In che modo la dispersione in FR4 influisce realmente sul ritardo di propagazione?

Creato: agosto 20, 2018
Aggiornato: febbraio 20, 2021

IC and components on a PCB

Anni fa, mentre lavoravo su nuovi dispositivi optoelettronici, i prototipi che avevamo costruito erano abbastanza caotici. Piuttosto che puntare su materiali di alta qualità, abbiamo utilizzato materiali e strumenti di misura standardizzati e a basso costo con il solo scopo di far funzionare i nostri dispositivi. I dispositivi funzionavano ma con perdita dal punto di vista estetico. Tuttavia, quando è arrivato il momento di mostrare la loro fattibilità nelle applicazioni reali, sapevamo era necessario lavorare con i materiali giusti e di elevata purezza.

Ci sono dei compromessi tra la scelta di materiali più economici e comuni e materiali costosi ed efficaci. Con l'elevata popolarità di FR4 tra i progettisti e produttori di PCB e un maggior numero di dispositivi che funzionano ad alta velocità o ad alta frequenza, è utile approfondire come FR4 influenza l'integrità del segnale e il ritardo di propagazione nel vostro PCB.

FR4 e progettazione ad alta velocità/alta frequenza

Coloro che hanno familiarità con la progettazione ad alta velocità sanno che la geometria della traccia, la posizione della traccia e il substrato della scheda influenzano la velocità del segnale, l'adattamento di impedenza e il ritardo di propagazione. Se state progettando un dispositivo ad alta velocità o ad alta frequenza FR4 non è sempre la scelta migliore. La maggior parte dei progettisti ed ingegneri consiglia di utilizzare altro materiale come substrato per dispositivi ad alta frequenza/alta velocità.

Grazie al ritardo di propagazione, le onde analogiche e gli impulsi digitali hanno lunghezze di collegamento fondamentali che determinano la loro transizione al comportamento della linea di trasmissione. Una volta che i collegamenti si comportano come linee di trasmissione, l'adattamento di impedenza diventa fondamentale per evitare l’oscillazione e la risonanza tra le sorgenti e i carichi sulla vostra scheda Questa transizione dipende dal confronto tra il tempo di salita del segnale e il ritardo di propagazione.

Le tracce adiacenti su un singolo strato, così come gli strati adiacenti in pannelli multistrato, formano un condensatore. La distanza di traccia e la costante dielettrica di FR4 determinano la capacità equivalente. L'adattamento di impedenza è fondamentale nel regime della linea di trasmissione e questa capacità parassita dovrebbe essere considerata nella progettazione della scheda, in particolare quando si lavora con segnali ad alta velocità/alta frequenza.

Printed circuit board green electronic background

^{Sfondo elettronico verde del circuito stampato FR4 PCB}

Tutto ciò è dovuto alla presenza di un dielettrico vicino a tracce conduttive. La costante dielettrica del conduttore determina la velocità di un segnale che viaggia lungo il conduttore. Se immaginiamo una traccia da sospendere nel vuoto, la velocità del segnale nella traccia dipende solo dalla costante dielettrica del conduttore. In presenza di dielettrici vicini (come un substrato FR4), la costante dielettrica del conduttore assume un valore diverso.

Questa costante dielettrica modificata è detta costante dielettrica effettiva. Viene solitamente calcolata ignorando gli effetti della dispersione e dell'assorbimento nel substrato. È adatta alle basse frequenze e alle velocità di commutazione, ma gli stessi calcoli producono un ritardo di propagazione errato alle alte frequenze e alle velocità di commutazione. Lo spessore della scheda cambia anche la costante dielettrica effettiva della scheda, che altera quindi la capacità parassita e l'adattamento di impedenza richiesta.

Le schede FR4 possono essere utilizzate in dispositivi ad alta velocità quando gli strati sono rivestiti da laminati ad alta velocità. Questi laminati comportano meno perdite di FR4 e determinano principalmente la costante dielettrica effettiva nelle tracce. In base ai costi, una combinazione di FR4 e di un laminato ad alta velocità può essere preferibile ad un materiale alternativo.

Assorbimento e dispersione

Il ritardo di propagazione in una traccia PCB dipende dalla costante dielettrica del substrato, dalle dimensioni della traccia e se si tratta di una stripline o di una traccia microstrip. A frequenze molto basse e a basse velocità di commutazione, il ritardo di propagazione è relativamente insensibile ai cambiamenti di frequenza/velocità di commutazione. Ma il ritardo di propagazione diventa più sensibile a velocità e frequenze più elevate.

Ciò si verifica a causa della dispersione nel substrato FR4. I PCB per applicazioni di dati RF, radar e gigabit devono essere progettati con uno sguardo rivolto verso la dispersione e ai suoi effetti sul ritardo di propagazione. Poiché queste applicazioni richiedono solitamente un noise floor basso, le tracce differenziali sono utilizzate per sopprimere la diafonia. Il ritardo di propagazione influisce quindi sulla tolleranza di corrispondenza della lunghezza tra tracce parallele.

Le tracce su FR4 tendono ad avere perdite più elevate rispetto ad altri materiali PCB specializzati per applicazioni RF al di sopra di 1 GHz. FR4 ha una dispersione negativa e una crescente perdita tangente a frequenze sempre più alte. Rispetto ad altri materiali specializzati per le alte frequenze, la dispersione aumenta effettivamente la velocità del segnale alle alte frequenze, diminuendo così il ritardo di propagazione alle alte frequenze.

L'assorbimento elettromagnetico in FR4 aumenta rapidamente fino a circa 100 KHz per poi aumentare costantemente fino a circa 100 GHz. Ciò fa sì che le tracce su FR4 abbiano una maggiore attenuazione alle alte frequenze per un dato spessore della scheda. Questa è la ragione principale per cui i laminati ad alta velocità sono utilizzati sulle schede FR4.

Thermal expansion design in a railroad track

^{Progettazione di espansione termica su una linea ferroviaria. Un FR4 consente di avere una maggiore attenuazione della frequenza PCB}

Il calcolo del giusto valore per il ritardo di propagazione richiede il giusto modello per i parametri dei materiali del substrato. I modelli lineari di riferimento per la dispersione e l'assorbimento sono sicuramente errati al di sopra dei 4 GHz di frequenza o velocità di commutazione. Il modello di Debye a larga banda è ovviamente il modello migliore da utilizzare per descrivere questi parametri critici dei materiali in FR4 su un'ampia gamma di frequenze.

Se si osserva lo spettro di frequenza in un impulso digitale, si scoprirà che i segnali digitali hanno la maggior parte della loro intensità concentrata tra la frequenza di commutazione e la larghezza di banda. La larghezza di banda è circa un terzo dell'inverso del tempo di salita del segnale.

Poiché un impulso digitale è in realtà solo una sovrapposizione di onde analogiche, la dispersione influenza ciascuna di queste frequenze analogiche in modo leggermente diverso. Una buona approssimazione è quella di considerare la dispersione solo alla frequenza di commutazione. Questa approssimazione è accettabile per una dispersione da bassa a moderata.

Considerati i compromessi di progettazione che devono essere presi in considerazione quando si sceglie un materiale di substrato, è necessario un software di progettazione PCB che offre flessibilità nella scelta del giusto substrato. Gli strumenti CAD, gli strumenti intuitivi di accatastamento dei livelli e le funzioni di simulazione di Altium Designer 18.1 semplificano la progettazione del prossimo dispositivo ad alta velocità o ad alta frequenza su FR4. Parlate con un esperto di Altium per saperne di più.