I vantaggi dei materiali PCB ad alto Dk

I termini "progettazione ad alta velocità" e "laminato PCB a basso Dk" vengono spesso utilizzati negli stessi articoli, e spesso nella stessa frase. I materiali PCB a basso Dk hanno il loro posto nelle PCB ad alta velocità e ad alta frequenza, ma i materiali PCB ad alto Dk forniscono integrità di potenza. I PCB a basso Dk sono tipicamente scelti poiché tendono ad avere un tangente di perdita inferiore. Così, i materiali PCB ad alto Dk tendono ad essere trascurati per le PCB ad alta velocità e ad alta frequenza.

Quando guardiamo all'integrità di potenza per schede ad alta velocità/alta frequenza, piuttosto che limitarci a considerare solo la perdita di segnale o accettare il valore fornito da un laminato ad alta velocità, dovresti considerare la costante dielettrica come parte della strategia complessiva per una potenza stabile. Questo include le parti reale e immaginaria della costante dielettrica, poiché entrambe influenzano l'integrità di potenza della tua PCB. Con questo in mente, vediamo il ruolo svolto dai materiali PCB ad alto Dk nel garantire l'integrità di potenza.

Materiali PCB ad Alto Dk e Integrità di Potenza della PCB

Prima di tutto, quando guardiamo all'integrità di potenza, stiamo sempre cercando di assicurare che la tensione che esce dalle tue fasi di regolazione rimanga costante mentre l'energia fluisce attraverso la PDN. Questo porta a considerare due aspetti dell'analisi della PDN e dell'integrità di potenza:

• Analisi DC: Qui, ci preoccupiamo solo della caduta di tensione IR attraverso i conduttori che costituiscono il PDN. La costante dielettrica non gioca un ruolo nell'analisi DC.
• Analisi AC: Con analisi AC, intendiamo il comportamento di qualsiasi corrente variabile nel tempo sul piano di alimentazione. Qui è dove l'impedenza del PDN diventa essenziale, poiché la variazione di tensione vista in un componente a valle è il prodotto dell'impedenza del PDN e della tensione variabile nel tempo (legge di Ohm).

Un materiale PCB con un alto valore di Dk usato come dielettrico tra il piano di alimentazione e quello di massa fornisce alcuni importanti benefici per l'integrità della potenza. In particolare, un valore alto di Dk per il materiale PCB tra il piano di massa e quello di alimentazione fornirà una maggiore capacitanza interplanare, significando che i tuoi piani agiscono come un condensatore di decoupling più grande, e l'impedenza del PDN sarà inferiore. Avvicinare i piani di massa e di alimentazione aumenta anche la capacitancia interplanare. Alcuni risultati di simulazione esemplificativi da un articolo IEEE del 2006 sono mostrati di seguito.

L'altro aspetto importante della costante dielettrica è la parte immaginaria o il valore Df. Questo è solitamente riassunto usando il tangente di perdita, ma questa non è l'unica metrica da utilizzare nell'esaminare l'utilità di un particolare laminato in schede ad alta velocità/alta frequenza. La dispersione nel laminato è altrettanto importante per i segnali digitali poiché causerà l'allungamento e la distorsione dei segnali sulla tua scheda. Per l'integrità della potenza, i valori Dk e Df contano insieme come segue:

• Preferito un Dk elevato: Un Dk più alto è preferito perché generalmente comporta un'impedenza complessiva del PDN inferiore. Questo perché il PDN avrà più capacitanza del piano.
• Preferito un Df elevato: Il motivo per cui si desidera un Df più alto nel dielettrico tra terra e potenza è perché il dielettrico dissipativo attenua naturalmente le risonanze nella curva di impedenza del PDN. Questo è osservabile confrontando le linee solide blu e nere.
• Preferiti strati sottili: Uno strato più sottile crea più capacitanza del PDN e confina più campo elettromagnetico nel substrato dissipativo, quindi la curva di impedenza del PDN si abbassa e le risonanze del PDN hanno picchi più piccoli.

Per riassumere, per l'integrità della potenza in un PDN, il caso migliore è avere un alto Dk, un alto Df e uno strato sottile (vedi la curva nera solida sopra). Questo è il motivo per cui i materiali con capacità incorporata utilizzati nelle PCB ad alta velocità avanzate hanno un valore di Dk molto alto e sono perdenti, quindi non vorresti instradare segnali sopra di essi.

Alto-Dk e Integrità del Segnale

Per l'integrità del segnale, i parametri importanti sono i valori di Dk e Df individualmente, piuttosto che guardare solo al tangente di perdita. L'eccezione si verifica quando si arriva a strati molto sottili che potresti usare in una PCB ad alto numero di strati/HDI; discuterò di questo tipo di caso più avanti. Nota che, per i substrati PCB a bassa perdita, i valori di Dk e Df tendono a scalare insieme (ad esempio, i laminati Rogers), ma questo non è sempre il caso. Puoi vedere alcuni esempi in laminati popolari; per esempio, Nelco 4000-13 EP ha un tangente di perdita circa 20 volte inferiore rispetto a FR4, ma il valore di Dk è solo circa il 10% inferiore.

L'importanza del valore Df e l'utilità di alcuni set di materiali per diversi standard di segnalazione ad alta velocità sono descritti di seguito. Si noti che Dk non gioca alcun ruolo in questa tabella; ciò che generalmente conta è il tangente di perdita e la rugosità del rame.

Dk inizia a giocare un ruolo importante se si hanno binari di alimentazione e segnali sullo stesso strato, come in un SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR stackup. Per riassumere, ci sono alcuni casi in cui Dk alto/Df basso e Dk alto/Df alto offrono alcuni vantaggi sia per l'integrità del segnale che per l'integrità dell'alimentazione, ed è importante sapere come combinare questi:

• Se i binari di alimentazione e i segnali sono miscelati sullo stesso strato in PCB con un basso numero di strati, un Dk più alto può essere preferito
• Se alimentazione e segnale sono separati su strati differenti, un Dk più alto è preferito per la separazione alimentazione/terra

La 2ª opzione in questa lista implica che potresti creare un stackup PCB ibrido, dove vengono utilizzati materiali laminati diversi. A seconda dei materiali laminati coinvolti, potresti risparmiare alcuni costi mescolando e abbinando i laminati, piuttosto che scegliere un singolo materiale esotico per l'intero stackup.

Stackup PCB Ibridi: Il Meglio di Entrambi i Mondi

È possibile vedere i benefici di un dielettrico a bassa perdita per l'integrità del segnale e di un dielettrico ad alto Dk per l'integrità della potenza in un impilamento ibrido di PCB. In questo tipo di impilamento, lo strato ad alto Dk sarebbe un'opzione migliore per separare i piani di potenza e di massa nel PDN, il che ridurrebbe l'autoimpedenza del PDN e l'impedenza di trasferimento. Si vorrebbe quindi utilizzare un materiale a basso Dk con bassa perdita per supportare i segnali sullo strato superficiale e incapsulare le geometrie stripline negli strati interni.

Un esempio di scheda a 10 strati è mostrato di seguito. Questi impilamenti possono essere un po' strani e difficili da creare poiché si vuole garantire la simmetria. Ciò assicura che qualsiasi stress creato da disadattamenti di CTE sia uniforme, sia durante l'assemblaggio che in funzionamento. Si noti che qualsiasi dei piani di massa potrebbe essere scambiato con un piano di potenza con tensione diversa, e potrebbe comunque servire come riferimento per uno strato di segnale adiacente.

Prima di creare un impilamento ibrido, assicurati di consultare il tuo fabbricante riguardo alle loro capacità e quali materiali raccomandano di usare. Se scegli di progettare un impilamento ibrido, il tuo fabbricante potrebbe raccomandare alcuni limiti sulle discrepanze di CTE tra diversi materiali laminati, limitando le tue opzioni disponibili. Sebbene il software di progettazione PCB ti permetta fondamentalmente di creare qualsiasi impilamento desideri, ciò non significa che il tuo produttore sarà in grado di produrlo. Assicurati sempre di consultare un fabbricante prima di produrre questo tipo di impilamento per garantire che sappiano come gestire queste schede e prevenire la delaminazione durante l'assemblaggio.

Nota che tutti questi strati sono considerati sistemi di resina standard con rinforzo in fibra, o ciò che considereremmo un materiale laminato di tipo FR4 standard. Nel mondo RF, spesso si predilige il PTFE non rinforzato, che utilizza solo un riempitivo ceramico ma non ha fibra di vetro. Strati sottili di PTFE possono anche essere utilizzati in un impilamento ibrido; consulta questo articolo per saperne di più.

Un alto Dk può limitare la fabbricabilità su laminati sottili

Uno degli svantaggi di un materiale ad alto Dk per uno strato di segnale è la fabbricabilità. Questo problema sorge a causa delle larghezze delle tracce richieste quando si impone il controllo dell'impedenza. Le larghezze delle tracce devono essere più sottili per raggiungere un'impedenza target quando sono posizionate su un materiale ad alto Dk rispetto a un materiale a basso Dk.

Su laminati spessi, questo non è un problema, e il valore alto di Dk può essere vantaggioso: le larghezze delle tracce devono essere più sottili, quindi può essere più facile instradare verso certi componenti. Su laminati sottili, questo diventerà un problema perché, alla fine, la larghezza della traccia diventa così piccola da iniziare a raggiungere il limite delle capacità di fabbricazione. Le tolleranze di incisione diventano ora una frazione significativa della larghezza della traccia, quindi si ottiene una maggiore variazione nell'impedenza della traccia. Con "laminato sottile", ci riferiamo a laminati esterni da 2 mil per microstrip, o laminati interni da 2-4 mil per stripline.

Quindi, su laminati molto sottili, è meglio optare per un materiale a basso Dk come un laminato in PTFE per garantire la producibilità. I materiali in PTFE hanno il problema di essere difficili da maneggiare quando non hanno rinforzi in fibra di vetro, quindi un laminato rinforzato potrebbe essere preferito se le larghezze di banda del segnale eccitano effetti eccessivi della trama della fibra.

Altri Effetti Importanti dei Materiali PCB ad Alto Dk

Ecco alcuni degli altri effetti importanti dei materiali PCB ad alto Dk sul tuo circuito stampato.

• Propagazione del segnale più lenta. Questo significa che la tua discrepanza di lunghezza consentita nelle reti parallele e nelle coppie differenziali sarà minore (per una data discrepanza di tempistica). Tuttavia, con gli strumenti giusti di instradamento e controllo dell'impedenza nel tuo software di progettazione PCB, questo diventa un non problema.
• Impedenza di trasferimento minore. Come ho discusso in un articolo recente, l'impedenza di trasferimento descrive come una perturbazione della tensione PDN creata da un componente di commutazione influisce sulla fluttuazione della tensione vista in un componente diverso. Se il valore Dk per il dielettrico è maggiore, allora l'impedenza di trasferimento è minore, la fluttuazione della tensione vista nell'altro componente è minore. Anche il valore Df gioca un ruolo qui, nel senso che un substrato dissipativo attenuerà la fluttuazione della tensione vista negli altri componenti (vedi Fig. 12 in questo articolo).
• Fluttuazioni ritardate tra diversi componenti. Quando si verifica una fluttuazione in un componente, ci vuole del tempo per propagarsi lungo il PDN agli altri componenti. Quando il valore Dk del dielettrico è maggiore, il ritardo tra le fluttuazioni nei diversi componenti è più lungo. Tuttavia, i condensatori di bypass posizionati presso altri componenti compenseranno qualsiasi fluttuazione, e il condensatore di bypass corretto rende questo problema irrilevante.
• Le anti-risonanze delle cavità interplanari si spostano verso frequenze più basse. Questo diventa importante fino alle larghezze di banda in GHz. In una anti-risonanza di cavità, l'impedenza raggiunge un picco a una frequenza particolare. Utilizzare un materiale sottile ad alto Dk con una maggiore perdita tra i piani di massa e di alimentazione smorza queste anti-risonanze (vedi Fig. 11 in questo articolo). Discuterò di questo problema con le risonanze nelle cavità e nei guide d'onda più dettagliatamente in un futuro articolo.

Riassunto

Se stai costruendo un impilamento ibrido per una scheda ad alta velocità/alta frequenza, dovresti usare un dielettrico ad alto Dk/alto Df tra i piani di massa e di alimentazione. Se stai utilizzando lo stesso materiale laminato in tutto l'impilamento, puoi bilanciare l'integrità della potenza e l'integrità del segnale se usi un dielettrico ad alto Dk/basso Df.

Lo svantaggio nell'utilizzare materiali per PCB ad alto Dk è un accoppiamento capacitivo più forte tra i conduttori. Questo significa che le capacitanze parassite che coinvolgono il substrato sono maggiori, e dovresti ridurle utilizzando un dielettrico più sottile verso il piano di massa. Questo ti porta quindi all'uso di tracce più strette, come ho menzionato sopra. Se questo suona esoterico, significa che i valori di capacitanza delle tue tracce saranno maggiori; quindi, i valori di induttanza delle tue tracce devono essere maggiori per garantire il controllo dell'impedenza. Questo significa poi che il diafonia sarà più forte, quindi la separazione delle tracce dovrebbe essere maggiore per compensare il valore Dk più elevato.

Il tuo stackup PCB è un determinante principale dell'integrità di potenza e dell'integrità del segnale. Puoi assicurarti che la tua scheda funzioni correttamente in entrambi gli aspetti quando hai accesso agli strumenti giusti di progettazione e analisi PCB. Il Layer Stack Manager in Altium Designer® ti dà accesso a una libreria di laminati PCB comuni e specializzati. Puoi definire i parametri dei materiali per un laminato speciale per il tuo PCB. Il risolutore di campo integrato 3D di Simberian utilizza questi parametri dei materiali per modellare il comportamento del segnale nel tuo PCB mentre crei il layout del tuo PCB.

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