Cómo seleccionar lámina de cobre para el diseño de PCB de alta frecuencia

La industria de materiales para PCB ha dedicado cantidades significativas de tiempo en desarrollar materiales que proporcionen la menor pérdida de señal posible para productos con aplicaciones RF. Para diseños de alta velocidad y alta frecuencia, las pérdidas limitarán la distancia de propagación de la señal y distorsionarán las señales, y crearán una desviación de impedancia que se puede observar en las mediciones TDR. A medida que diseñamos cualquier placa de circuito impreso y desarrollamos circuitos que operan a frecuencias más altas, puede ser tentador optar por el cobre lo más liso posible en todos los diseños que creas.

Aunque es cierto que la rugosidad del cobre crea una desviación de impedancia adicional y pérdidas, ¿qué tan liso realmente necesita ser tu lámina de cobre? ¿Existen otros métodos simples con los que puedes superar algunas pérdidas y aún así completar el enrutamiento que necesitas en tu PCB? En este artículo, veremos el equilibrio entre las pérdidas de la lámina de cobre y otros tipos de pérdidas en un PCB, así como algunas estrategias que se utilizan comúnmente para superar la rugosidad.

Tipos de Lámina de Cobre para Apilamientos de PCB

Antes de considerar qué tipo de lámina de cobre deberías buscar para tu placa, es importante saber algo sobre la lámina de cobre que realmente está disponible para ser incluida en un apilado de PCB. Las láminas de cobre no son algo que siempre puedas elegir y combinar con cada material laminado. Algunos fabricantes de laminados proporcionarán múltiples opciones que emparejan diferentes tipos de láminas de cobre con sus conjuntos de materiales, pero este no es el caso de cada fabricante de laminados o material. A menos que puedas adquirir materiales por separado y someterlos a un proceso de laminación, tendrás que trabajar dentro de los conjuntos de materiales que puedas obtener de un fabricante o distribuidor de laminados.

Con esto en mente, aquí están los diferentes tipos de lámina de cobre que encontrarás en los materiales de PCB:

Los diferentes rangos de rugosidad pueden ser el factor decisivo sobre qué tipo de cobre aceptar en el apilado de capas de tu PCB, por lo que es importante examinar las capacidades requeridas de la placa y compararlas con las opciones de cobre y dieléctricos disponibles. Algo que encontrarás es que los laminados comercializados para PCBs de alta frecuencia tendrán una opción de cobre de perfil más bajo, así que puedes obtener los beneficios de dieléctricos de baja pérdida y cobre suave en el mismo paquete. Sin embargo, algunos dispositivos que operan a frecuencias moderadas (bajas GHz) funcionarán perfectamente con materiales estándar de epoxi-fibra de vidrio de grado FR4 y el tipo de cobre no creará una diferencia notable en el rendimiento. Asegúrate de entender los tipos de cobre que se mencionan en las hojas de datos de los laminados si tienes un objetivo de rendimiento que alcanzar.

• Lee más para aprender sobre los diferentes tipos de cobre en los apilados de PCB

Corrientes de Alta Frecuencia y Láminas de Cobre

A altas frecuencias, el efecto pelicular modificará la impedancia de una línea de transmisión, y la magnitud de cualquier cambio de impedancia debido al efecto pelicular depende de la aspereza del cobre. La interacción de altas frecuencias con trazas de cobre produce pérdidas a través de tres mecanismos primarios:

• La impedancia a frecuencias medias será mayor y las pérdidas resistivas serán mayores
• Un cobre más áspero confina las líneas de campo a un volumen más pequeño, lo que aumenta el flujo del campo eléctrico y, por lo tanto, las pérdidas dieléctricas
• La impedancia aumentada crea una ligera discontinuidad de impedancia, y si no se iguala, aumentará las reflexiones (S11)

A menudo no examinamos el efecto pelicular al principio, pero es importante notar que esto creará desviaciones de impedancia y pérdidas si no se tiene en cuenta desde el inicio. Los rangos de frecuencia típicos donde empezarás a notar la aspereza son por encima de 10 GHz.

• Aprende más sobre el efecto pelicular en líneas de transmisión

Presupuesto de Pérdidas

Diría que el primer punto importante al seleccionar el tipo de cobre que utilizarás en tu PCB de alta frecuencia es mirar el presupuesto de pérdida para tus interconexiones de mayor frecuencia o mayor ancho de banda. Por ejemplo, en un PCB de RF, los componentes que deben emitir y recibir una señal de RF tendrán dos especificaciones: la potencia de salida del transmisor y la sensibilidad del receptor (o algunos nombres similares), ambos descritos en mW o en dBm. Si conoces un tamaño aproximado de la placa o la longitud del enlace, puedes obtener una estimación bastante buena del presupuesto de pérdida a lo largo de una de tus líneas de RF:

Presupuesto de Pérdida (dB) = [Potencia Tx (dBm)] - [Sensibilidad Rx (dBm)]

Este sería la pérdida total que puedes aceptar, aunque es bueno dejar unos cuantos dB de margen por encima del valor de sensibilidad Rx. Divide esto por la longitud del interconector, y ahora sabes la pérdida por longitud que puedes aceptar en tus líneas.

• Vea cómo estimar las pérdidas por rugosidad en su diseño

Para altas velocidades es más complejo porque las señales no tienen potencia y pérdidas concentradas en una frecuencia específica. Puede haber una alta pérdida a alta frecuencia, pero mientras haya baja pérdida en el rango de ancho de banda del receptor, entonces la señal puede ser recuperada en su receptor. Por lo tanto, al igual que en el caso de la impedancia de entrada, es una buena idea seleccionar cobre calculando las pérdidas en el límite de ancho de banda para sus señales digitales. Esto sería uno de los siguientes:

• Frecuencia de Nyquist correspondiente a la tasa de datos
• Una frecuencia basada en un valor de -10 dB en el espectro S11 para su componente receptor
• Un valor proporcional al tiempo de subida inverso (como la frecuencia de rodilla, o 0.35/(tiempo de subida), o 0.5/(tiempo de subida) que es una estimación más conservadora basada en el fenómeno de Gibbs)

Para digital de alta velocidad, nos enfocamos en el 1er punto, mientras que miramos el 2do punto en diseño RF. El 3er punto no debe ser utilizado como un objetivo de diseño por diseñadores profesionales.

Una vez que conozcas la frecuencia que es importante (ya sea el portador para tarjetas RF o el límite de ancho de banda para tarjetas digitales), entonces puedes avanzar para estimar pérdidas y seleccionar cobre.

Debido a que este problema con la rugosidad del cobre y las pérdidas depende del ancho de banda del canal requerido para leer estados lógicos de un flujo de bits, es mucho mejor simular primero tu canal utilizando mediciones de parámetros S para varios valores de rugosidad del cobre y pérdida dieléctrica. Esto te da un valor de rugosidad objetivo que puedes aceptar para tu rugosidad de cobre, y puedes determinar si hay mucha rugosidad en tu canal.

Esto significa que necesitas:

1. Mirar tu especificación de señalización y determinar qué métricas de SI necesitas alcanzar en tu límite de ancho de banda
2. Observar la tasa de datos y determinar el ancho de banda mínimo que tu canal de enrutamiento necesita
3. Iterar a través de algunos valores de rugosidad realistas hasta que alcances tus objetivos de SI (usualmente pérdidas S21) hasta el límite de ancho de banda que encontraste en #2

Plataformas como Simbeor o Ansys SIwave pueden ser utilizadas para recopilar estas mediciones de parámetros S, y he mostrado varios ejemplos de estas mediciones en el pasado.

Como ejemplo, eche un vistazo al resultado de la simulación mostrado a continuación para un canal de enrutamiento de ejemplo en Rogers 3003; esto se calculó en Simbeor. Desde aquí, podemos ver claramente cuál es el límite de ancho de banda del canal de -10 dB en el espectro S11, y podemos ver la pérdida correspondiente en el espectro S21. A medida que ajustamos la rugosidad en el cobre y ajustamos el ancho de línea para compensar, podemos optimizar aún más el canal para asegurarnos de que haya una coincidencia de impedancia aceptable mientras reducimos la pérdida a un límite aceptable.

Un Proceso para Seleccionar Laminados y Cobre

Cuando se combinan materiales de cobre y dieléctricos, hay un proceso simple que se puede seguir para asegurarse de alcanzar sus objetivos operativos.

1. Planifique dónde desea enrutar las interconexiones sensibles a la rugosidad (capa superficial vs capa interna), esto requerirá un poco de planificación de la distribución con los componentes principales
2. Determine el tangente de pérdida que puede aceptar en su frecuencia de operación
3. Después de encontrar el conjunto de materiales que satisface el punto #2, mire sus opciones de cobre disponibles y elija la rugosidad del cobre adecuada yel recubrimiento superficial para su diseño
4. Asegúrese de que la opción de cobre que seleccione en el punto #3 esté disponible en el peso que necesita; el cobre más pesado tendrá menores pérdidas por efecto pelicular

He listado el Paso #2 primero porque, en las frecuencias de operación donde la rugosidad es importante, el dieléctrico todavía dominará las pérdidas y determinará otros aspectos del apilado de la PCB (cantidad de capas/espesor, etc.) que deberían considerarse primero. El paso de selección de recubrimiento y cobre debería venir a continuación basado en los materiales laminados que tenga disponibles.

Para asegurarte de especificar completamente tu selección de cobre y el diseño de apilamiento para tu fabricante, utiliza las herramientas de diseño en Altium Designer. Puedes determinar perfiles de impedancia y requisitos de enrutamiento dentro del administrador de capas de apilamiento, así como especificar materiales concretos para usar en el apilado de PCB durante la fabricación. Una vez que hayas completado tu PCB y estés listo para compartir tus diseños con colaboradores o tu fabricante, puedes compartir tus diseños completados a través de la plataforma Altium 365. Todo lo que necesitas para diseñar y producir electrónica avanzada se puede encontrar en un solo paquete de software.

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