Su un terreno instabile: gli argomenti contro l’uso del rame in un PCB

Di recente sull'SI-List, alias SI Reflector, (consultate la nota al termine dell'articolo) si è parlato molto dell'argomento delle colate di terra in rame e del fatto che il loro uso sia vantaggioso o meno in un'implementazione PCB multistrato. Ci sono stati sostenitori e detrattori. Una persona ha detto che una colata di riempimento della terra riduce l'EMI, un'altra ha dichiarato che riequilibra il rame e riduce la possibilità che la scheda si deformi. Un'altra persona ha dichiarato che abbassa il costo di produzione delle schede, mentre il suo vicino ha sostenuto che rende il processo di produzione più difficile. 

Il risultato finale è che l'uso delle colate di terra in rame non offre vantaggi. Questo articolo descriverà la storia delle colate e parlerà dei vantaggi e degli svantaggi attribuiti ad esse e del perché non sono validi. In aggiunta, vengono fornite informazioni su un altro tipo di riempimento, un riempimento dello strato del segnale, e sui suoi usi e vantaggi. 

La storia delle colate di terra

In sostanza, con colata di terra in rame si fa riferimento a un'area in uno strato del segnale su un PCB che è stata riempita con rame. L'idea delle colate di rame esiste nel settore PCB praticamente da sempre e deriva dai guru dell'EMC che sostenevano che le colate di terra avrebbero ridotto l'EMI. 

Nel corso degli anni, si è sostenuto che le colate di terra in rame offrissero una serie di presunti vantaggi, tra cui: 

• Maggiore dissipazione del calore. 
• Riduzione della quantità di incisioni che devono essere realizzate durante il processo di fabbricazione del PCB. 
• Riduzione della possibilità di deformazione del PCB. 

Lee Ritchey, Fondatore e Presidente di Speeding Edge, dichiara: "La maggior parte delle affermazioni precedenti non è vera. È vero che le colate di rame riducono la quantità di incisioni richieste, ma questa è una banalità che non influisce in alcun modo sul funzionamento generale di un PCB". 

Per essere equi, l'uso delle colate in rame è stato associato a una serie di svantaggi, che includono: 

• Le antenne a microstriscia assomigliano a una colata di terra. Queste piccole aree possono agire come antenne ed emettere rumore. 
• Quando il rame è spesso, la dissipazione del calore sull'intero perimetro rende più complicata la dissaldatura nelle operazioni di riparazione e assistenza. 
• A meno che non siano utilizzate vie cieche e interrate, ogni via blocca i possibili percorsi e le cuciture rendono tutto più difficile. 

Ritchey continua: "Per quanto riguarda le antenne a microstriscia, non assomigliano a colate di terra se non si trovano su un altro piano e non funzioneranno come un antenna se si trovano sopra un altro piano come un Vdd o un piano di terra. È vero che nei punti in cui il rame è spesso diventa più difficile dissaldare per effettuare le operazioni di riparazione e assistenza, ma questo avviene solo se la colata è collegata all'area che si sta saldando. Per quanto riguarda l'ultimo punto, come indicato nei precedenti articoli pubblicati da Speeding Edge, le vie cucite insieme non sono utili, pertanto non devono mai essere integrate in una progettazione PCB". 

Ritchey aggiunge: "La mia risposta a tutto questo è che se si pensa ai milioni di schede che vengono realizzate con successo ogni giorno senza colate di rame, ci sono buoni motivi per essere sospettosi. Sulla base della mia esperienza personale di coinvolgimento nella progettazione di più 5.000 schede, non abbiamo mai effettuato colate di terra in rame e non è emerso alcun problema relativo alla loro mancata realizzazione di cui abbiamo parlato prima. Inoltre, nessuno degli "esperti" che si sono schierati a favore delle colate di terra è riuscito a dimostrare che le sue affermazioni erano veritiere. Questo ci riconduce al fatto che si tratta di uno dei miti che circola nel settore da sempre. Appena pensiamo di aver "ucciso il drago" relativo alla sua esistenza, ecco che tira di nuovo fuori la testa. Questo è dovuto ai giovani ingegneri che si imbattono in queste affermazioni e che vogliono verificarne la veridicità". 

Una delle cose che occorre notare è che facendo le ricerche per questo articolo, esiste una distinzione rispetto all'efficacia delle colate di rame sulle schede a due strati rispetto alle schede multistrato. Nello specifico, l'affermazione che la terra colata è utile sulle schede a due strati prive di piani di riferimento solidi e che riduce il crosstalk causato dall'accoppiamento capacitivo. 

Ritchey spiega: "Se volete che le linee di trasmissione non abbiano problemi di accoppiamento, devono viaggiare in maniera costante su un piano". Riempire lo spazio inutilizzato su una scheda a due strati con qualcosa che chiamato terra non lo consente. Non è costante. È una sfortuna che molte persone credano di finire con un piano dopo aver riempito lo spazio inutilizzato con rame e chiamarlo terra. I patch rotti di materiale definiti "terra" non costituiscono un piano".

Le informazioni precedenti relative alle schede a due strati sono fornite come punto di riferimento. Le attività recenti associate con le colate di terra su Si Reflector sono tutte incentrate sulle schede multistrato. Ma, a prescindere che la scheda in questione sia una scheda analogica a due strati o una scheda digitale multistrato, l'uso di colate di terra in rame non apporta alcun beneficio significativo e può effettivamente danneggiare una scheda in termini di funzionamento finale. 

Riempimenti dello strato del segnale

Ci sono casi in cui il riempimento dello spazio inutilizzato negli strati del segnale con il rame può creare la capacitanza del piano aggiuntiva necessaria. Il riempimento può essere Vdd se il piano accanto a esso è terra o può essere terra se il piano accanto a esso è Vdd. In pratica, lo spazio inutilizzato in uno strato del segnale viene riempito di rame e viene quindi fissato al binario appropriato, indipendentemente che sia terra o Vdd, per creare una capacitanza del piano aggiuntiva. Questo tipo di operazione viene effettuata ogni giorno. 

Per esempio, la Figura 1 è una scheda adattatore Ethernet a doppia velocità con fattore di forma PCMCIA. Inizialmente, l'EMI era errato ed era fragile dal punto di vista della progettazione. Questo sintomo è associato a una capacitanza del piano inadeguata. Per motivi di spessore e di costi, l'aggiunta di due piani ulteriori non era un'opzione praticabile. 

_{Figura 1. Immagine di un PCB PCMCIA a sei strati con riempimento dello strato del segnale, un esempio visivo dell’uso del rame in un PCB}

Questa progettazione ha sei strati del segnale, ovvero: lato superiore L1, piano Vdd L2, segnale L3, segnale L4, terra L5 e lato inferiore L6. Lo spazio inutilizzato nei quattro strati del segnale (L1, L3, L4 e L6) è stato riempito con rame. Il rame è stato fissato al binario appropriato per trasformarlo nella capacitanza del piano.

Il riempimento in L1 e L3 è collegato a terra perché il piano adiacente, L2, è Vdd. Il riempimento in L4 e L6 è collegato a Vdd perché L5 è la terra. Prima di riempire gli strati del segnale con rame per creare una capacitanza del piano aggiuntiva, la dimensione della capacitanza dell'interpiano era 500 pF. Dopo il riempimento degli strati del segnale, la capacitanza dell'interpiano era 4000 pF o nF. Le scansioni delle emissioni nella Figura 2 mostrano le emissioni "prima" in blu e le emissioni "dopo" in rosso. Riempiendo lo spazio inutilizzato negli strati del segnale di questo piccolo PCB, sia le emissioni che la stabilità della logica sono state sufficientemente migliorate da consentire al prodotto di funzionare correttamente. 

_{Figura 2. Scansione dell'EMI prima e dopo il riempimento dello strato del segnale per il PCB nella Figura 1, un esempio dell’uso del rame in un PCB}

Ritchey spiega: "Uso il riempimento dello strato del segnale in due casi. Il primo quando non possono permettermi di aggiungere strati al fine della capacitanza dell'interpiano. Si tratta del caso mostrato nella scheda PCMIA suddetta. Il secondo quando le dimensioni della scheda sono così piccole da avere una capacitanza dell'interpiano ridotta".

Riepilogo

Le presunte dichiarazioni associate alle colate di terra in rame esistono da quando sono state progettate le prime schede. In realtà non offrono alcune beneficio reale e possono al contrario influire negativamente sulle prestazioni di un PCB. Un altro tipo di riempimento, il riempimento dello strato del segnale, può essere usato per creare una capacitanza dell'interpiano aggiuntiva quando le dimensioni della scheda sono ridotte o quando non esiste alcuna capacitanza dell'interpiano.

Nota: SI Reflector

Il Si-List, comunemente definito come SI Reflector, è nato il 16 maggio 1994 con 30 membri

sull'e-mail list. Si tratta di un forum in cui gli ingegneri dell'integrità del segnale possono pubblicare domande, rispondere a domande, partecipare a dibattiti e ascoltare conversazioni del settore. 

Riferimenti

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.

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