Visión General de los Materiales de Capacitancia Integrada

La capacitancia es tu amiga siempre que necesites una integridad de potencia estable, razón por la cual hay tanto enfoque en los capacitores de desacoplamiento. Aunque estos componentes son importantes y pueden usarse para proporcionar soluciones de integridad de potencia específicas a ciertos componentes, hay un material especial utilizado para supercargar la capacitancia en tu apilado de PCB o sustrato del paquete. Este tipo de material especial se llama material de capacitancia integrada, o ECM.

Estos laminados pueden incorporarse en un apilado de PCB para proporcionar una capacitancia muy alta que ayuda a la integridad de potencia. Estos materiales también pueden actuar como reemplazo de un grupo de capacitores de desacoplamiento si es necesario. Este artículo examinará el uso adecuado de estos materiales, así como sus propiedades materiales cuando se usan en paquetes de sustrato de IC y PCBs.

¿Qué es un Material de Capacitancia Integrada?

Los materiales de capacitancia integrada son laminados revestidos de cobre con un grosor de capa muy delgado y una constante dieléctrica alta. Estos materiales están destinados a separar una capa de potencia y una de tierra en un apilado de PCB, proporcionando así cierta capacitancia que está integrada en el apilado de PCB. Los materiales de capacitancia integrada están definidos y descritos en la norma IPC 4821 (Especificación para Materiales de Capacitores de Dispositivos Pasivos Integrados para Tarjetas Impresas Rígidas y Multicapa).

Estos materiales proporcionan dos funciones básicas:

• Proporcionar alta capacitancia en plano en una PDN a través de su alto valor de Dk y baja espesor
• Proporcionar amortiguación para ondas electromagnéticas a través de su tangente de pérdida moderadamente alta

La función principal de estos materiales es proporcionar mayor capacitancia en una PDN (lo que resulta en una impedancia de PDN más baja) y mayor amortiguación para el rizado del bus de potencia (conduciendo a resonancias de plano/cavidad de potencia menos intensas a frecuencias de GHz) debido a la mayor tangente de pérdida del material. Desde una perspectiva de circuito, estos materiales proporcionan amortiguación y capacitancia simultáneamente pero con inductancia de dispersión baja, por lo que actúan como un capacitor con ESR controlado.

Mejora de la Integridad de Potencia

Un ejemplo que muestra los efectos de un ECM en la integridad de potencia se muestra en los datos de impedancia de PDN a continuación. En este gráfico, podemos ver claramente que la presencia de un material ECM más delgado reduce la impedancia de PDN como se esperaba. El material más delgado con una alta tangente de pérdida también amortigua las resonancias de PDN, como se ilustra en los picos más pequeños cerca de 1 GHz, que es exactamente en el rango de frecuencia donde los paquetes de IC requieren respuestas de pulso rápidas en la PDN.

El resultado anterior ocurre porque un ECM más delgado proporciona más capacitancia, pero no proporciona más inductancia. Además, el amortiguamiento adicional en el ECM produce picos resonantes de menor Q. Juntos, estos efectos reducen la impedancia total de la PDN y disminuyen el valor Q de las resonancias de alta frecuencia.

Mejora de la Integridad de Señal

La mejora en la integridad de potencia también conduce a una mejora en la integridad de señal, como se muestra en los datos del diagrama de ojo a continuación. En este gráfico, podemos ver que el diagrama de ojo exhibe una significativa variación de fase, incluso cuando usamos FR4 delgado como el laminado de la pareja de planos de potencia/tierra y 100 capacitores SMD para soportar baja impedancia de PDN. Esto ocurre porque el rizado en la PDN también causará variaciones en el nivel de señal cuando un circuito de buffer de salida cambia estados lógicos. El resultado es variación en el tiempo de la señal de salida, que aparece como variación de fase en el diagrama de ojo.

El gráfico a la derecha muestra un diagrama de ojo con un ECM y sin capacitores SMD en la placa de prueba. El resultado es una reducción aproximada del factor 2 en la variación de fase y una mayor apertura del ojo. Esto es una clara mejora en la integridad de señal y resultó enteramente de reducir el rizado en el bus de potencia.

• Lea más sobre la relación entre el rizado del bus de potencia y la integridad de señal.

Los factores mencionados ilustran la relación bien conocida entre la Integridad de Señal (SI) y la Integridad de Potencia (PI). También se observa una reducción en la EMI radiada medida desde los bordes de la PCB cuando se utilizan materiales ECM. Esto se debe a que la radiación generada por el ripple del bus de potencia experimentará un mayor amortiguamiento dieléctrico a medida que viaja hacia el borde de la placa, por lo tanto, abandonará la placa con una intensidad menor.

Dónde usar ECMs

No todas las PCBs necesitarán usar un ECM para proporcionar integridad de potencia. En algunos casos, el nivel de capacitancia proporcionado por un ECM es excesivo, y podrás proporcionar suficiente capacitancia en tu PDN con materiales laminados estándar y capacitores de pequeño tamaño. En algunos diseños, un ECM que es muy delgado es una de las únicas soluciones que proporcionará la capacitancia requerida necesaria para la integridad de potencia. Algunos de los casos típicos donde se utilizan ECMs en una PCB incluyen:

• Placas pequeñas que soportan una gran cantidad de señales de alta velocidad (dispositivos móviles, tabletas, etc.)
• Placas de bajo número de capas con muchos buses de alta velocidad (productos avanzados de IoT y sensores de onda milimétrica)
• Placas muy densas, moderadamente pequeñas que no tienen espacio para capacitores discretos (teléfonos antiguos, tarjetas de expansión más recientes, pequeñas placas base)

Las placas de menor número de capas (6-10 capas) tienden a usar un ECM en la capa central entre una capa de potencia dedicada y un plano de tierra. En placas de mayor número de capas (hasta posiblemente 24 o 32 capas), la asignación de pares de capas puede variar, pero se necesitará una capa muy delgada para proporcionar suficiente capacitancia para soportar SI/PI para todas las señales en el dispositivo. La misma estrategia se utiliza para sustratos de IC.

Propiedades del ECM de PCB

Se muestra a continuación una lista de posibles propiedades de materiales para ECM para su uso en PCBs. Estos materiales están disponibles como materiales rígidos (por ejemplo, FaradFlex y 3M), o se pueden incorporar en materiales polimídicos flexibles (por ejemplo, de DuPont). Están diseñados para ser incorporados en un proceso de laminación estándar para construir un apilado de PCB.

ECMs de paquete y módulo

Los ECM también se comercializan para su uso en paquetes de sustratos IC. Estos paquetes implican colocar un dado semiconductor sobre un sustrato orgánico, posiblemente situado sobre un intercalador para proporcionar conectividad adicional entre los dados semiconductores, el sustrato del paquete y, finalmente, el PCB. El material del sustrato luego distribuye esas conexiones de cobre al patrón BGA del paquete en el lado inferior del paquete.

Para paquetes y módulos, el grosor de la capa también es mucho más delgado que el laminado FR4 típico, pero con un valor Dk objetivo que es mucho más alto que los materiales utilizados en un sustrato de PCB.

Es importante señalar que un ECM que se comercializa para una PCB también podría usarse en un sustrato de IC, pero no necesariamente sería tan efectivo. Cabe destacar que algunos materiales ECM se comercializan específicamente para PCBs o ICs (por ejemplo, FaradFlex). En contraste, algunas líneas de productos ECM (como 3M) se comercializan para su uso tanto en PCBs como en ICs.

En general, los ECMs para uso en empaquetado de IC tienen los siguientes requisitos:

• Se prefiere un valor Dk más alto
• Se prefiere un ángulo de pérdida más alto
• Se prefiere un grosor de capa más delgado
• El valor Tg es menos importante

El valor Dk más alto es un requisito porque nos gustaría tener una mayor densidad de capacitancia de plano (medida en capacitancia/(área del sustrato)). El valor Tg es menos importante porque los valores de Tg para los materiales ECM ya están bien por encima de los límites de temperatura para los ICs. El ángulo de pérdida más alto en un ECM (tanto para PCBs como para sustratos de IC) es importante para controlar el ripple y se discutirá más en una de las secciones a continuación.

Para proporcionar la misma capacitancia que un ECM de Dk más bajo en un PCB, el ECM utilizado en un sustrato de IC tendría que tener un Dk mucho más alto debido a que el tamaño del sustrato del paquete será menor. Esto le da a un sustrato de IC suficiente capacitancia de paquete que ayuda a la integridad de potencia en el chip en el rango de GHz, especialmente cuando el paquete no tiene espacio para capacitores de chip y hay poca capacitancia en el chip. Debido a que un PCB tiende a tener un área mayor, pueden conformarse con un valor de Dk más bajo si es necesario.

Capas ECM en Tus Herramientas CAD

Incorporar un ECM en tu apilado de PCB dentro de tus herramientas CAD es simple. Solo necesitas definir las propiedades del material y el grosor en tu apilado de PCB, justo como lo harías con cualquier otro material. Si planeas usar tu placa en una simulación de solucionador de campo, como para integridad de potencia o señal, entonces necesitarás incluir las propiedades dieléctricas en tu definición de apilado de capas para que estas puedan ser consideradas en un modelo de simulación.

También es una buena idea definir la elección de materiales en el apilado de tu PCB en tu dibujo de fabricación y en una nota de fabricación. Cuando crees la figura del apilado en tu dibujo de fabricación, asegúrate de que la capa ECM esté presente y que no se confunda con un material de grado FR4 o algún otro material. Si usas Draftsman, puedes generar automáticamente la figura de tu apilado de capas y colocarla rápidamente en tu dibujo de fabricación.

También, asegúrate de que tu especificación ECM esté mencionada en tus notas de fabricación. La conformidad con los estándares IPC de tu ECM, el grosor, el peso del cobre, el par de capas, el número de parte del distribuidor (si está disponible) y el nombre de la marca deben especificarse todos en una nota de fabricación. A continuación, se muestra un ejemplo.

A medida que la electrónica continúa ampliando los límites de densidad de características y densidad de componentes, los ECM serán más importantes para asegurar un desacoplamiento suficiente cuando el espacio para capacitores discretos es limitado. De manera similar, para paquetes de IC que incorporan múltiples dados en 2.5D y 3D, se necesita un desacoplamiento suficiente para asegurar la integridad de la energía dentro del paquete cuando la capacitancia en el dado es baja. Para aprender más sobre el uso de estos materiales en PCBs y paquetes de sustrato, animo a los lectores a acceder a los siguientes recursos.

• Novak, Istvan. "Experiencia de SUN con laminados finos y ultrafinos para aplicaciones de distribución de energía," TechForum TF-THA2, DesignCon (2006).
• Borland, Bill. "Desacoplamiento de semiconductores de alto rendimiento utilizando tecnología de capacitor embebido," Simposio Internacional IEEE 2006 15th sobre las Aplicaciones de Ferroeléctricos.

Cuando necesites especificar materiales en un apilado de capas para PCBs digitales de alta velocidad avanzada y paquetes de IC, utiliza el conjunto completo de herramientas de diseño de productos en Altium Designer®. El Administrador de Apilado de Capas te da control total sobre tu apilado de PCB, incluyendo la selección de materiales y los cálculos de impedancia. Cuando hayas terminado tu diseño y quieras liberar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365™ facilita la colaboración y el compartir tus proyectos.

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