Circuits imprimés flexibles : Intégrité du signal des circuits flexibles pour les plans de masse en maillage

Les vitesses ultra-élevées sur les cartes flexibles et rigide-flexibles sont inévitables car ces cartes trouvent une utilisation accrue dans l'électronique avancée. Ces systèmes nécessitent également des couches de masse pour l'isolation, et pour séparer les références RF et numériques pour les protocoles sans fil. Avec des vitesses et des fréquences élevées vient le potentiel de problèmes d'intégrité de signal, dont beaucoup sont liés au placement et à la géométrie du plan de masse dans un PCB.

Une méthode courante pour fournir une référence constante de 0 V dans les cartes flexibles et rigide-flexibles est d'utiliser un plan de masse hachuré ou maillé sur le ruban flexible. Cela fournit un grand conducteur qui peut encore offrir une protection sur une large gamme de fréquences tout en permettant au ruban flexible de se plier et de se replier sans rigidité excessive. Cependant, les problèmes d'intégrité de signal surviennent dans deux domaines :

• Assurer une impédance de trace constante,
• Le blindage et l'isolation, et
• Prévenir les effets similaires à la trame de fibre dans la structure de hachurage.

Dans cet article, nous examinerons plus en détail les problèmes d'intégrité de signal provenant des plans de masse hachurés et ce que vous pouvez faire à ce sujet.

Conception de plan de masse maillé

Dans le sens le plus élémentaire, le hachurage fonctionne tout comme n'importe quel autre plan de masse. Il est destiné à fournir une référence constante afin qu'une piste puisse être conçue pour avoir l'impédance souhaitée. Toutes les géométries de ligne de transmission courantes (microstrip, stripline ou guides d'ondes) peuvent être placées dans des PCBs rigides-flexibles ou flexibles avec un plan de masse maillé. Placer une région de cuivre hachuré sur la couche de surface du ruban flexible offre presque les mêmes effets que le cuivre solide à basse fréquence.

La configuration commune pour le routage de stripline et microstrip sur un ruban flexible avec des plans de masse maillés est montrée ci-dessous.

Cette structure maillée peut être utilisée dans des cartes rigides, mais je n'ai jamais vu cela en pratique ni eu de demande de client à ce sujet. Au lieu de cela, le motif maillé est utilisé dans des cartes flexibles/rigides-flexibles pour équilibrer le besoin de contrôle de l'impédance avec le besoin d'un ruban raisonnablement flexible. Que vous conceviez les pistes ou le motif de hachurage, suivez les meilleures pratiques pour les rubans flexibles statiques et dynamiques et les normes IPC 2223.

Contrôle de l'Impédance

Une option pour travailler avec des paires à terminaison unique ou différentielle consiste à placer du cuivre plein dans la couche de plan directement sous les pistes et à placer une structure en maille ailleurs dans le circuit. Si le routage devient très dense, alors vous devrez utiliser une maille partout. Si vous optez pour l'utilisation de la maille, vous aurez plus de flexibilité, mais une isolation de blindage inférieure et des conditions modifiées pour le contrôle de l'impédance.

Comme montré ci-dessus, la structure de plan en maille a deux paramètres géométriques : L et W. Ces deux peuvent être combinés en un facteur de remplissage, ou la fraction de la zone de la maille couverte de cuivre. La modification de ces paramètres a les effets suivants :

• Ouvrir la zone de la maille (augmenter l'ouverture de la maille en augmentant L) augmente l'impédance en supposant que les autres paramètres restent constants. Cela rend également le ruban plus facile à plier (moins de force).
• Augmenter W tout en maintenant les autres paramètres constants ferme la zone de la maille, ce qui augmente l'impédance. Cela rend également le mode ruban difficile à plier (plus de force).

Les autres paramètres qui régissent l'impédance pour les géométries standard ont les mêmes effets lorsqu'on travaille avec un plan de masse en maille. Une fois que vous atteignez des fréquences élevées, vous allez exciter des modes non-TEM autour de vos lignes de transmission, et vous pourriez même observer des effets similaires à ceux de la trame de fibre.

Des effets de trame de fibre dans mon ruban flexible ?

C'est là que le plan de masse en maille dans un PCB devient très intéressant car le motif de la maille peut commencer à ressembler au motif de tissage de verre utilisé dans le FR4 et d'autres stratifiés. En conséquence, nous nous retrouvons à nouveau dans une situation où nous devons nous préoccuper des effets de trame de fibre dans un matériau de substrat normalement lisse et relativement homogène. Ces effets se produisent lorsque la bande passante d'un signal en déplacement chevauche une ou plusieurs résonances dans la structure de la maille. Pour L = 60 mil sur polyimide, la résonance d'ordre le plus bas serait de 50 GHz.

Une étude préliminaire (voir cet article de Hindawi) a montré que ces structures hachurées, que ce soit sur un substrat de PCB rigide ou flexible, peuvent produire une forte émission lorsqu'un signal numérique se propage sur une piste à travers le plan de masse en maille. À mesure que davantage d'applications flexibles s'ouvrent à des fréquences plus élevées, je m'attendrais à ce que ces effets soient pires dans un ruban flexible avec un plan de masse en maille pour plusieurs raisons.

Résonances à Q élevé

Tout comme dans un substrat tissé en verre classique, la maille forme une structure de cavité qui peut supporter des résonances lorsqu'elle est excitée à des fréquences spécifiques. Ces cavités résonantes dans un plan de masse en maille auront des valeurs de Q très élevées car les parois de la cavité sont hautement conductrices (cuivre). Par conséquent, il y aura moins de pertes et des résonances à Q élevé. Cela conduit à une augmentation des émissions de la cavité et des pertes de puissance par résonance.

La maille ouverte a une faible isolation

Un plan de masse solide assurerait normalement que toute EMI rayonnée par les cavités du tissage de fibre soit émise le long du bord de la carte. Comme un plan de masse en maille a des cavités ouvertes, il offre moins d'isolation et peut également rayonner le long de la surface du ruban flexible. Cela a un effet réciproque : lorsqu'une trace peut émettre des radiations plus facilement, elle peut également recevoir plus facilement des EMI externes.

Pour résoudre ces problèmes, utilisez des mailles plus serrées, tout comme vous utiliseriez un tissage de verre plus serré pour prévenir les effets de tressage des fibres. Les PCB flexibles et rigide-flex continueront de faire partie du paysage des PCB et deviennent plus avancés avec les nouvelles capacités de fabrication. L'annonce de Tara Dunn concernant les capacités de fabrication de largeur de trace de 1 mil peut changer la donne pour les PCB flex à haute vitesse et haute densité en permettant la fabrication de motifs de plans de masse en maille plus petits.

Exemple de Plan de Masse en Maille

Un exemple de plan de masse en maille bien construit peut être trouvé dans le projet de laptop open-source dirigé par Lukas Henkel. L'image ci-dessous montre un exemple avec un plan de masse en maille appliqué sur un ruban flex de 1 mil d'épaisseur pour une webcam. Ce PCB flexible est destiné à supporter le routage MIPI CSI-2 d'un connecteur FPC de bord à une webcam qui est soudée directement sur le ruban flex. Les paramètres géométriques sont les suivants :

• Largeur de la trace de cuivre : 0,1 mm
• Taille de l'ouverture (élément répétitif) : 0,283 mm

Dans cet exemple, plusieurs régions de hachurage sont utilisées pour définir la masse dans différentes parties du ruban flexible. Il y a également une grande région solide dans le plan de hachurage, qui est utilisée pour séparer les signaux CSI-2 à haute vitesse des signaux de configuration à basse vitesse et des GPIOs dans la partie supérieure de la région de hachurage. Une fois que vous êtes prêt à router les signaux au-dessus de la région de hachurage, les outils de routage fonctionneront exactement de la même manière que le routage au-dessus d'un plan solide ou d'un polygone solide.

Ce type de hachurage n'a pas besoin d'être dessiné manuellement en routant des pistes. Au lieu de cela, Altium Designer inclut une fonctionnalité qui va appliquer le hachurage automatiquement sur un polygone, et le hachurage sélectionné apparaîtra une fois que le polygone est re-versé dans l'éditeur de PCB. Cette fonctionnalité peut être appliquée sur des polygones rectangulaires, des polygones courbés comme montré ci-dessus, ou sur un versement de polygone irrégulier.

Simuler le Routage Sur Masse en Maille

Les plans de masse en maillage peuvent techniquement être simulés comme toute autre structure dans un PCB, mais le défi vient de la nécessité d'une plus grande puissance de calcul en raison de la structure plus complexe du plan de masse en maillage. Les ouvertures dans ces couches de maillage créent un maillage de simulation plus complexe qui est ensuite utilisé pour résoudre les équations de Maxwell, ce qui nécessite alors un temps de calcul plus long. Par exemple, une simulation de paramètre S pour une paire différentielle unique sur un plan de masse en maillage peut nécessiter plus d'une heure de temps de simulation (basé sur des simulations de la section transversale du PCB), tandis que la même paire différentielle et empilement avec un plan de masse en cuivre solide prendrait moins d'une minute lorsqu'analysé avec la même méthode numérique.

Les faits ci-dessus rendent la détermination de l'impédance pour le routage sur un plan de masse en maillage très difficile. Un autre problème qui survient est le manque de données claires de la part des fabricants. Tous les fabricants ne conservent pas de données sur l'impédance sur les plans de masse en maillage, principalement parce que l'impédance dépend tellement du facteur de remplissage et de l'orientation du maillage en cuivre. Étant donné que l'espace des paramètres est si vaste, les fabricants de PCB flexibles qui conservent ces données n'ont probablement des données de test valides que pour quelques paramétrisations et pour des produits en polyimide spécifiques. Par conséquent, si vous avez besoin d'un routage à haute vitesse sur flex pour un produit avancé, envisagez d'investir dans un outil de simulation de solveur de champ 3D.

Peu importe comment vous prévoyez de concevoir votre PCB flexible ou rigide-flexible, Altium Designer dispose des outils nécessaires pour concevoir correctement un plan de masse en maillage pour les conceptions à haute vitesse. Altium Designer sur Altium 365 offre un niveau d'intégration sans précédent à l'industrie électronique, jusqu'alors relégué au monde du développement logiciel, permettant aux concepteurs de travailler depuis chez eux et d'atteindre des niveaux d'efficacité inédits.

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