Los beneficios de los materiales de PCB con alto Dk

Los términos "diseño de alta velocidad" y "laminado de PCB de bajo Dk" se utilizan a menudo en los mismos artículos, y frecuentemente en la misma oración. Los materiales de PCB de bajo Dk tienen su lugar en PCBs de alta velocidad y alta frecuencia, pero los materiales de PCB de alto Dk proporcionan integridad de potencia. Los PCBs de bajo Dk suelen ser elegidos ya que tienden a tener un menor tangente de pérdida. Así, los materiales de PCB de alto Dk tienden a ser pasados por alto para PCBs de alta velocidad y alta frecuencia.

Cuando miramos la integridad de potencia para tarjetas de alta velocidad/alta frecuencia, en lugar de solo la pérdida de señal o aceptar el valor proporcionado por un laminado de alta velocidad, deberías considerar la constante dieléctrica como parte de la estrategia general para una potencia estable. Esto incluye las partes real e imaginaria de la constante dieléctrica, ya que ambas afectan la integridad de potencia de tu PCB. Con esto en mente, veamos el papel que juegan los materiales de PCB de alto Dk en asegurar la integridad de potencia.

Materiales de PCB de Alto Dk e Integridad de Potencia de PCB

Primero lo primero, cuando miramos la integridad de potencia, siempre estamos tratando de asegurar que el voltaje que emites desde tus etapas reguladoras permanezca constante a medida que la potencia fluye a través de la PDN. Esto plantea dos aspectos del análisis de PDN y la integridad de potencia:

• Análisis de CC: Aquí, solo nos preocupa la caída de IR a través de los conductores que componen el PDN. La constante dieléctrica no juega un papel en el análisis de CC.
• Análisis de CA: Por análisis de CA, nos referimos al comportamiento de cualquier corriente variable en el tiempo en el plano de potencia. Aquí es donde la impedancia del PDN se vuelve esencial, ya que la variación de voltaje vista en un componente aguas abajo es el producto de la impedancia del PDN y el voltaje variable en el tiempo (ley de Ohm).

Un material de PCB con alto Dk utilizado como dieléctrico entre el plano de potencia y el plano de tierra proporciona algunos beneficios importantes para la integridad de potencia. En particular, un valor alto de Dk para el material de PCB entre el plano de tierra y el plano de potencia proporcionará una mayor capacitancia interplanar, lo que significa que tus planos actúan como un capacitor de desacoplamiento más grande, y la impedancia del PDN será menor. Colocar los planos de tierra y potencia más cerca también aumenta la capacitancia interplanar. A continuación, se muestran algunos resultados de simulación de un artículo de IEEE de 2006.

El otro aspecto importante de la constante dieléctrica es la parte imaginaria o el valor de Df. Esto generalmente se resume usando el tangente de pérdida, pero este no es el único métrico para examinar la utilidad de un laminado particular en tableros de alta velocidad/alta frecuencia. La dispersión en el laminado también es bastante importante para las señales digitales ya que causará que las señales se estiren y distorsionen en su placa. Para la integridad de potencia, los valores de Dk y Df importan juntos de la siguiente manera:

• Se prefiere alto Dk: Se prefiere un Dk más alto porque generalmente resulta en una impedancia total del PDN más baja. Esto se debe a que el PDN tendrá más capacitancia de plano.
• Se prefiere alto Df: La razón por la que se desea un Df más alto en el dieléctrico entre tierra y poder es porque el dieléctrico con pérdidas amortigua naturalmente las resonancias en la curva de impedancia del PDN. Esto se ve al comparar las líneas sólidas azules y negras.
• Se prefieren capas delgadas: Una capa más delgada crea más capacitancia del PDN y confina más del campo electromagnético en el sustrato con pérdidas, por lo que la curva de impedancia del PDN se mueve hacia abajo y las resonancias del PDN tienen picos más pequeños.

Para resumir, para la integridad de potencia en un PDN, el mejor caso es tener un Dk alto, un Df alto y una capa delgada (ver la curva negra sólida arriba). Es por esto que los materiales de capacitancia embebida utilizados en PCBs de alta velocidad avanzados tienen un valor de Dk muy alto y son pérdidosos, por lo que no querrías enrutar señales sobre ellos.

Alto Dk e Integridad de Señal

Para la integridad de señal, los parámetros importantes son los valores de Dk y Df individualmente, en lugar de solo mirar el tangente de pérdida. La excepción es cuando llegas a capas muy delgadas que podrías usar en una PCB de alto conteo de capas/HDI; discutiré este tipo de caso más abajo. Nota que, para sustratos de PCB de baja pérdida, los valores de Dk y Df tienden a escalar juntos (por ejemplo, los laminados de Rogers), pero este no es siempre el caso. Puedes ver algunos ejemplos en laminados populares; por ejemplo, Nelco 4000-13 EP tiene alrededor de 20 veces menor tangente de pérdida que FR4, pero el valor de Dk es solo alrededor de 10% menor.

La importancia del valor de Df y la utilidad de algunos conjuntos de materiales para diferentes estándares de señalización de alta velocidad se describen a continuación. Tenga en cuenta que Dk no juega ningún papel en esta tabla; lo que generalmente importa es el tangente de pérdida y la rugosidad del cobre.

Dk comienza a jugar un papel importante si tienes raíles de alimentación y señal en la misma capa, como en un SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR apilamiento. Para resumir, hay algunos casos donde Dk alto/bajo Df y Dk alto/alto Df ofrecen algunos beneficios tanto para la integridad de la señal como para la integridad de la alimentación, y es importante saber cómo combinar estos:

• Si los raíles de alimentación y la señal se mezclan en la misma capa en PCBs de bajo número de capas, se puede preferir un Dk más alto
• Si la alimentación y la señal se separan en diferentes capas, se prefiere un Dk más alto para la separación de alimentación/tierra

La 2ª opción en esta lista implica que podrías crear un apilamiento de PCB híbrido, donde se usan diferentes materiales laminados. Dependiendo de los materiales laminados involucrados, podrías ahorrar algunos costos mezclando y combinando laminados, en lugar de elegir un único material exótico para todo el apilamiento.

Apilamientos de PCB Híbridos: Lo Mejor de Ambos Mundos

Puede ver los beneficios de un dieléctrico de baja pérdida para la integridad de la señal y un dieléctrico de alta constante dieléctrica (Dk) para la integridad de la potencia en un apilado híbrido de PCB. En este tipo de apilado, la capa de alta Dk sería una mejor opción para separar los planos de potencia y tierra en la red de distribución de potencia (PDN), lo que reducirá la autoimpedancia de la PDN y la impedancia de transferencia. Luego, querría usar un material de baja Dk con baja pérdida para soportar señales en la capa superficial y encerrar geometrías de stripline en las capas interiores.

A continuación, se muestra un ejemplo de una placa de 10 capas. Estos apilados pueden ser un poco extraños y difíciles de crear ya que desea asegurar simetría. Esto asegura que cualquier estrés creado por desajustes de CTE sea uniforme, tanto durante el ensamblaje como en operación. Note que cualquiera de los planos de tierra podría ser intercambiado por un plano de potencia con diferente voltaje, y aún así podría servir como referencia para una capa de señal adyacente.

Antes de crear un apilado híbrido, asegúrate de consultar con tu fabricante sobre sus capacidades y qué materiales recomiendan usar. Si optas por diseñar un apilado híbrido, tu fabricante puede recomendar algunos límites en las discrepancias de CTE entre diferentes materiales laminados, restringiendo tus opciones disponibles. Aunque el software de diseño de PCB básicamente te permitirá crear cualquier apilado que desees, eso no significa que tu fabricante será capaz de producirlo. Siempre consulta con un fabricante antes de producir este tipo de apilado para asegurarte de que saben cómo manejar estas placas y prevenir la delaminación durante el ensamblaje.

Ten en cuenta que todas estas capas se asumen como sistemas de resina estándar con refuerzo de fibra, o lo que consideraríamos un material laminado tipo FR4 estándar. En el mundo de la RF, a menudo optamos por PTFE sin refuerzo, que solo utiliza un relleno cerámico pero no tiene fibra de vidrio. Capas delgadas de PTFE también pueden usarse en un apilado híbrido; consulta este artículo para saber más.

Alto Dk Puede Limitar la Fabricabilidad en Laminados Delgados

Una de las desventajas de un material de alta Dk para una capa de señal es la manufacturabilidad. Esto surge debido a los anchos de traza requeridos cuando se impone el control de impedancia. Los anchos de traza necesitan ser más delgados para alcanzar una impedancia objetivo cuando se colocan sobre un material de alta Dk versus un material de baja Dk.

En laminados gruesos, esto no es un problema, y el valor alto de Dk puede ser beneficioso: los anchos de traza necesitan ser más delgados, por lo que puede ser más fácil enrutar hacia ciertos componentes. En laminados delgados, esto será un problema porque, eventualmente, el ancho de traza se vuelve tan pequeño que comienzas a alcanzar el límite de las capacidades de fabricación. Las tolerancias de grabado ahora se convierten en una fracción significativa del ancho de traza, por lo que obtienes una mayor variación en la impedancia de la traza. Por "laminado delgado", nos referimos a laminados exteriores de 2 mil para microstrip, o laminados internos de 2-4 mil para stripline.

Por lo tanto, en laminados muy delgados, es mejor optar por un material de baja Dk como un laminado de PTFE para asegurar la producibilidad. Los materiales de PTFE tienen el problema de ser difíciles de manejar cuando no tienen refuerzo de fibra de vidrio, por lo tanto, un laminado reforzado puede ser preferido si los anchos de banda de señal excitan efectos excesivos de tejido de fibra.

Otros Efectos Importantes de los Materiales de PCB de Alta Dk

Aquí están algunos de los otros efectos importantes de los materiales de PCB con alto Dk en tu placa de circuito.

• Propagación de señal más lenta. Esto significa que tu desajuste de longitud permitido en redes paralelas y pares diferenciales será menor (para un dado desajuste de tiempo). Sin embargo, con las herramientas adecuadas de enrutamiento y control de impedancia en tu software de diseño de PCB, esto se convierte en un problema no relevante.
• Impedancia de transferencia más pequeña. Como discutí en un artículo reciente, la impedancia de transferencia describe cómo una perturbación de voltaje de PDN creada por un componente de conmutación afecta la fluctuación de voltaje vista en un componente diferente. Si el valor de Dk para el dieléctrico es mayor, entonces la impedancia de transferencia es menor, la fluctuación de voltaje vista en el otro componente es menor. El valor de Df también juega un papel aquí, en el sentido de que un sustrato con pérdidas amortiguará la fluctuación de voltaje vista en otros componentes (ver Fig. 12 en este artículo).
• Fluctuaciones retardadas entre diferentes componentes. Cuando ocurre una fluctuación en un componente, toma algún tiempo propagarse a lo largo de la PDN hacia otros componentes. Cuando el valor de Dk del dieléctrico es mayor, el retraso entre las fluctuaciones en diferentes componentes es más largo. Sin embargo, los capacitores de desacople colocados en otros componentes compensarán cualquier fluctuación, y el capacitor de desacople correcto hace que esto no sea un problema.
• Las anti-resonancias de cavidad interplanar se mueven a frecuencias más bajas. Esto se vuelve importante hasta anchos de banda de GHz. En una anti-resonancia de cavidad, la impedancia alcanza un pico en una frecuencia particular. Usar un material delgado de alto Dk con una pérdida mayor entre los planos de tierra y de potencia amortigua estas anti-resonancias (ver Fig. 11 en este artículo). Discutiré este problema con resonancias en cavidades y guías de onda más en un futuro artículo.

Resumen

Si estás construyendo un apilado híbrido para una placa de alta velocidad/alta frecuencia, deberías usar un dieléctrico de alto Dk/alto Df entre los planos de tierra y de potencia. Si estás usando el mismo material laminado a lo largo del apilado, puedes equilibrar la integridad de potencia y la integridad de señal si usas un dieléctrico de alto Dk/bajo Df.

La desventaja de usar materiales de PCB con alta constante dieléctrica (Dk) es una mayor acoplamiento capacitivo entre conductores. Esto significa que las capacitancias parásitas que involucran al sustrato son mayores, y tendrías que reducir esto utilizando un dieléctrico más delgado hacia el plano de tierra. Esto te lleva a usar pistas más estrechas, como mencioné anteriormente. Si esto suena esotérico, es porque tus valores de capacitancia de traza serán mayores; por lo tanto, tus valores de inductancia de traza necesitan ser mayores para asegurar el control de impedancia. Esto entonces significa que el diafonía será más fuerte, por lo que la separación de trazas debería ser mayor para compensar el mayor valor de Dk.

El apilado de tu PCB es un determinante mayor de la integridad de potencia y la integridad de señal. Puedes asegurar que tu placa funcione correctamente en ambos aspectos cuando tienes acceso a las herramientas adecuadas de diseño y análisis de PCB. El Administrador de Apilado de Capas en Altium Designer® te da acceso a una biblioteca de laminados de PCB comunes y especializados. Puedes definir parámetros de material para un laminado especializado para tu PCB. El solucionador de campo 3D integrado de Simberian utiliza estos parámetros de material para modelar el comportamiento de la señal en tu PCB a medida que creas tu diseño de PCB.

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