Distanza di Isolamento del PCB Microstrip Parte 2: Come la Distanza Influenza le Perdite

In un articolo precedente, ho fornito una discussione e alcuni risultati di simulazione sulla distanza necessaria tra tracce controllate per impedenza e vicini versamenti di rame collegati a terra. Quello che abbiamo scoperto è che, una volta che lo spazio tra il versamento e la traccia diventa troppo piccolo, la traccia diventa una guida d'onda coplanare controllata per impedenza (con o senza terra). Abbiamo anche visto che la regola del 3W per lo spazio tra la traccia e il versamento di rame collegato a terra è un po' troppo conservativa.

Essenzialmente, se il tuo obiettivo è raggiungere un'impedenza target, e sei preoccupato di come il versamento vicino possa influenzare l'impedenza, puoi avvicinarti più dei limiti impostati dalla regola del 3W. Tuttavia, il limite esatto di distanza che puoi applicare dipende dallo spessore del dielettrico; substrati più spessi permettono un rapporto distanza-larghezza minore, tutti risultati che violano comodamente la regola del 3W per gli spessori di laminato pratici investigati in alcune simulazioni.

Sebbene ci siamo concentrati sull'impedenza nell'articolo precedente, ci si potrebbe giustamente chiedere, quali sono gli effetti sulle perdite? Se il motivo di questa domanda non è ovvio, o se non sei aggiornato sui dettagli più fini della progettazione delle linee di trasmissione, allora continua a leggere per vedere come il versamento di terra vicino possa influenzare le perdite negli interconnettori controllati per impedenza.

Perché la Terra Vicino a una Traccia Influenzerebbe le Perdite?

Questa è una domanda ragionevole e si riferisce a come un conduttore vicino può modificare la distribuzione del campo elettromagnetico intorno a una traccia che trasporta una certa carica statica o densità di corrente. Per vedere come potrebbero sorgere perdite quando una colata di rame collegata a terra è posizionata vicino a una microstriscia o a una stripline, diamo un'occhiata al campo elettrico.

Nell'immagine qui sotto, ho disegnato uno schizzo approssimativo del campo elettrico intorno a una microstriscia. Quando c'è del rame collegato a terra nelle vicinanze sulla stessa strato della traccia, alcune linee del campo elettrico terminano al bordo del conduttore.

Poiché la colata a terra attrae le linee del campo verso la regione di terra, il campo elettromagnetico è fortemente concentrato nella regione tra la traccia e la colata di rame vicina. Potresti chiederti, come porta questo a maggiori perdite?

Effetto Pelle e Corrente di Immagine

Ora è il momento di una piccola lezione di elettromagnetismo... Quando un segnale viaggia lungo una traccia, la sua densità di corrente associata si raggruppa attorno al bordo della traccia che guida il segnale. Tuttavia, l'immagine tipica che tutti apprendiamo nelle classi di elettromagnetismo si applica solo quando consideriamo un filo infinitamente lungo che è isolato da tutti gli altri mezzi, inclusi eventuali altri conduttori vicini. La realtà è che, quando un conduttore è portato vicino alla traccia, la corrente si affolla attorno alle regioni della traccia dove il campo elettrico ortogonalmente orientato è più intenso, che è lungo i bordi laterali della traccia.

Nelle mie recenti presentazioni in alcune conferenze, e nelle presentazioni che ho visto da molti altri ricercatori, i calcoli analitici che coinvolgono l'effetto pelle vengono presentati ignorando la corrente di immagine nei piani di massa vicini e nel rame versato. Questa è in gran parte una semplificazione ai fini del calcolo, e per brevità durante una presentazione. Calcolare questa particolare distribuzione per ogni disposizione delle tracce vale un proprio articolo su riviste come IEEE o JPIER. Tuttavia, è la considerazione principale per comprendere il ruolo della capacità di accoppiamento e i suoi effetti sulle perdite.

Per leggere di più sulla creazione di una corrente di immagine in un conduttore e su come distorce l'effetto pelle, dai un'occhiata a questo articolo pubblicato su IEEE:

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "Modellazione dell'effetto pelle delle tecniche del piano di immagine per le emissioni irradiate dalle tracce dei PCB." In IEEE 1997, EMC, Stile Austin. Simposio Internazionale IEEE 1997 sulla Compatibilità Elettromagnetica. Atti del Simposio (Cat. No. 97CH36113), pp. 308-313. IEEE, 1997.

Poiché la corrente si accumula contro il bordo di una traccia, ciò aumenta la forza dell'interazione tra la corrente e la parete ruvida della traccia di rame. Ricorda, la ruvidità del rame aumenta la grandezza dell'effetto pelle e crea un'impedenza aggiuntiva dissipativa. Ora, per vedere cosa succede in questa interazione, dobbiamo capire come i materiali di placcatura del rame influenzano le perdite.

Sistemi Digitali vs. Sistemi RF

A questo punto, è importante distinguere tra sistemi digitali e schede RF a causa del modo in cui vengono gestiti la maschera di saldatura e la placcatura. In una scheda digitale, generalmente lasciamo applicata la maschera di saldatura ovunque e ci concentriamo sulla conformità del canale oltre la larghezza di banda digitale minima richiesta. Per i sistemi RF, è molto comune rimuovere la maschera di saldatura, quindi le linee di trasmissione che supportano segnali RF avranno una certa placcatura applicata all'esterno.

• Digitale - Non ho visto uno studio completo che mostri come il vicino versamento di rame influenzi le perdite create dalla maschera di saldatura. La mia sensazione è che, se c'è la maschera di saldatura, il campo elettromagnetico interagirà comunque con essa e la deviazione nelle perdite potrebbe essere minima in entrambi i casi. Chiunque abbia qualche intuizione dovrebbe trovarmi su LinkedIn e inviarmi un messaggio.
• RF - In questo caso, la ridistribuzione della corrente nella regione di placcatura causa sicuramente un cambiamento nelle perdite lungo l'interconnessione. Pertanto, la placcatura può diventare un nuovo fattore determinante le perdite a causa del suo effetto sulla rugosità, come discusso di seguito.

Supponiamo che tu abbia rimosso la maschera di saldatura dalle tracce nel tuo sistema digitale; dovrai comunque considerare la struttura del film di placcatura e la sua rugosità per capire come il vicino versamento di rame influenzi le perdite.

Per le PCB RF: Evitare le Placcature a base di Nichel, Preferire l'Argento

John Coonrod ha fornito alcuni eccellenti dati che mostrano gli effetti della placcatura ENIG a frequenze progressivamente più alte in una guida d'onda coplanare con terra (molto simile a un microstrip coplanare con terra) e un microstrip isolato senza versamento di rame. Incoraggio i lettori a dare un'occhiata a uno dei suoi video su YouTube a questo link. Una valutazione più completa può essere trovata in questo video. In breve, i dati di John mostrano due conclusioni:

• Passare a un arrangiamento coplanare può fornire più perdite quando il terra coplanare è vicino, il che costringe a un microstrip più sottile (più perdite a causa dell'effetto pelle).
• La placcatura ENIG fornisce sempre perdite totali maggiori in un arrangiamento coplanare rispetto a un semplice microstrip.

Si potrebbe ragionevolmente aspettarsi risultati simili per le stripline.

L'immagine qui sotto mostra il grafico importante dal video che ho collegato sopra. Essenzialmente, a causa del legame di placcatura tra rame e nichel, la rugosità incontrata dalla corrente in propagazione è molto maggiore in una guida d'onda coplanare rispetto a un microstrip. Nel frattempo, per il rame nudo, vediamo perdite molto simili in entrambe le linee di trasmissione. Al di sotto di alcuni GHz, sembra non esserci differenza tra le perdite in ciascun tipo di linea di trasmissione.

Dovresti quindi utilizzare il riporto di rame collegato a terra vicino ai tuoi interconnessioni, o dovresti ometterlo? Ovviamente, c'è più da considerare oltre alla schermatura, all'impedenza e alle perdite. Il trasporto termico è citato anche come una ragione per posizionare il riporto di rame intorno a un PCB. Se desideri utilizzare il riporto di rame intorno a tracce ad alta velocità controllate per impedenza, assicurati di testare le tue interconnessioni con alcune misurazioni di base (TDR o parametri S). I risultati sopra dovrebbero illustrare perché l'argento di immersione è spesso la placcatura di scelta per interconnessioni ad alta frequenza/alta velocità controllate per impedenza piuttosto che ENIG.

Riassunto

Per essere giusti, ci sono alcuni svantaggi nel riempire indiscriminatamente ogni strato di segnale con il riporto di rame, alcuni dei quali abbiamo notato qui. Kella Knack nota anche alcuni svantaggi del riporto di rame in un altro articolo; non sono d'accordo con l'implicazione che l'uso del riporto di rame sia una cattiva pratica di progettazione e che non dovrebbe mai essere utilizzato, ma dovresti considerare gli svantaggi per il tuo design specifico e assicurarti di testare i prototipi basati su questi svantaggi presunti. L'applicazione del riporto di rame può essere usata correttamente o impropriamente, e il suo uso è talvolta inquadrato come una di quelle scelte di tipo "sempre" o "mai"; entrambe le parti probabilmente stanno interpretando fuori contesto le scelte di progettazione dell'altra. In ogni caso, hai bisogno del riporto di rame per definire gli elementi del PCB nei moderni progetti RF che forniscono schermatura, guide d'onda integrate nel substrato e guide d'onda coplanari a controllo d'impedenza. Assicurati di usarlo saggiamente e applica la placcatura appropriata se le perdite saranno problematiche.

Determinare uno spazio appropriato per la distanza di terra del microstrip inizia con i migliori strumenti di progettazione dello stackup PCB. Quando utilizzi Altium Designer, puoi facilmente determinare la larghezza della traccia e lo spazio necessario per garantire un routing dell'impedenza controllata nelle schede che utilizzano il riporto di rame a terra nel layout del tuo PCB. 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.

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