Flex-PCBs: Signalintegrität flexibler Schaltungen für Maschen-Masseebenen

Ultra-hohe Geschwindigkeiten auf Flex- und Rigid-Flex-Platinen sind unvermeidlich, da diese Platinen in fortschrittlicher Elektronik immer häufiger verwendet werden. Diese Systeme benötigen auch Erdungsschichten zur Isolation und zur Trennung von RF- und digitalen Referenzen für drahtlose Protokolle. Mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Frequenzen kommt das Potenzial für Probleme mit der Signalintegrität, viele davon hängen mit der Platzierung und Geometrie der Erdungsebene auf einer PCB zusammen.

Ein gängiges Verfahren, um eine konsistente 0 V Referenz auf Flex- und Rigid-Flex-Platinen zu bieten, ist die Verwendung einer geschlitzten oder maschenartigen Erdungsebene auf dem Flexband. Dies bietet einen großen Leiter, der immer noch Abschirmung über einen breiten Frequenzbereich bieten kann, während das Flexband sich biegen und falten lässt, ohne übermäßig starr zu sein. Allerdings entstehen Probleme mit der Signalintegrität in zwei Bereichen:

• Sicherstellung einer konsistenten Leiterbahnenimpedanz,
• Abschirmung und Isolation, und
• Vermeidung von faserwebartigen Effekten in der Maschenstruktur.

In diesem Artikel werden wir uns näher mit den Problemen der Signalintegrität befassen, die von geschlitzten Erdungsebenen ausgehen und was Sie dagegen tun können.

Design der Maschen-Erdungsebene

Im grundlegendsten Sinne funktioniert das Schraffieren genau wie jede andere Massefläche. Es soll eine konsistente Referenz bieten, damit eine Leiterbahn so entworfen werden kann, dass sie die gewünschte Impedanz hat. Jede der gängigen Übertragungsleitungs-Geometrien (Mikrostreifen, Streifenleitung oder Wellenleiter) kann in starren-flexiblen oder flexiblen Leiterplatten mit einem maschenartigen Masseplan platziert werden. Das Platzieren einer schraffierten Kupferregion auf der Oberflächenschicht des Flexbandes bietet nahezu die gleichen Effekte wie Vollkupfer bei niedrigen Frequenzen.

Die gängige Konfiguration für die Verlegung von Streifenleitungen und Mikrostreifen auf einem Flexband mit Maschen-Masseflächen wird unten gezeigt.

Diese Maschenstruktur kann in starren Platinen verwendet werden, aber ich habe dies in der Praxis noch nie gesehen, noch hatte ich einen Kundenwunsch danach. Stattdessen wird das Maschenmuster in flexiblen/starren-flexiblen Platinen verwendet, um das Bedürfnis nach Impedanzkontrolle mit dem Bedürfnis nach einem angemessen flexiblen Band auszugleichen. Egal, ob Sie die Leiterbahnen oder das Schraffurmuster entwerfen, folgen Sie den besten Praktiken für statische und dynamische Flexbänder und den IPC 2223 Standards.

Impedanzkontrolle

Eine Option für die Arbeit mit einseitigen oder differentiellen Paaren besteht darin, massives Kupfer in der Lagen direkt unter den Leiterbahnen zu platzieren und an anderen Stellen im Schaltkreis eine Gitterstruktur zu verwenden. Wenn die Verdrahtung sehr dicht wird, müssen Sie überall ein Gitter verwenden. Wenn Sie sich für ein Gitter entscheiden, haben Sie mehr Flexibilität, aber eine geringere Abschirmisolierung und modifizierte Bedingungen für die Impedanzkontrolle.

Wie oben gezeigt, hat die Gitterebenenstruktur zwei geometrische Parameter: L und W. Diese beiden können zu einem Füllfaktor kombiniert werden, oder dem Anteil der Gitterfläche, der mit Kupfer bedeckt ist. Eine Änderung dieser Parameter hat die folgenden Auswirkungen:

• Das Öffnen des Gitterbereichs (Erhöhung der Gitteröffnung durch Erhöhung von L) erhöht die Impedanz, vorausgesetzt, andere Parameter bleiben konstant. Es macht auch das Band leichter zu biegen (weniger Kraft).
• Die Erhöhung von W bei gleichbleibenden anderen Parametern schließt den Gitterbereich, was die Impedanz erhöht. Es macht auch den Bandmodus schwer zu biegen (mehr Kraft).

Die anderen Parameter, die die Impedanz für Standardgeometrien bestimmen, haben die gleichen Auswirkungen, wenn man mit einer Maschen-Erdungsplane arbeitet. Sobald man zu hohen Frequenzen gelangt, werden nicht-TEM-Moden um Ihre Übertragungsleitungen herum angeregt, und es können sogar einige Effekte ähnlich der Fasergewebe-Struktur auftreten.

Fasergewebe-Effekte in meinem Flexband?

Das ist der Punkt, an dem eine Maschen-Erdungsplane auf einer Leiterplatte sehr interessant wird, da das Maschenmuster beginnen kann, dem Glasgewebemuster, das in FR4 und anderen Laminaten verwendet wird, zu ähneln. Als Ergebnis befinden wir uns nun wieder in einer Situation, in der wir uns um Fasergewebe-Effekte in einem normalerweise glatten, relativ homogenen Substratmaterial sorgen müssen. Diese Effekte treten auf, wenn die Bandbreite eines sich bewegenden Signals mit einer oder mehreren Resonanzen in der Maschenstruktur überlappt. Für L = 60 mil auf Polyimid wäre die niedrigste Ordnungsresonanz 50 GHz.

Eine frühe Studie (siehe diesen Artikel von Hindawi) zeigte, dass diese strukturierten Oberflächen, egal ob auf einem starren oder flexiblen PCB-Substrat, starke Emissionen erzeugen können, wenn ein digitales Signal auf einer Leiterbahn über die Maschen-Erdungsfläche übertragen wird. Da sich immer mehr Anwendungen für Flex-PCBs bei höheren Frequenzen eröffnen, würde ich erwarten, dass diese Effekte in einem Flexband mit einer Maschen-Erdungsfläche aus einigen Gründen schlimmer sind.

Höhere-Q-Resonanzen

Genau wie bei einem regulären Glasgewebe-Substrat bildet das Maschengewebe eine Hohlraumstruktur, die Resonanzen unterstützen kann, wenn sie bei bestimmten Frequenzen angeregt wird. Diese Resonanzhohlräume in einer Maschen-Erdungsfläche werden sehr hohe Q-Werte haben, da die Wände des Hohlraums hochleitfähig (Kupfer) sind. Daher wird es geringere Verluste und höhere-Q-Resonanzen geben. Dies führt zu erhöhten Hohlraumemissionen und resonantem Leistungsverlust.

Offenes Maschengewebe hat geringe Isolation

Ein solider Erdungsplan würde normalerweise sicherstellen, dass jegliche abgestrahlte EMI von Fasergewebehohlräumen entlang des Randes der Platine emittiert wurde. Da eine Maschen-Erdungsfläche offene Hohlräume hat, bietet sie weniger Isolation und kann auch entlang der Oberfläche des Flexbandes abstrahlen. Dies hat einen wechselseitigen Effekt: Wenn eine Leiterbahn Strahlung leichter emittieren kann, kann sie auch leichter externe EMI empfangen.

Um diese Probleme zu lösen, verwenden Sie engere Maschen, genau wie Sie ein engeres Glasgewebe verwenden würden, um Fasergewebewirkungen zu verhindern. Flex- und Rigid-Flex-PCBs werden weiterhin ein Teil der PCB-Landschaft sein und werden mit neueren Fertigungskapazitäten immer fortschrittlicher. Tara Dunns Ankündigung der Fertigungskapazitäten mit 1 mil Spurbreite kann ein echter Wendepunkt für Hochgeschwindigkeits-, hochdichte Flex-PCBs sein, indem sie die Fertigung von kleineren Maschengrundflächenmustern ermöglicht.

Beispiel für eine Maschengrundfläche

Ein Beispiel für eine gut konstruierte Maschengrundfläche findet sich im Open-Source-Laptop-Projekt, das von Lukas Henkel angeführt wird. Das Bild unten zeigt ein Beispiel mit einer Maschengrundfläche, die auf einem 1 mil dicken Flexband für eine Webcam angewendet wird. Dieses Flex-PCB soll die MIPI CSI-2-Verkabelung von einem Rand-FPC-Stecker zu einer Webcam unterstützen, die direkt auf das Flexband gelötet ist. Die geometrischen Parameter sind wie folgt:

• Kupferleiterbahnbreite: 0,1 mm
• Öffnungsgröße (wiederholendes Element): 0,283 mm

In diesem Beispiel werden mehrere Schraffurbereiche verwendet, um die Masse in verschiedenen Teilen des Flexbandes zu definieren. Es gibt auch eine große solide Region in der Schraffurebene, die dazu verwendet wird, die Hochgeschwindigkeits-CSI-2 Signale von den langsameren Konfigurationssignalen und GPIOs im oberen Teil des Schraffurbereichs zu trennen. Sobald Sie bereit sind, Signale über dem Schraffurbereich zu verlegen, werden die Routing-Tools genau so funktionieren, wie das Routing über eine solide Ebene oder ein solides Polygon.

Diese Art von Schraffur muss nicht manuell durch das Verlegen von Leiterbahnen gezeichnet werden. Stattdessen beinhaltet Altium Designer eine Funktion, die die Schraffur automatisch auf einem Polygon anwendet, und die ausgewählte Schraffur erscheint, sobald das Polygon im PCB-Editor neu gegossen wird. Diese Funktion kann auf rechteckigen Polygonen, gekrümmten Polygonen, wie oben gezeigt, oder auf unregelmäßigen Polygonfüllungen angewendet werden.

Simulation des Routings über ein Massemesh

Mesh-Erdungsflächen können technisch gesehen genauso simuliert werden wie jede andere Struktur auf einer PCB, aber die Herausforderung ergibt sich aus dem höheren Bedarf an Rechenleistung aufgrund der komplexeren Struktur des Mesh-Erdungsnetzes. Die Öffnungen in diesen Mesh-Layern erzeugen ein komplexeres Simulationsnetz, das dann verwendet wird, um Maxwells Gleichungen zu lösen, was wiederum längere Rechenzeiten erfordert. Zum Beispiel kann eine S-Parameter-Simulation für ein einzelnes differentielles Paar über einer Mesh-Ebene über eine Stunde Simulationszeit erfordern (basierend auf Simulationen des PCB-Querschnitts), während das gleiche differentielle Paar und Stackup mit einer soliden Kupfer-Erdungsebene unter 1 Minute Analysezeit benötigen würde, wenn mit derselben numerischen Methode analysiert.

Die oben genannten Fakten machen die Bestimmung der Impedanz für das Routing über Mesh-Erdung sehr schwierig. Ein weiteres Problem, das auftritt, ist der Mangel an klaren Daten von Herstellern. Nicht alle Hersteller führen Daten über die Impedanz über Mesh-Erdungsebenen, hauptsächlich weil die Impedanz so stark vom Füllfaktor und der Orientierung des Kupfernetzes abhängt. Da der Parameterraum so groß ist, haben Flex-PCB-Hersteller, die diese Daten tatsächlich führen, wahrscheinlich nur gültige Testdaten für einige wenige Parametrisierungen und für spezifische Polyimidprodukte. Daher, wenn Sie High-Speed-Routing auf Flex für ein fortschrittliches Produkt benötigen, sollten Sie in ein 3D-Feldsimulationswerkzeug investieren.

Unabhängig davon, wie Sie planen, Ihre Flex- oder Rigid-Flex-PCB zu entwerfen, Altium Designer® bietet Ihnen die notwendigen Werkzeuge, um eine Maschen-Erdungsfläche für Hochgeschwindigkeitsdesigns korrekt zu entwerfen. Altium Designer auf Altium 365® bietet eine bisher in der Elektronikindustrie unerreichte Integration, die bisher der Welt der Softwareentwicklung vorbehalten war, und ermöglicht es Designern, von zu Hause aus zu arbeiten und beispiellose Effizienzniveaus zu erreichen.

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 überprüfen.