Panoramica sui Materiali per Capacitanza Integrata

La capacità è tua amica ogni volta che hai bisogno di un'integrità di potenza stabile, motivo per cui c'è così tanto focus sui condensatori di disaccoppiamento. Sebbene questi componenti siano importanti e possano essere utilizzati per fornire soluzioni di integrità di potenza mirate a certi componenti, esiste un materiale speciale utilizzato per potenziare la capacità nel tuo stackup di PCB o nel substrato del pacchetto. Questo tipo di materiale speciale è chiamato materiale di capacità incorporata, o ECM.

Questi laminati possono essere incorporati in uno stackup di PCB per fornire una capacità molto alta che aiuta l'integrità di potenza. Questi materiali possono anche agire come sostituti per un gruppo di condensatori di disaccoppiamento se necessario. Questo articolo esaminerà l'uso appropriato di questi materiali, così come le loro proprietà materiali quando utilizzati in pacchetti di substrato di IC e PCB.

Che cos'è un Materiale di Capacità Incorporata?

I materiali di capacità incorporata sono laminati rivestiti in rame con spessore del strato molto sottile e alta costante dielettrica. Questi materiali sono destinati a separare uno strato di alimentazione e uno di terra in uno stackup di PCB, fornendo così una certa capacità che è incorporata nello stackup del PCB. I materiali di capacità incorporata sono definiti e descritti nella norma IPC 4821 (Specifiche per Materiali di Condensatori di Dispositivi Passivi Incorporati per Schede Stampate Rigide e Multistrato).

Questi materiali forniscono due funzioni di base:

• Fornire alta capacitanza nel piano di alimentazione (PDN) attraverso il loro alto valore di Dk e basso spessore
• Fornire smorzamento per le onde elettromagnetiche attraverso il loro tangente di perdita moderatamente alto

La funzione principale di questi materiali è fornire una maggiore capacitanza in un PDN (riducendo l'impedenza del PDN) e maggiore smorzamento per l'ondulazione del bus di alimentazione (portando a risonanze del piano di potenza/cavità meno intense a frequenze GHz) a causa del più alto tangente di perdita del materiale. Da una prospettiva di circuito, questi materiali forniscono smorzamento e capacitanza simultaneamente ma con bassa induttanza di dispersione, quindi agiscono come un condensatore con ESR controllato.

Migliorata Integrità della Potenza

Un esempio che mostra gli effetti di un ECM sull'integrità della potenza è mostrato nei dati di impedenza del PDN qui sotto. In questo grafico, possiamo vedere chiaramente che la presenza di un materiale ECM più sottile abbassa l'impedenza del PDN come previsto. Il materiale più sottile con un alto tangente di perdita smorza anche le risonanze del PDN, come illustrato nei picchi più piccoli vicino a 1 GHz, che è esattamente nel range di frequenza in cui i pacchetti IC richiedono risposte ad impulsi veloci nel PDN.

Il risultato sopra descritto si verifica perché un ECM più sottile fornisce maggiore capacitanza, ma non offre maggiore induttanza. Inoltre, lo smorzamento aggiuntivo nell'ECM produce picchi risonanti a Q più basso. Insieme, questi effetti abbassano l'impedenza complessiva della PDN e diminuiscono il valore Q delle risonanze ad alta frequenza.

Miglioramento dell'Integrità del Segnale

Un miglioramento dell'integrità della potenza porta anche a un miglioramento dell'integrità del segnale come mostrato dai dati del diagramma ad occhio qui sotto. In questo grafico, possiamo vedere che il diagramma ad occhio mostra un jitter significativo, anche quando utilizziamo FR4 sottile come laminato per la coppia di piani di potenza/massa e 100 condensatori SMD per supportare una bassa impedenza della PDN. Questo si verifica perché il ripple sulla PDN causerà anche variazioni nel livello del segnale quando un circuito buffer di uscita cambia stati logici. Il risultato è una variazione nel tempismo del segnale di uscita, che appare come jitter nel diagramma ad occhio.

Il grafico a destra mostra un diagramma ad occhio con un ECM e nessun condensatore SMD sulla scheda di test. Il risultato è una riduzione del jitter di circa fattore 2 e un'apertura dell'occhio più grande. Questo rappresenta un chiaro miglioramento dell'integrità del segnale ed è il risultato della riduzione del ripple sul bus di potenza.

• Leggi di più sulla relazione tra il ripple del bus di potenza e l'integrità del segnale.

I fattori sopra illustrati dimostrano la ben nota relazione tra SI e PI. Si verifica anche una riduzione dell'EMI irradiato misurato dai bordi del PCB quando si utilizzano materiali ECM. Questo avviene perché la radiazione generata dal ripple del bus di alimentazione sperimenta un maggiore smorzamento dielettrico mentre viaggia verso il bordo della scheda, quindi lascerà la scheda con un'intensità inferiore.

Dove utilizzare gli ECM

Non tutti i PCB necessiteranno di utilizzare un ECM per garantire l'integrità della potenza. In alcuni casi, il livello di capacitanza fornito da un ECM è eccessivo, e sarà possibile fornire sufficiente capacitanza nella vostra PDN con materiali laminati standard e condensatori di piccole dimensioni. In alcuni progetti, un ECM molto sottile è una delle sole soluzioni che fornirà la capacitanza richiesta necessaria per l'integrità della potenza. Alcuni degli esempi tipici in cui gli ECM vengono utilizzati in un PCB includono:

• Schede di piccole dimensioni che supportano molti segnali ad alta velocità (dispositivi mobili, tablet, ecc.)
• Schede con un basso numero di strati ma con molti bus ad alta velocità (prodotti IoT avanzati e sensori mmWave)
• Schede molto dense, moderatamente piccole che non hanno spazio per condensatori discreti (telefoni più vecchi, nuove schede di espansione, piccole schede madri)

Schede con un numero inferiore di strati (6-10 strati) tendono ad utilizzare un ECM nello strato centrale tra uno strato di alimentazione dedicato e un piano di massa. In schede con un numero maggiore di strati (fino a possibilmente 24 o 32 strati), l'assegnazione delle coppie di strati può variare, ma sarà necessario uno strato molto sottile per fornire sufficiente capacità per supportare SI/PI per tutti i segnali nel dispositivo. La stessa strategia viene utilizzata per i substrati IC.

Proprietà ECM PCB

Di seguito è mostrata una lista delle possibili proprietà dei materiali ECM per l'uso nei PCB. Questi materiali sono disponibili come materiali rigidi (ad esempio, FaradFlex e 3M), o possono essere incorporati su materiali poliimidi flessibili (ad esempio, di DuPont). Sono progettati per essere incorporati in un processo di laminazione standard per la costruzione di un impilamento PCB.

Package e Moduli ECM

Gli ECM sono commercializzati anche per l'uso nei pacchetti di substrato IC. Questi pacchetti prevedono il posizionamento di un die semiconduttore su un substrato organico, possibilmente posizionato su un interposer per fornire una connettività aggiuntiva tra i die semiconduttori, il substrato del pacchetto e, infine, il PCB. Il materiale del substrato poi distribuisce queste connessioni in rame verso il modello BGA del pacchetto sul lato inferiore del pacchetto.

Per i pacchetti e i moduli, lo spessore del strato è anche molto più sottile rispetto al laminato FR4 tipico, ma con un valore Dk che è molto più alto rispetto ai materiali utilizzati in un substrato PCB.

È importante notare che un ECM che viene commercializzato per un PCB potrebbe anche essere utilizzato in un substrato IC, ma non sarebbe necessariamente altrettanto efficace. Da notare che alcuni materiali ECM sono commercializzati specificamente per PCB o IC (per esempio, FaradFlex). Al contrario, alcune linee di prodotti ECM (come 3M) sono commercializzate per l'uso sia nei PCB che negli IC.

In generale, gli ECM per l'uso nel packaging di IC hanno i seguenti requisiti:

• È preferito un valore Dk più alto
• È preferito un tangente di perdita più alto
• È preferito uno spessore del strato più sottile
• Il valore Tg è meno importante

Il valore Dk più alto è un requisito perché vorremmo avere una densità di capacitanza del piano maggiore (misurata in capacitanza/(area del substrato)). Il valore Tg è meno importante perché i valori Tg per i materiali ECM sono già ben al di sopra dei limiti di temperatura per gli IC. Il tangente di perdita più alto in un ECM (sia per PCB che per substrati IC) è importante per controllare il ripple e sarà discusso più dettagliatamente in una delle sezioni sottostanti.

Per fornire la stessa capacità di un ECM con Dk inferiore in un PCB, l'ECM utilizzato in un substrato di IC dovrebbe avere un Dk molto più alto poiché la dimensione del substrato del pacchetto sarà minore. Questo conferisce a un substrato di IC una capacità di pacchetto sufficiente che aiuta l'integrità della potenza sul chip nella gamma dei GHz, in particolare quando il pacchetto non ha spazio per i condensatori a chip e c'è poca capacità sul chip. Poiché un PCB tende ad avere un'area più grande, può permettersi un valore di Dk inferiore se necessario.

Strati ECM nei tuoi strumenti CAD

Incorporare un ECM nel tuo stackup PCB all'interno dei tuoi strumenti CAD è semplice. Devi solo definire le proprietà del materiale e lo spessore nel tuo stackup PCB, proprio come faresti con qualsiasi altro materiale. Se prevedi di utilizzare la tua scheda in una simulazione con solver di campo, come per l'integrità della potenza o del segnale, allora dovrai includere le proprietà dielettriche nella definizione del tuo stackup di strati affinché queste possano essere considerate in un modello di simulazione.

È anche una buona idea definire la scelta dei materiali nel vostro stackup PCB sul disegno di fabbricazione e in una nota di fabbricazione. Quando create la figura dello stackup nel vostro disegno di fabbricazione, assicuratevi che lo strato ECM sia presente e che non possa essere confuso con un materiale di grado FR4 o con qualche altro materiale. Se utilizzate Draftsman, potete generare automaticamente la figura del vostro stackup di strati e posizionarla rapidamente nel vostro disegno di fabbricazione.

Inoltre, assicuratevi che la vostra specifica ECM sia menzionata nelle vostre note di fabbricazione. La conformità agli standard IPC del vostro ECM, lo spessore, il peso del rame, la coppia di strati, il numero di parte del distributore (se disponibile) e il nome del marchio dovrebbero essere tutti specificati in una nota di fabbricazione. Di seguito è mostrato un esempio.

Man mano che l'elettronica continua a spingere i limiti della densità di funzionalità e della densità dei componenti, gli ECM diventeranno più importanti per garantire un sufficiente decoupling quando lo spazio per i condensatori discreti è limitato. Allo stesso modo, per i pacchetti di IC che incorporano più die in 2.5D e 3D, è necessario un sufficiente decoupling per garantire l'integrità della potenza nel pacchetto quando la capacitanza sul die è bassa. Per saperne di più sull'uso di questi materiali nei PCB e nei pacchetti di substrato, incoraggio i lettori ad accedere alle seguenti risorse.

• Novak, Istvan. "L'esperienza di SUN con laminati sottili e ultra-sottili per applicazioni di distribuzione della potenza," TechForum TF-THA2, DesignCon (2006).
• Borland, Bill. "Decoupling di semiconduttori ad alte prestazioni utilizzando la tecnologia dei condensatori incorporati," 2006 15° Simposio Internazionale IEEE sulle Applicazioni dei Ferroelettrici.

Ogni volta che devi specificare i materiali in un impilamento di strati per PCB digitali ad alta velocità avanzati e pacchetti di IC, utilizza il set completo di strumenti di progettazione di prodotto in Altium Designer®. Il Layer Stack Manager ti dà il pieno controllo sul tuo impilamento PCB, inclusa la selezione dei materiali e i calcoli dell'impedenza. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti.

Abbiamo solo sfiorato la superficie di ciò che è possibile con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.