Distancia de separación a tierra en PCB de microstrip Parte 2: Cómo la separación afecta las pérdidas

En un artículo anterior, proporcioné una discusión y algunos resultados de simulación sobre la separación necesaria entre pistas controladas por impedancia y un plano de cobre conectado a tierra cercano. Lo que encontramos fue que, una vez que el espacio entre el plano y la pista se vuelve demasiado pequeño, la pista se convierte en una guía de onda coplanar controlada por impedancia (con o sin tierra). También vimos que la regla de 3W para el espaciado entre la pista y el plano de cobre a tierra es un poco excesivamente conservadora.

Esencialmente, si tu objetivo es alcanzar una impedancia objetivo, y te preocupa cómo el plano cercano podría afectar la impedancia, puedes acercarte más que los límites establecidos por la regla de 3W. Sin embargo, el límite exacto de separación que puedes aplicar depende del grosor del dieléctrico; sustratos más gruesos permiten una relación de separación a ancho menor, todo lo cual se encontró que viola cómodamente la regla de 3W para los grosores de laminado prácticos investigados en algunas simulaciones.

Aunque nos centramos en la impedancia en el artículo anterior, uno podría preguntarse con razón, ¿cuáles son los efectos en las pérdidas? Si la razón de esta pregunta no es obvia, o si no estás al día sobre los detalles más finos del diseño de líneas de transmisión, entonces sigue leyendo para ver cómo el plano de tierra cercano puede afectar las pérdidas en interconexiones controladas por impedancia.

¿Por qué el suelo cerca de una traza afectaría las pérdidas?

Esta es una pregunta razonable, y se relaciona con cómo un conductor cercano puede modificar la distribución del campo electromagnético alrededor de una traza que lleva alguna carga estática o densidad de corriente. Para ver cómo podrían surgir pérdidas cuando se coloca cobre aterrizado cerca de una microstrip o stripline, veamos el campo eléctrico.

En la imagen a continuación, he dibujado un esbozo aproximado del campo eléctrico alrededor de una microstrip. Cuando hay un cobre aterrizado cercano en la misma capa que la traza, algunas líneas del campo eléctrico terminan en el borde del conductor.

Debido a que el cobre aterrizado atrae las líneas de campo hacia la región de tierra, el campo electromagnético se concentra fuertemente en la región entre la traza y el cobre cercano. Podrías estar preguntándote, ¿cómo lleva esto a mayores pérdidas?

Efecto de piel y corriente de imagen

Ahora es momento de una pequeña lección de electromagnetismo... Cuando una señal viaja a lo largo de una traza, su densidad de corriente asociada se agrupa alrededor del borde de la traza que está guiando la señal. Sin embargo, la imagen típica que todos aprendemos en las clases de electromagnetismo solo se aplica cuando consideramos un alambre infinitamente largo que está aislado de todos los demás medios, incluyendo cualquier otro conductor cercano. La realidad es que, cuando un conductor se acerca a la traza, la corriente se aglomera alrededor de las regiones de la traza donde el campo eléctrico orientado ortogonalmente es más intenso, que es a lo largo de los bordes laterales de la traza.

En mis recientes presentaciones en algunas conferencias, y en presentaciones que he visto de muchos otros investigadores, se presentan cálculos analíticos que involucran el efecto pelicular mientras se ignora la corriente de imagen en planos de tierra cercanos y vertidos de cobre. Esto es en gran medida una simplificación por el bien del cálculo, y por brevedad durante una presentación. Calcular esta distribución particular para cada arreglo de trazas vale su propio artículo en revistas como IEEE o JPIER. Sin embargo, es la consideración principal para entender el papel de la capacitancia de acoplamiento y sus efectos en las pérdidas.

Para leer más sobre la creación de una corriente de imagen en conductor y cómo distorsiona el efecto pelicular, echa un vistazo a este artículo publicado en IEEE:

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "Modelado del efecto piel de técnicas de plano de imagen para emisiones radiadas desde trazas de PCB." En IEEE 1997, EMC, Estilo Austin. Simposio Internacional IEEE 1997 sobre Compatibilidad Electromagnética. Actas del Simposio (Cat. No. 97CH36113), pp. 308-313. IEEE, 1997.

Debido a que la corriente se acumula contra el borde de una traza, esto aumenta la fuerza de la interacción entre la corriente y la pared rugosa de la traza de cobre. Recuerda, la rugosidad del cobre aumenta la magnitud del efecto piel y crea una impedancia adicional con pérdidas. Ahora, para ver qué sucede en esta interacción, tenemos que entender cómo los materiales de chapado de cobre influyen en las pérdidas.

Sistemas Digitales vs. Sistemas RF

En este punto, es importante distinguir entre sistemas digitales y placas RF debido a cómo se manejan la máscara de soldadura y el chapado. En una placa digital, generalmente dejamos aplicada la máscara de soldadura en todas partes y nos enfocamos en la conformidad del canal más allá del ancho de banda digital mínimo requerido. Para los sistemas RF, es muy común remover la máscara de soldadura, por lo que las líneas de transmisión que soportan señales RF tendrán algún chapado aplicado en el exterior.

• Digital - No he visto un estudio exhaustivo que muestre cómo la proximidad de la capa de cobre afecta las pérdidas creadas por la máscara de soldadura. Mi sensación es que, si hay máscara de soldadura, el campo electromagnético interactuará con ella independientemente y la desviación en las pérdidas puede ser mínima en cualquier caso. Cualquiera que tenga algún conocimiento al respecto debería encontrarme en LinkedIn y enviarme un mensaje.
• RF - En este caso, la redistribución de corriente en la región de chapado definitivamente causa un cambio en las pérdidas a lo largo del interconector. Por lo tanto, el chapado puede convertirse en un nuevo factor determinante de las pérdidas debido a su efecto en la rugosidad, como se discute a continuación.

Supongamos que eliminaste la máscara de soldadura de las pistas en tu sistema digital; aún necesitarás considerar la estructura de la película de chapado y su rugosidad para entender cómo la proximidad de la capa de cobre afecta las pérdidas.

Para PCBs de RF: Evitar los chapados basados en Níquel, Preferir Plata

John Coonrod ha proporcionado algunos datos excelentes que muestran los efectos del baño ENIG en frecuencias progresivamente más altas en una guía de onda coplanar con tierra (muy similar a un microstrip coplanar con tierra) y un microstrip solitario sin vertido de cobre. Animo a los lectores a echar un vistazo a uno de sus videos de YouTube en este enlace. Una evaluación más completa se puede encontrar en este video. En resumen, los datos de John muestran dos conclusiones:

• Pasar a una disposición coplanar puede proporcionar más pérdidas cuando el plano de tierra coplanar está cerca, lo que obliga a un microstrip más delgado (más pérdida por efecto pelicular).
• El baño ENIG siempre proporciona mayores pérdidas totales en una disposición coplanar versus un microstrip simple.

Uno esperaría razonablemente resultados similares para las líneas de transmisión enterradas.

La imagen a continuación muestra el gráfico importante del video que he enlazado arriba. Esencialmente, debido al enlace de baño entre el cobre y el níquel, la rugosidad encontrada por la corriente propagante es mucho mayor en una guía de onda coplanar que para un microstrip. Mientras tanto, para el cobre desnudo, vemos pérdidas muy similares en ambas líneas de transmisión. Por debajo de unos pocos GHz, parece no haber diferencia entre las pérdidas en cada tipo de línea de transmisión.

¿Deberías usar vertido de cobre conectado a tierra cerca de tus interconexiones, o deberías omitirlo? Obviamente, hay más factores a considerar que solo el blindaje, la impedancia y las pérdidas. El transporte térmico también se cita como una razón para colocar vertido de cobre alrededor de una PCB. Si deseas usar vertido de cobre alrededor de trazas de alta velocidad controladas por impedancia, asegúrate de probar tus interconexiones con algunas mediciones básicas (TDR o parámetros-S). Los resultados anteriores deberían ilustrar por qué la plata de inmersión es a menudo el recubrimiento de elección para interconexiones de alta frecuencia/alta velocidad controladas por impedancia en lugar de ENIG.

Resumen

Para ser justos, hay algunas desventajas en llenar indiscriminadamente con cobre cada capa de señal, algunas de las cuales hemos señalado aquí. Kella Knack también menciona algunas desventajas del cobre de relleno en otro artículo; yo discreparía de la implicación de que usar cobre de relleno es una mala práctica de diseño y nunca debería usarse, pero deberías considerar los inconvenientes para tu diseño específico y asegurarte de probar prototipos basados en estos inconvenientes asumidos. La aplicación del cobre de relleno puede ser adecuada o inadecuada, y su uso a veces se enmarca como uno de esos tipos de elecciones de "siempre" o "nunca"; probablemente ambos lados están sacando de contexto las elecciones de diseño del otro. En cualquier caso, sí necesitas cobre de relleno para definir elementos de PCB en diseños modernos de RF que proporcionen blindaje, guías de onda integradas en el sustrato y guías de onda coplanares con control de impedancia. Asegúrate de usarlo sabiamente y aplicar el chapado apropiado si las pérdidas serán problemáticas.

Determinar un espaciado apropiado para el despeje de tierra en 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 vertido de cobre 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.

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