Separación del plano de masa en microstrip: ¿Cuán cerca es demasiado cerca?

Si echas un vistazo a cualquier guía sobre el dimensionamiento y cálculo del ancho para trazas de impedancia controlada, claramente verás que el ancho de la traza se calcula sin ningún plano de masa cerca de la traza. Sin embargo, la mayoría de los diseñadores (y las guías básicas de diseño de PCB) indicarán que las áreas no utilizadas en cada capa de PCB deben rellenarse con cobre conectado a masa.

Existe una contradicción obvia aquí que no se discute tanto en la comunidad de diseño de PCBs. Si acercas algo de masa cerca de una traza microstrip, ahora has formado una disposición de guía de onda coplanar, y ahora la impedancia de la interconexión dependerá del espaciado entre el borde de la traza y el cobre de masa. Entonces, ahora la pregunta se convierte en, ¿cuánto espacio de separación entre la traza microstrip y el plano de masa necesitas para asegurarte de haber alcanzado tus objetivos de impedancia?

En este artículo, quiero examinar más de cerca esta pregunta. Las explicaciones anteriores se centran en una gama de impedancias posibles que ignoran los requisitos de diseño práctico en componentes modernos. Si quieres saber la distancia mínima de separación entre la pista microstrip y tierra que necesitas para asegurar una impedancia controlada, sigue leyendo y encontrarás una buena respuesta para una gama de posibles anchos de pista. Los resultados de la exploración de diseño que mostraré revelan que la misma explicación también se aplica a las líneas de tira en una capa interna.

El Proceso de Diseño de Impedancia Controlada

En placas que requieren enrutamiento de impedancia controlada, hay un proceso de diseño particular que generalmente verás para una red específica/grupo de redes al comenzar el diseño:

• Determinar el objetivo de impedancia para las redes específicas que se están considerando
• Determinar el apilado que estarás utilizando y dónde estarás enrutando
• Elegir un estilo de enrutamiento (microstrip, stripline, guía de onda coplanar, unipolar vs diferencial)
• Calcular el ancho de la pista necesario para dar la impedancia requerida

Después de que todo esté enrutado, ahora surge la pregunta de si es apropiado rellenar las regiones no utilizadas de las capas superficiales e internas con un vertido de cobre conectado a tierra. Sin embargo, ahora la cuestión es si el vertido a tierra está demasiado cerca de la pista. La imagen a continuación muestra un ejemplo de una pista de RF que opera a alta frecuencia (5.8 GHz), que luego funcionará como una línea de alimentación a una antena.

El ejemplo anterior es bastante importante ya que muchas notas de aplicación para componentes con salidas de RF recomendarán exactamente este tipo de enrutamiento, posiblemente con una valla de vías a lo largo de la pista. La intención aquí es aislar la pista de RF de la EMI que pueda provenir de otras partes del diseño, o de alguna fuente externa. Sin embargo, estas mismas notas de aplicación generalmente darán una guía excesivamente conservadora sobre el espaciado entre la pista de RF y el vertido de GND cercano. Entonces, ¿qué tan cerca del suelo puedes colocar tu pista de impedancia controlada?

¿Es una Línea de Transmisión Microstrip o una Guía de Onda Coplanar?

Por el momento, quiero centrarme en los microstrips de extremo único porque conceptualmente son fáciles, pero todo lo que estoy a punto de escribir se aplica igualmente a las líneas de tira. Las mismas ideas también se aplican al enrutamiento de pares diferenciales.

Si los vertidos de tierra de la capa superficial en la imagen anterior están demasiado cerca del trazo, entonces tenemos una guía de onda coplanar, no un microstrip. Teóricamente, cuando los vertidos de tierra de la capa superficial están a una distancia infinita del trazo, entonces volvemos a un microstrip. Si acercas demasiado el espacio de plano de tierra al trazo, alterarás la impedancia del microstrip debido a la capacitancia parásita entre el borde del trazo y el vertido de tierra. Esta es la razón por la cual las líneas de transmisión de microstrip de extremo único y las guías de onda coplanares de extremo único no siempre tienen el mismo ancho de trazo; la guía de onda coplanar generalmente requiere un ancho menor para tener la misma impedancia que un microstrip en el mismo apilado.

De lo anterior, podemos ver por qué los trazos de guía de onda coplanar pueden necesitar ser más pequeños que un microstrip en la misma capa y apilado. La capacitancia parásita aumenta la capacitancia total por unidad de longitud del trazo, por lo que L necesita ser aumentado para compensar, trayendo así la impedancia de vuelta a 50 Ohms. En la siguiente sección, utilizaré esta idea para probar cuándo el vertido de tierra está demasiado cerca del trazo al observar la desviación de la impedancia de un objetivo de 50 Ohms como función del espacio de tierra.

Probando la regla de las "3W"

De hecho, existe una regla general aquí. Esta es la regla de las "3W", que establece que el espaciado entre el trazo y el plano de tierra cercano debe ser al menos 3 veces el ancho del trazo. Como veremos en un momento, esta guía es excesivamente conservadora y no tiene en cuenta múltiples factores. En realidad, el espaciado mínimo requerido dependerá de:

• El estilo de enrutamiento (microstrip vs. stripline)
• Si se utiliza enrutamiento de pares simples o diferenciales
• La constante dieléctrica del sustrato
• La distancia entre el trazo y su plano de tierra en la siguiente capa

Dado que estamos mirando una situación donde necesitas determinar el ancho del trazo requerido para una impedancia controlada, voy a probar la regla de las 3W comparando el ancho del trazo requerido para producir una microstrip de 50 Ohm de impedancia con una guía de onda coplanar de la misma impedancia. Lo haré para varios espesores de capa para que podamos ver cómo el método para determinar los parámetros intrínsecos de las líneas de transmisión de tira afecta el espacio libre del plano de tierra requerido. Aquí, el objetivo es determinar el espaciado mínimo necesario para producir una guía de onda coplanar con la misma impedancia y ancho de trazo que una microstrip.

Resultados

Primero generé un conjunto de curvas que muestran el ancho del microstrip, el ancho de la línea de transmisión y los anchos coplanares (capas interiores y superficiales) necesarios para producir una impedancia de 50 Ohmios en un laminado 370HR Isola (Dk ~ 4.1, ~0.02 tangente de pérdida a 1 GHz). Estos cálculos se realizaron en Polar. La imagen a continuación muestra estos resultados y permite comparar los anchos de traza para cada tipo de traza para un espaciado específico de traza a masa de 5 mils.

Desde aquí, podemos ver que hay apilamientos específicos donde un CPW y un microstrip/línea de transmisión tendrán una impedancia de 50 Ohmios y el mismo ancho de traza, aunque la separación del suelo esté bastante cerca de la traza en el CPW.

El siguiente gráfico investiga esto más a fondo. Muestra el espaciado mínimo de traza a masa requerido para producir una microstrip de 50 Ohmios y una guía de onda coplanar de 50 Ohmios con el mismo ancho de traza. También se muestran resultados para una línea de transmisión y una guía de onda coplanar en una capa interna.

La interpretación del gráfico anterior es muy simple: muestra el espaciado mínimo de traza a tierra en un CPW necesario para producir la misma impedancia en un microstrip/stripline cuando ambos tienen el mismo ancho de traza. A partir de aquí, finalmente podemos generar nuestra prueba de la regla de 3W. Simplemente divida los datos del eje y por los datos del eje x para producir el siguiente gráfico:

Es bastante claro que la regla de 3W es excesivamente conservadora, excepto en casos con enrutamiento de stripline en dieléctricos delgados. Síguela si lo deseas, ya que evitará interferencias excesivas con tu impedancia. Sin embargo, esa distancia podría no proporcionar el aislamiento que necesitas. Esta es un área que se puede probar con un solucionador de campos mirando los parámetros de red acoplados y los coeficientes de diafonía entre diferentes interconexiones.

Los resultados anteriores muestran el caso donde los laminados que soportan un microstrip o stripline simétrico tienen Dk = 4.1. ¿Qué pasa si en cambio usamos un laminado con Dk más bajo? ¿Esto afectará los resultados?

Efectivamente, los resultados se ven afectados porque la capacitancia de retorno al cobre cercano será menor. Esto se debe a que la capacitancia parásita entre una pista y el cobre cercano es proporcional a la constante dieléctrica tanto en configuraciones de stripline como de microstrip. Por lo tanto, una menor capacitancia parásita entre estas estructuras significaría que deberíamos esperar una menor desviación de impedancia para una determinada separación entre la pista y el cobre.

El gráfico a continuación muestra más resultados de simulación para la relación de separación/ancho, pero en un material con Dk = 3 (como RO3003). Podemos ver que se permite una menor relación de separación/ancho cerca del cobre, incluyendo en el caso de laminados muy delgados. Estos resultados apoyan ciertos diseños como sistemas RF en laminados delgados, así como diseños HDI con paso fino.

He adoptado un enfoque similar aquí para calcular directamente las capacitancias esperadas hacia un cobre infinitamente grande en otro artículo sobre extracción parásita. Para aprender más sobre los efectos del cobre cerca de líneas de transmisión que requieren que se alcance una especificación de impedancia, mira el video a continuación. En este video describo los puntos anteriores con mucho más detalle, y

Resumen

A partir de los resultados anteriores, debería quedar muy claro que la regla de los 3W utilizada para determinar el espaciado entre el suelo y la pista, entre el microstrip y el plano de tierra cercano, es excesivamente conservadora. Cabe destacar que los espesores dieléctricos mencionados son valores prácticos que podrías encontrar en un apilado de 4 capas o más, dependiendo del laminado utilizado para la construcción del apilado. También podemos ver que, para una distancia dada al clearance del plano de tierra, puedes tener un clearance mucho más ajustado con un microstrip, mientras que una stripline requiere un clearance mucho mayor en dieléctricos más finos. Eventualmente, cuando el dieléctrico sea lo suficientemente grueso, estas dos curvas convergerán una hacia la otra.

Leer Microstrip Ground Clearance Parte 2: Cómo el Clearance Afecta las Pérdidas

Determinar un espaciado apropiado para el clearance del plano de tierra del microstrip comienza con las mejores herramientas de diseño de apilado de PCB. Cuando usas Altium Designer®, puedes determinar fácilmente el ancho de la pista y el espaciado requerido para asegurar un enrutamiento de impedancia controlada en placas que utilizan pour de cobre conectado a tierra en tu diseño de PCB.

Cuando hayas terminado tu diseño y quieras enviar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir tus proyectos. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para obtener una descripción más detallada de las características o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.