Come Selezionare la Lamina di Rame per il Design di PCB ad Alta Frequenza

L'industria dei materiali per PCB ha dedicato molto tempo allo sviluppo di materiali che offrono la minima possibile perdita di segnale per prodotti con applicazioni RF. Per i progetti ad alta velocità e alta frequenza, le perdite limiteranno la distanza di propagazione del segnale e distorceranno i segnali, e creeranno una deviazione dell'impedenza che può essere osservata nelle misurazioni TDR. Mentre progettiamo qualsiasi scheda a circuito stampato e sviluppiamo circuiti che operano a frequenze più elevate, potrebbe essere allettante scegliere il rame più liscio possibile in tutti i progetti che creiamo.

Sebbene sia vero che la rugosità del rame crea ulteriori deviazioni dell'impedenza e perdite, quanto deve essere realmente liscio il tuo foglio di rame? Esistono altri metodi semplici con cui puoi superare alcune perdite e comunque completare il routing necessario nel tuo PCB? In questo articolo, esamineremo l'equilibrio tra le perdite del foglio di rame e altri tipi di perdite in un PCB, così come alcune strategie comunemente utilizzate per superare la rugosità.

Tipi di Foglio di Rame per gli Stackup dei PCB

Prima di esaminare quale lamina di rame dovresti cercare per la tua scheda, è importante conoscere qualcosa sulle lamine di rame effettivamente disponibili per essere incluse in un impilamento PCB. Le lamine di rame non sono qualcosa che puoi sempre scegliere liberamente per abbinare a ogni materiale laminato. Alcuni produttori di laminati forniranno molteplici opzioni che abbinano diversi tipi di lamine di rame con i loro insiemi di materiali, ma questo non è il caso di ogni produttore di laminati o materiale. A meno che tu non possa procurarti i materiali separatamente e sottoporli a un processo di laminazione, dovrai lavorare con gli insiemi di materiali che puoi ottenere da un produttore o distributore di laminati.

Con questo in mente, ecco i diversi tipi di lamina di rame che troverai nei materiali PCB:

Le diverse gamme di rugosità possono essere il fattore decisivo nella scelta del tipo di rame da accettare nel vostro stackup di strati PCB, quindi è importante esaminare le capacità richieste alla scheda e confrontarle con le opzioni di rame e dielettrico disponibili. Una cosa che scoprirete è che i laminati commercializzati per PCB ad alta frequenza avranno un'opzione di rame a profilo più basso, così da poter ottenere i benefici di dielettrici a bassa perdita e rame liscio nello stesso pacchetto. Tuttavia, alcuni dispositivi che operano a frequenze moderate (bassa GHz) funzioneranno perfettamente con materiali standard in resina epossidica e fibra di vetro di grado FR4 e il tipo di rame non creerà una differenza apprezzabile nelle prestazioni. Assicuratevi di comprendere i tipi di rame indicati nei datasheet dei laminati se avete un obiettivo di prestazione da raggiungere.

• Leggi di più per scoprire i diversi tipi di rame negli stackup PCB

Correnti ad Alta Frequenza e Lamine di Rame

A frequenze più elevate, l'effetto pelle modificherà l'impedenza di una linea di trasmissione, e la grandezza di qualsiasi cambiamento dell'impedenza dovuto all'effetto pelle dipende dalla rugosità del rame. L'interazione delle alte frequenze con le tracce di rame produce perdite attraverso tre meccanismi principali:

• L'impedenza alle frequenze medie sarà maggiore e le perdite resistive saranno maggiori
• Un rame più ruvido confina le linee di campo in un volume più piccolo, il che aumenta il flusso del campo elettrico e quindi le perdite dielettriche
• L'aumento dell'impedenza crea una leggera discontinuità di impedenza, e se non corrisposta aumenterà le riflessioni (S11)

Non esaminiamo spesso l'effetto pelle in fase iniziale, ma è importante notare che questo creerà deviazioni di impedenza e perdite se non considerato anticipatamente. Le gamme di frequenza tipiche in cui inizierai a notare la rugosità sono sopra i 10 GHz.

• Scopri di più sull'effetto pelle nelle linee di trasmissione

Budget di Perdita

Direi che il primo punto importante nella selezione del tipo di rame da utilizzare nel tuo PCB ad alta frequenza è quello di esaminare il budget di perdita per le tue interconnessioni di frequenza più alta o di banda più ampia. Ad esempio, su un PCB RF, i componenti che devono generare e ricevere un segnale RF avranno due specifiche: potenza di uscita del trasmettitore e sensibilità del ricevitore (o nomi simili), entrambi descritti in mW o in dBm. Se conosci una dimensione approssimativa della scheda o la lunghezza del collegamento, puoi ottenere una stima piuttosto precisa del budget di perdita lungo una delle tue linee RF:

Budget di Perdita (dB) = [Potenza Tx (dBm)] - [Sensibilità Rx (dBm)]

Questo sarebbe il totale delle perdite che puoi accettare, anche se è bene lasciare qualche dB di margine sopra il valore di sensibilità Rx. Dividi questo per la lunghezza dell'interconnessione, e ora sai la perdita per lunghezza che puoi accettare nelle tue linee.

• Scopri come stimare le perdite di rugosità nel tuo design

Per le alte velocità è più complesso perché i segnali non hanno potenza e perdite concentrate a una specifica frequenza. Puoi avere un'elevata perdita ad alta frequenza, ma finché c'è una bassa perdita nell'intervallo di banda del ricevitore, allora il segnale può essere recuperato dal tuo ricevitore. Pertanto, proprio come nel caso dell'impedenza di ingresso, è una buona idea selezionare il rame calcolando le perdite al limite di banda per i tuoi segnali digitali. Questo potrebbe essere uno dei seguenti:

• La frequenza di Nyquist corrispondente alla velocità di trasmissione dati
• Una frequenza basata su un valore di -10 dB nello spettro S11 per il tuo componente ricevente
• Un valore proporzionale all'inverso del tempo di salita (come la frequenza di ginocchio, o 0,35/(tempo di salita), o 0,5/(tempo di salita) che è una stima più conservativa basata sul fenomeno di Gibbs)

Per il digitale ad alta velocità, ci concentriamo sul 1° punto, mentre esaminiamo il 2° punto nel design RF. Il 3° punto non dovrebbe essere utilizzato come obiettivo di design dai progettisti professionisti.

Una volta che conosci la frequenza che è importante (sia il portante per le schede RF che il limite di banda per le schede digitali), puoi passare a stimare le perdite e selezionare il rame.

Questo problema con la rugosità del rame e le perdite dipende dalla larghezza di banda del canale richiesta per leggere gli stati logici da un flusso di bit, quindi è molto meglio simulare prima il tuo canale utilizzando misurazioni dei parametri S per vari valori di rugosità del rame e perdita dielettrica. Questo ti dà un valore di rugosità target che puoi accettare per la tua rugosità del rame, e puoi determinare se c'è troppa rugosità nel tuo canale.

Questo significa che devi:

1. Guardare la tua specifica di segnalazione e determinare quali metriche SI devi raggiungere al tuo limite di banda
2. Guardare il tasso di dati e determinare la larghezza di banda minima di cui il tuo canale di routing ha bisogno
3. Iterare attraverso alcuni valori realistici di rugosità fino a raggiungere i tuoi obiettivi SI (solitamente le perdite S21) fino al limite di banda che hai trovato in #2

Piattaforme come Simbeor o Ansys SIwave possono essere utilizzate per raccogliere queste misurazioni dei parametri S, e ho mostrato diversi esempi di queste misurazioni in passato.

Come esempio, osserviamo il risultato della simulazione mostrato di seguito per un canale di routing di esempio su Rogers 3003; questo è stato calcolato in Simbeor. Da qui, possiamo vedere chiaramente qual è il limite di banda a -10 dB nello spettro S11, e possiamo vedere la corrispondente perdita nello spettro S21. Mentre regoliamo la rugosità nel rame e aggiustiamo la larghezza della linea per compensare, possiamo ulteriormente ottimizzare il canale per garantire che ci sia un'accettabile corrispondenza di impedenza riducendo al contempo la perdita a un limite accettabile.

Un Processo per la Selezione di Laminati e Rame

Quando si abbinano materiali di rame e dielettrici, esiste un processo semplice che può essere seguito per garantire di raggiungere gli obiettivi operativi.

1. Pianifica dove vuoi instradare gli interconnettori sensibili alla rugosità (strato superficiale vs strato interno), ciò richiederà un po' di pianificazione dello spazio con i componenti principali
2. Determina il tangente di perdita che puoi accettare alla tua frequenza operativa
3. Dopo aver trovato il set di materiali che soddisfa il punto #2, guarda le tue opzioni di rame disponibili e scegli la giusta rugosità del rame e la placcatura superficiale per il tuo progetto
4. Assicurati che l'opzione di rame che selezioni nel punto #3 sia disponibile nel peso di cui hai bisogno; il rame più pesante avrà minori perdite per effetto pelle

Ho elencato il Passo #2 per primo perché, alle frequenze operative dove la rugosità è importante, il dielettrico dominerà ancora le perdite e determinerà altri aspetti dello stackup del PCB (conteggio degli strati/spessore, ecc.) che dovrebbero essere considerati per primi. Il passo della selezione della placcatura e del rame dovrebbe venire dopo, basato sui materiali laminati che hai a disposizione.

Per assicurarti di specificare completamente la tua selezione di rame e il design dello stackup per il tuo produttore, utilizza gli strumenti di progettazione in Altium Designer. Puoi determinare i profili di impedenza e i requisiti di routing all'interno del gestore dello stack dei layer, così come indicare materiali specifici da utilizzare nello stackup del PCB durante la fabbricazione. Una volta completato il tuo PCB e sei pronto per condividere i tuoi progetti con i collaboratori o il tuo produttore, puoi condividere i tuoi progetti completati attraverso la piattaforma Altium 365. Tutto ciò di cui hai bisogno per progettare e produrre elettronica avanzata si trova in un unico pacchetto software.

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