Dégagement de masse pour PCB microstrip partie 2 : Comment le dégagement affecte les pertes

Dans un article précédent, j'ai fourni une discussion et quelques résultats de simulation sur l'espacement nécessaire entre les pistes contrôlées par impédance et la nappe de cuivre à la terre proche. Ce que nous avons découvert, c'est que, une fois que l'espacement entre la nappe et la piste devient trop petit, la piste devient un guide d'onde coplanaire contrôlé par impédance (avec ou sans terre). Nous avons également vu que la règle des 3W pour l'espacement entre la piste et la nappe de cuivre à la terre est un peu trop conservatrice.

Essentiellement, si votre objectif est d'atteindre une impédance cible, et que vous êtes préoccupé par la manière dont la nappe proche pourrait affecter l'impédance, vous pouvez vous approcher plus que les limites fixées par la règle des 3W. Cependant, la limite exacte de l'espacement que vous pouvez appliquer dépend de l'épaisseur du diélectrique ; des substrats plus épais permettent un ratio d'espacement sur largeur plus petit, tous ont été trouvés pour violer confortablement la règle des 3W pour les épaisseurs de stratifiés pratiques étudiées dans certaines simulations.

Bien que nous nous soyons concentrés sur l'impédance dans l'article précédent, on pourrait légitimement se demander, quels sont les effets sur les pertes ? Si la raison de cette question n'est pas évidente, ou si vous n'êtes pas à jour sur les points fins de la conception de ligne de transmission, alors continuez à lire pour voir comment une nappe de terre proche peut affecter les pertes dans les interconnexions contrôlées par impédance.

Pourquoi la présence de masse près d'une piste affecterait-elle les pertes ?

C'est une question pertinente, et elle concerne la manière dont un conducteur proche peut modifier la distribution du champ électromagnétique autour d'une piste qui porte une charge statique ou une densité de courant. Pour voir comment des pertes pourraient survenir lorsqu'une nappe de cuivre reliée à la masse est placée près d'une microbande ou d'une stripline, examinons le champ électrique.

Dans l'image ci-dessous, j'ai esquissé grossièrement le champ électrique autour d'une microbande. Lorsqu'il y a une nappe de cuivre reliée à la masse à proximité sur la même couche que la piste, certaines lignes de champ électrique se terminent au bord du conducteur.

Parce que la nappe de masse attire les lignes de champ vers la région de masse, le champ électromagnétique est fortement concentré dans la région entre la piste et la nappe de cuivre proche. Vous vous demandez peut-être, comment cela conduit-il à de plus grandes pertes ?

Effet de peau et courant d'image

Il est maintenant temps pour une petite leçon d'électromagnétisme... Lorsqu'un signal se déplace le long d'une trace, sa densité de courant associée se regroupe autour du bord de la trace qui guide le signal. Cependant, l'image typique que nous apprenons tous dans les cours d'électromagnétisme ne s'applique que lorsque nous considérons un fil infiniment long qui est isolé de tous les autres milieux, y compris tout autre conducteur à proximité. La réalité est que, lorsqu'un conducteur est amené près de la trace, le courant se rassemble autour des régions de la trace où le champ électrique orienté orthogonalement est le plus intense, ce qui se trouve le long des bords latéraux de la trace.

Dans mes présentations récentes lors de certaines conférences, et dans les présentations que j'ai vues de nombreux autres chercheurs, des calculs analytiques impliquant l'effet de peau sont présentés tout en ignorant le courant d'image dans les plans de masse et les apports de cuivre à proximité. Il s'agit largement d'une simplification pour faciliter le calcul, et pour la brièveté pendant une présentation. Calculer cette distribution particulière pour chaque arrangement de trace mériterait son propre article de journal dans des revues comme IEEE ou JPIER. Cependant, c'est la considération majeure pour comprendre le rôle de la capacité de couplage et ses effets sur les pertes.

Pour en savoir plus sur la création d'un courant d'image dans un conducteur et comment cela déforme l'effet de peau, jetez un œil à cet article publié dans IEEE :

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "Modélisation de l'effet pelliculaire des techniques de plan d'image pour les émissions rayonnées à partir des pistes de PCB." Dans IEEE 1997, EMC, Style Austin. Symposium International sur la Compatibilité Électromagnétique de l'IEEE 1997. Compte rendu du symposium (Cat. No. 97CH36113), pp. 308-313. IEEE, 1997.

Parce que le courant se presse contre le bord d'une piste, cela augmente la force de l'interaction entre le courant et la paroi rugueuse de la piste en cuivre. Souvenez-vous, la rugosité du cuivre augmente l'ampleur de l'effet de peau et crée une impédance supplémentaire dissipative. Maintenant, pour voir ce qui se passe dans cette interaction, nous devons comprendre comment les matériaux de placage en cuivre influencent les pertes.

Systèmes numériques vs. systèmes RF

À ce stade, il est important de distinguer entre les systèmes numériques et les cartes RF en raison de la manière dont le masque de soudure et le placage sont gérés. Sur une carte numérique, nous laissons généralement le masque de soudure appliqué partout et nous nous concentrons sur la conformité du canal au-delà de la bande passante numérique minimale requise. Pour les systèmes RF, il est très courant de retirer le masque de soudure, donc les lignes de transmission supportant les signaux RF auront un certain placage appliqué à l'extérieur.

• Numérique - Je n'ai pas vu d'étude complète montrant comment la proximité d'un plan de masse en cuivre affecte les pertes créées par le masque de soudure. J'ai l'impression que, s'il y a un masque de soudure, le champ électromagnétique interagira avec celui-ci indépendamment et l'écart dans les pertes peut être minimal dans les deux cas. Quiconque ayant des informations à ce sujet devrait me trouver sur LinkedIn et m'envoyer un message.
• RF - Dans ce cas, la redistribution du courant dans la région de placage cause définitivement un changement dans les pertes le long de l'interconnexion. Par conséquent, le placage peut devenir un nouveau facteur déterminant les pertes en raison de son effet sur la rugosité, comme discuté ci-dessous.

Supposons que vous enleviez le masque de soudure des pistes dans votre système numérique ; vous devrez toujours considérer la structure du film de placage et sa rugosité pour comprendre comment le plan de masse en cuivre à proximité affecte les pertes.

Pour les PCB RF : Évitez les placages à base de nickel, Préférez l'argent

John Coonrod a fourni des données excellentes qui montrent les effets du placage ENIG sur des fréquences progressivement plus élevées dans un guide d'onde coplanaire à la terre (très similaire à un microstrip coplanaire avec terre) et un microstrip isolé sans versement de cuivre. J'encourage les lecteurs à jeter un coup d'œil à l'une de ses vidéos YouTube à ce lien. Une évaluation plus complète peut être trouvée dans cette vidéo. En résumé, les données de John montrent deux conclusions :

• Passer à un arrangement coplanaire peut entraîner plus de pertes lorsque le sol coplanaire est proche, ce qui force un microstrip plus mince (plus de pertes dues à l'effet de peau).
• Le placage ENIG entraîne toujours plus de pertes totales dans un arrangement coplanaire par rapport à un simple microstrip.

On pourrait raisonnablement s'attendre à des résultats similaires pour les lignes striées.

L'image ci-dessous montre le graphique important de la vidéo que j'ai liée ci-dessus. Essentiellement, en raison de la liaison de placage entre le cuivre et le nickel, la rugosité rencontrée par le courant en propagation est beaucoup plus grande dans un guide d'onde coplanaire que pour un microstrip. Pendant ce temps, pour le cuivre nu, nous voyons des pertes très similaires dans les deux lignes de transmission. En dessous de quelques GHz, il semble n'y avoir aucune différence entre les pertes dans chaque type de ligne de transmission.

Devriez-vous donc utiliser un plan de masse en cuivre près de vos interconnexions, ou devriez-vous l'omettre ? De toute évidence, il y a plus à considérer que juste le blindage, l'impédance et les pertes. Le transport thermique est également cité comme une raison de placer un plan de masse en cuivre autour d'un PCB. Si vous souhaitez utiliser un plan de masse en cuivre autour des traces à impédance contrôlée haute vitesse, assurez-vous de tester vos interconnexions avec quelques mesures de base (TDR ou paramètres S). Les résultats ci-dessus devraient illustrer pourquoi l'argenture par immersion est souvent le choix de placage privilégié pour les interconnexions à impédance contrôlée haute fréquence/haute vitesse plutôt que l'ENIG.

Résumé

Pour être juste, il existe certains inconvénients à remplir de cuivre chaque couche de signal de manière indiscriminée, dont certains que nous avons notés ici. Kella Knack note également quelques inconvénients du cuivre étendu dans un autre article ; je ne suis pas d'accord avec l'implication que l'utilisation du cuivre étendu est une mauvaise pratique de conception et ne devrait jamais être utilisée, mais vous devriez considérer les inconvénients pour votre conception spécifique, et être sûr de tester des prototypes basés sur ces inconvénients supposés. L'application du cuivre étendu peut être utilisée correctement ou incorrectement, et son utilisation est parfois présentée comme l'un de ces choix de type "toujours" ou "jamais" ; les deux côtés prennent probablement les choix de conception de l'autre hors contexte. Dans tous les cas, vous avez besoin de cuivre étendu pour définir les éléments de PCB dans les conceptions RF modernes qui fournissent un blindage, des guides d'ondes intégrés au substrat, et des guides d'ondes coplanaires à impédance contrôlée. Assurez-vous de l'utiliser judicieusement et d'appliquer le placage approprié si les pertes seront problématiques.

Déterminer un espacement approprié pour la mise à la terre des microstrip commence par l'utilisation des meilleurs outils de conception de superposition de PCB. Lorsque vous utilisez Altium Designer®, vous pouvez facilement déterminer la largeur de la piste et l'espacement requis pour assurer un routage à impédance contrôlée dans les cartes qui utilisent un plan de masse en cuivre dans votre agencement de PCB. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

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