilung für jede Leiterbahnanordnung ist einen eigenen Fachartikel in Zeitschriften wie IEEE oder JPIER wert. Es ist jedoch die Hauptüberlegung, um die Rolle der Kopplungskapazität und ihre Auswirkungen auf Verluste zu verstehen.

Um mehr über die Erzeugung eines Bildstroms in einem Leiter und wie dieser den Skin-Effekt verzerrt zu erfahren, werfen Sie einen Blick auf diesen in IEEE veröffentlichten Artikel:

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "Modellierung des Skin-Effekts von Bildplane-Techniken für abgestrahlte Emissionen von PCB-Leiterbahnen." In IEEE 1997, EMC, Austin Style. IEEE 1997 International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Symposiumsbericht (Kat. Nr. 97CH36113), S. 308-313. IEEE, 1997.

Da sich der Strom am Rand einer Leiterbahn staut, verstärkt dies die Wechselwirkung zwischen dem Strom und der rauen Wand der Kupferleiterbahn. Denken Sie daran, die Rauheit von Kupfer erhöht die Stärke des Skin-Effekts und erzeugt zusätzliche verlustbehaftete Impedanz. Um zu verstehen, was in dieser Wechselwirkung passiert, müssen wir wissen, wie Kupferbeschichtungsmaterialien Verluste beeinflussen.

Digitale vs. RF-Systeme

An diesem Punkt ist es wichtig, zwischen digitalen Systemen und RF-Platinen zu unterscheiden, aufgrund der Handhabung von Lötstopplack und Beschichtung. Bei einer digitalen Platine lassen wir im Allgemeinen den Lötstopplack überall aufgetragen und konzentrieren uns auf die Kanalkonformität über die minimal erforderliche digitale Bandbreite hinaus. Bei RF-Systemen ist es sehr üblich, den Lötstopplack zu entfernen, sodass Übertragungsleitungen, die RF-Signale unterstützen, eine gewisse Beschichtung auf der Außenseite haben werden.

• Digital - Ich habe keine umfassende Studie gesehen, die zeigt, wie nahegelegenes Kupfer-Pour Verluste beeinflusst, die durch die Lötstopplack entstehen. Meiner Meinung nach wird das elektromagnetische Feld damit interagieren, unabhängig davon, und die Abweichung in den Verlusten könnte in beiden Fällen minimal sein. Jeder, der dazu Einsichten hat, sollte mich auf LinkedIn finden und mir eine Nachricht senden.
• RF - In diesem Fall führt die Umverteilung des Stroms im Plattierungsbereich definitiv zu einer Änderung der Verluste entlang der Verbindung. Daher kann die Plattierung aufgrund ihres Effekts auf die Rauheit, wie unten diskutiert, zu einem neuen Faktor werden, der die Verluste bestimmt.

Angenommen, Sie entfernen den Lötstopplack von den Leiterbahnen in Ihrem digitalen System; Sie müssen immer noch die Struktur des Plattierungsfilm und seine Rauheit berücksichtigen, um zu verstehen, wie nahegelegenes Kupfer-Pour Verluste beeinflusst.

Für RF-PCBs: Vermeiden Sie Nickel-basierte Plattierungen, bevorzugen Sie Silber

John Coonrod hat einige ausgezeichnete Daten bereitgestellt, die die Auswirkungen der ENIG-Beschichtung bei progressiv höheren Frequenzen in einem geerdeten koplanaren Wellenleiter (sehr ähnlich einem koplanaren Mikrostreifen mit Erde) und einem einzelnen Mikrostreifen ohne Kupferfläche zeigen. Ich ermutige die Leser, sich eines seiner YouTube-Videos unter diesem Link anzusehen. Eine umfassendere Bewertung findet sich in diesem Video. Kurz gesagt, zeigen Johns Daten zwei Schlussfolgerungen:

• Der Übergang zu einer koplanaren Anordnung kann zu mehr Verlusten führen, wenn das koplanare Erdreich nah ist, was einen dünneren Mikrostreifen erzwingt (mehr Verlust durch Skin-Effekt).
• ENIG-Beschichtung führt immer zu größeren Gesamtverlusten in einer koplanaren Anordnung im Vergleich zu einem einfachen Mikrostreifen.

Man würde ähnliche Ergebnisse für Streifenleitungen erwarten.

Das Bild unten zeigt das wichtige Diagramm aus dem Video, auf das ich oben verlinkt habe. Im Wesentlichen ist aufgrund der Verbindungsbeschichtung zwischen Kupfer und Nickel die Rauheit, auf die der sich ausbreitende Strom trifft, in einem koplanaren Wellenleiter viel größer als bei einem Mikrostreifen. Unterdessen sehen wir bei blankem Kupfer sehr ähnliche Verluste in beiden Übertragungsleitungen. Unterhalb einiger GHz scheint es keinen Unterschied zwischen den Verlusten in jedem Übertragungslinientyp zu geben.

Sollten Sie also eine geerdete Kupferfläche in der Nähe Ihrer Verbindungen verwenden oder darauf verzichten? Offensichtlich gibt es mehr zu bedenken als nur Abschirmung, Impedanz und Verluste. Der thermische Transport wird ebenfalls als ein Grund genannt, Kupferflächen um eine PCB zu platzieren. Wenn Sie Kupferflächen um hochgeschwindigkeits-impedanzkontrollierte Leiterbahnen verwenden möchten, stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Verbindungen mit einigen grundlegenden Messungen testen (TDR oder S-Parameter). Die oben genannten Ergebnisse sollten veranschaulichen, warum Immersions-Silber oft die Beschichtung der Wahl für Hochfrequenz-/Hochgeschwindigkeits-impedanzkontrollierte Verbindungen ist, anstatt ENIG.

Zusammenfassung

Um fair zu sein, gibt es einige Nachteile, wenn man jede Signallage wahllos mit Kupferflächen füllt, von denen einige hier erwähnt wurden. Kella Knack weist auch in einem anderen Artikel auf einige Nachteile von Kupferflächen hin; ich würde der Implikation widersprechen, dass die Verwendung von Kupferflächen eine schlechte Designpraxis ist und niemals verwendet werden sollte, aber Sie sollten die Nachteile für Ihr spezifisches Design in Betracht ziehen und sicherstellen, dass Prototypen auf der Grundlage dieser angenommenen Nachteile getestet werden. Die Anwendung von Kupferflächen kann richtig oder falsch sein, und ihre Verwendung wird manchmal als eine dieser „immer“ oder „niemals“ Entscheidungen dargestellt; beide Seiten nehmen wahrscheinlich die Designentscheidungen des anderen aus dem Kontext. In jedem Fall benötigen Sie Kupferflächen, um PCB-Elemente in modernen HF-Designs zu definieren, die Abschirmung, substratintegrierte Wellenleiter und impedanzkontrollierte koplanare Wellenleiter bieten. Stellen Sie sicher, dass Sie es weise verwenden und die entsprechende Beschichtung auftragen, wenn Verluste problematisch sein werden.

Die Bestimmung eines angemessenen Abstands für die Massefreistellung von Mikrostreifenleitungen beginnt mit den besten PCB-Stackup-Designwerkzeugen. Wenn Sie Altium Designer® verwenden, können Sie leicht die erforderliche Leiterbahnbreite und den Abstand bestimmen, um eine kontrollierte Impedanzverdrahtung auf Platinen zu gewährleisten, die eine geerdete Kupferfläche in Ihrem PCB-Layout verwenden. Wenn Sie mit Ihrem Design fertig sind und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Altium 365™-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte.

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