PCB Flexibles: Integridad de la Señal de Circuitos Flexibles para Planos de Masa en Malla

Las velocidades ultra altas en placas flexibles y rígido-flexibles son inevitables ya que estas placas están encontrando un mayor uso en electrónica avanzada. Estos sistemas también necesitan capas de tierra para aislamiento, y para separar las referencias RF y digitales para protocolos inalámbricos. Con altas velocidades y altas frecuencias viene el potencial para problemas de integridad de señal, muchos de los cuales se relacionan con la colocación y geometría de la capa de tierra en un PCB.

Un método común para proporcionar una referencia consistente de 0 V en placas flexibles y rígido-flexibles es usar una capa de tierra enrejada o de malla en la cinta flexible. Esto proporciona un gran conductor que aún puede proporcionar blindaje sobre un amplio rango de frecuencias mientras permite que la cinta flexible se doble y pliegue sin rigidez excesiva. Sin embargo, los problemas de integridad de señal surgen en dos áreas:

• Asegurar una impedancia de traza consistente,
• Blindaje y aislamiento, y
• Evitar efectos similares a la trama de fibra en la estructura de enrejado.

En este artículo, profundizaremos en los problemas de integridad de señal que surgen de las capas de tierra enrejadas y qué puedes hacer al respecto.

Diseño de Capa de Tierra de Malla

En el sentido más básico, el sombreado funciona justo como cualquier otro plano de masa. Está destinado a proporcionar una referencia consistente para que una traza pueda ser diseñada para tener la impedancia deseada. Cualquiera de las geometrías de línea de transmisión comunes (microstrip, stripline o guías de onda) puede colocarse en PCBs rígido-flexibles o flexibles con un plano de masa mallado. Colocar una región de cobre sombreado en la capa superficial de la cinta flexible proporciona casi los mismos efectos que el cobre sólido a bajas frecuencias.

La configuración común para el enrutamiento de stripline y microstrip en una cinta flexible con planos de masa mallados se muestra a continuación.

Esta estructura de malla puede usarse en placas rígidas, pero nunca he visto esto en la práctica ni he tenido un cliente que lo solicite. En cambio, el patrón de malla se utiliza en placas flexibles/rígido-flexibles para equilibrar la necesidad de control de impedancia con la necesidad de una cinta razonablemente flexible. Ya sea que estés diseñando las trazas o el patrón de sombreado, sigue las mejores prácticas para cintas flexibles estáticas y dinámicas y las normas IPC 2223.

Control de Impedancia

Una opción para trabajar con pares de señales simples o diferenciales es colocar cobre sólido en la capa del plano directamente debajo de las trazas y colocar una estructura de malla en otras partes del circuito. Si el enrutamiento se vuelve muy denso, entonces necesitarás usar malla en todas partes. Si optas por usar malla, tendrás mayor flexibilidad, pero menor aislamiento de blindaje y condiciones modificadas para el control de impedancia.

Como se muestra arriba, la estructura del plano de malla tiene dos parámetros geométricos: L y W. Estos dos pueden combinarse en un factor de llenado, o la fracción del área de la malla cubierta con cobre. Cambiar estos parámetros tiene los siguientes efectos:

• Abrir el área de la malla (aumentar la apertura de la malla aumentando L) aumenta la impedancia asumiendo que otros parámetros se mantienen constantes. También hace que la cinta sea más fácil de doblar (menos fuerza).
• Aumentar W mientras se mantienen constantes otros parámetros cierra el área de la malla, lo que aumenta la impedancia. También hace que el modo de cinta sea difícil de doblar (más fuerza).

Los otros parámetros que gobiernan la impedancia para geometrías estándar tienen los mismos efectos cuando se trabaja con un plano de tierra de malla. Una vez que llegas a altas frecuencias, excitarás modos no TEM alrededor de tus líneas de transmisión, e incluso podrías ver algunos efectos similares a la trama de fibra.

¿Efectos de trama de fibra en mi cinta flexible?

Es aquí donde un plano de tierra de malla en un PCB se vuelve muy interesante, ya que el patrón de malla puede empezar a parecerse al patrón de tejido de vidrio utilizado en FR4 y otros laminados. Como resultado, ahora volvemos a una situación en la que tenemos que preocuparnos por efectos de trama de fibra en un material de sustrato normalmente liso y relativamente homogéneo. Estos efectos ocurren cuando el ancho de banda de una señal en tránsito se superpone con una o más resonancias en la estructura de malla. Para L = 60 mil en poliimida, la resonancia de orden más bajo sería 50 GHz.

Un estudio temprano (consulte este artículo de Hindawi) mostró que estas estructuras entramadas, ya sea en un sustrato de PCB rígido o flexible, pueden producir una emisión fuerte cuando una señal digital se propaga en una pista a través del plano de masa de malla. A medida que se abren más aplicaciones flexibles en frecuencias más altas, esperaría que estos efectos sean peores en una cinta flexible con un plano de masa de malla por varias razones.

Resonancias de Alta Q

Al igual que en un sustrato de tejido de vidrio regular, la malla forma una estructura de cavidad que puede soportar resonancias cuando se excita a frecuencias específicas. Estas cavidades resonantes en un plano de masa de malla tendrán valores de Q muy altos ya que las paredes de la cavidad son altamente conductoras (cobre). Por lo tanto, habrá menores pérdidas y resonancias de alta Q. Esto conduce a un aumento de las emisiones de la cavidad y la pérdida de potencia resonante.

La Malla Abierta Tiene Baja Aislación

Un plano de masa sólido normalmente aseguraría que cualquier EMI radiado de las cavidades del tejido de fibra se emitiera a lo largo del borde de la placa. Debido a que un plano de masa de malla tiene cavidades abiertas, proporciona menos aislación y también puede radiar a lo largo de la superficie de la cinta flexible. Esto tiene un efecto recíproco: cuando una traza puede emitir radiación más fácilmente, también puede recibir EMI externo más fácilmente.

Para resolver estos problemas, utilice mallas más ajustadas, justo como usaría una trama de vidrio más apretada para prevenir los efectos de trama de fibra. Las PCBs flexibles y rígido-flexibles continuarán siendo parte del paisaje de las PCBs y se están volviendo más avanzadas con las nuevas capacidades de fabricación. El anuncio de Tara Dunn sobre las capacidades de fabricación de anchos de traza de 1 mil puede ser un verdadero cambio de juego para las PCBs flexibles de alta velocidad y alta densidad al permitir la fabricación de patrones de plano de tierra de malla más pequeños.

Ejemplo de Plano de Tierra de Malla

Un ejemplo de un plano de tierra de malla bien construido se puede encontrar en el proyecto de laptop de código abierto liderado por Lukas Henkel. La imagen a continuación muestra un ejemplo con un plano de tierra de malla aplicado en una cinta flex de 1 mil de espesor para una webcam. Esta PCB flexible está destinada a soportar el enrutamiento MIPI CSI-2 desde un conector FPC de borde a una webcam que está soldada directamente en la cinta flexible. Los parámetros geométricos son los siguientes:

• Ancho de traza de cobre: 0.1 mm
• Tamaño de apertura (elemento repetitivo): 0.283 mm

En este ejemplo, se utilizan múltiples regiones de sombreado para definir la tierra en diferentes partes de la cinta flexible. También hay una gran región sólida en el plano de sombreado, que se utiliza para separar los señales de alta velocidad CSI-2 de las señales de configuración de menor velocidad y los GPIOs en la parte superior de la región de sombreado. Una vez que estés listo para enrutar señales sobre la región de sombreado, las herramientas de enrutamiento funcionarán exactamente igual que el enrutamiento sobre un plano sólido o un polígono sólido.

Este tipo de sombreado no necesita ser dibujado manualmente trazando pistas. En su lugar, Altium Designer incluye una característica que aplicará el sombreado automáticamente en un polígono, y el sombreado seleccionado aparecerá una vez que el polígono sea repourado en el Editor de PCB. Esta característica se puede aplicar en polígonos rectangulares, polígonos curvos como se muestra arriba, o en vertido de polígono irregular.

Simulando el Enrutamiento Sobre Tierra de Malla

Las planos de masa de malla pueden ser simulados técnicamente igual que cualquier otra estructura en un PCB, pero el desafío proviene de los mayores requisitos de potencia computacional debido a la estructura más compleja de la masa de malla. Las aberturas en estas capas de malla crean una malla de simulación más compleja que luego se utiliza para resolver las ecuaciones de Maxwell, lo que requiere un tiempo computacional más largo. Por ejemplo, una simulación de parámetro-S para un solo par diferencial sobre un plano de malla puede requerir más de 1 hora de tiempo de simulación (basado en simulaciones de la sección transversal del PCB), mientras que el mismo par diferencial y apilamiento con un plano de masa de cobre sólido tomaría menos de 1 minuto al ser analizado con el mismo método numérico.

Los hechos mencionados anteriormente hacen que la determinación de la impedancia para el enrutamiento sobre masa de malla sea muy difícil. Otro problema que surge es la falta de datos claros de los fabricantes. No todos los fabricantes mantienen datos sobre la impedancia sobre planos de masa de malla, principalmente porque la impedancia depende en gran medida del factor de llenado y la orientación de la malla de cobre. Debido a que el espacio de parámetros es tan grande, los fabricantes de PCB flexibles que sí mantienen estos datos probablemente solo tienen datos de prueba válidos para unas pocas parametrizaciones y para productos de poliimida específicos. Por lo tanto, si necesitas enrutamiento de alta velocidad en flex para un producto avanzado, considera invertir en una herramienta de simulación de solucionador de campo 3D.

No importa cómo planees diseñar tu PCB flexible o rígido-flexible, Altium Designer tiene las herramientas que necesitas para diseñar adecuadamente un plano de masa en malla para diseños de alta velocidad. Altium Designer en Altium 365 ofrece una cantidad sin precedentes de integración a la industria electrónica que hasta ahora estaba relegada al mundo del desarrollo de software, permitiendo a los diseñadores trabajar desde casa y alcanzar niveles de eficiencia sin precedentes.

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