PCB Flessibili: Integrità del Segnale del Circuito Flessibile per Piani di Massa a Maglia

Le velocità ultra-elevate su schede flessibili e rigido-flessibili sono inevitabili poiché queste schede trovano un utilizzo maggiore nell'elettronica avanzata. Questi sistemi necessitano anche di strati di terra per l'isolamento e per separare i riferimenti RF e digitali per i protocolli wireless. Con alte velocità e alte frequenze arriva il potenziale per problemi di integrità del segnale, molti dei quali si riferiscono alla posizione e alla geometria del piano di terra in un PCB.

Un metodo comune per fornire un riferimento consistente a 0 V in schede flessibili e rigido-flessibili è utilizzare un piano di terra traforato o a maglia sul nastro flessibile. Questo fornisce un grande conduttore che può ancora fornire schermatura su un'ampia gamma di frequenze pur consentendo al nastro flessibile di piegarsi e piegarsi senza eccessiva rigidità. Tuttavia, i problemi di integrità del segnale sorgono in due aree:

• Garantire un'impedenza di traccia consistente,
• Schermatura e isolamento, e
• Prevenire effetti simili alla trama della fibra nella struttura a maglia.

In questo articolo, esamineremo più a fondo i problemi di integrità del segnale che derivano dai piani di terra traforati e cosa puoi fare al riguardo.

Progettazione del Piano di Terra a Maglia

Nel senso più basilare, l'incisione funziona proprio come qualsiasi altro piano di massa. È destinata a fornire un riferimento costante in modo che una traccia possa essere progettata per avere l'impedenza desiderata. Qualsiasi delle comuni geometrie di linea di trasmissione (microstrip, stripline o guide d'onda) può essere posizionata in PCB rigido-flessibili o flessibili con un piano di massa a maglia. Posizionare una regione di rame inciso sullo strato superficiale del nastro flessibile fornisce quasi gli stessi effetti del rame solido a basse frequenze.

La configurazione comune per il routing di stripline e microstrip su un nastro flessibile con piani di massa a maglia è mostrata di seguito.

Questa struttura a maglia può essere utilizzata in schede rigide, ma non l'ho mai vista in pratica né ho avuto una richiesta da parte di un cliente. Invece, il modello a maglia è utilizzato in schede flessibili/rigido-flessibili per bilanciare la necessità di controllo dell'impedenza con la necessità di un nastro ragionevolmente flessibile. Che tu stia progettando le tracce o il modello di incisione, segui le migliori pratiche per nastri flessibili statici e dinamici e gli standard IPC 2223.

Controllo dell'Impedenza

Una delle opzioni per lavorare con coppie singole o differenziali è quella di posizionare rame solido nello strato del piano direttamente sotto le tracce e posizionare una struttura a maglia altrove nel circuito. Se il routing diventa molto denso, allora sarà necessario utilizzare la maglia ovunque. Se si sceglie di utilizzare la maglia, si avrà maggiore flessibilità, ma una minore isolamento dello schermo e condizioni modificate per il controllo dell'impedenza.

Come mostrato sopra, la struttura del piano a maglia ha due parametri geometrici: L e W. Questi due possono essere combinati in un fattore di riempimento, o la frazione dell'area della maglia coperta con rame. La modifica di questi parametri ha i seguenti effetti:

• Aumentare l'area della maglia (incrementando l'apertura della maglia aumentando L) aumenta l'impedenza assumendo che gli altri parametri rimangano costanti. Rende anche il nastro più facile da piegare (meno forza).
• Aumentare W mantenendo costanti gli altri parametri chiude l'area della maglia, il che aumenta l'impedenza. Rende anche la modalità del nastro difficile da piegare (più forza).

Gli altri parametri che governano l'impedenza per geometrie standard hanno gli stessi effetti quando si lavora con un piano di massa a maglia. Una volta raggiunte alte frequenze, inizierai a eccitare modi non-TEM intorno alle tue linee di trasmissione, e potresti persino vedere alcuni effetti simili alla trama delle fibre.

Effetti della trama delle fibre nel mio nastro flessibile?

Questo è il punto in cui un piano di massa a maglia in un PCB diventa molto interessante poiché il modello di maglia può iniziare a somigliare al modello di tessitura del vetro usato in FR4 e altri laminati. Di conseguenza, ci ritroviamo nuovamente in una situazione in cui dobbiamo preoccuparci degli effetti della trama delle fibre in un materiale di substrato normalmente liscio e relativamente omogeneo. Questi effetti si verificano quando la larghezza di banda di un segnale in transito si sovrappone con una o più risonanze nella struttura a maglia. Per L = 60 mil su poliimide, la risonanza di ordine più basso sarebbe di 50 GHz.

Uno studio iniziale (vedi questo articolo di Hindawi) ha mostrato che queste strutture incise, sia su un substrato PCB rigido che flessibile, possono produrre forti emissioni quando un segnale digitale si propaga su una traccia attraverso il piano di massa a maglia. Con l'apertura di più applicazioni flessibili a frequenze più alte, mi aspetterei che questi effetti peggiorino in un nastro flessibile con un piano di massa a maglia per diverse ragioni.

Risonanze ad Alto Q

Proprio come in un substrato di tessuto di vetro regolare, la maglia forma una struttura a cavità che può supportare risonanze quando eccitata a frequenze specifiche. Queste cavità risonanti in un piano di massa a maglia avranno valori Q molto alti poiché le pareti della cavità sono altamente conduttive (rame). Pertanto, ci saranno perdite minori e risonanze ad alto Q. Questo porta ad aumentate emissioni della cavità e perdita di potenza risonante.

La Maglia Aperta Ha Bassa Isolazione

Un piano di massa solido normalmente garantirebbe che qualsiasi EMI irradiata dalle cavità del tessuto di vetro venisse emessa lungo il bordo della scheda. Poiché un piano di massa a maglia ha cavità aperte, fornisce meno isolamento e può anche irradiare lungo la superficie del nastro flessibile. Questo ha un effetto reciproco: quando una traccia può emettere radiazioni più facilmente, può anche ricevere più facilmente EMI esterna.

Per risolvere questi problemi, utilizza maglie più strette, proprio come utilizzeresti una tessitura di vetro più stretta per prevenire gli effetti della tessitura delle fibre. I PCB flessibili e rigido-flessibili continueranno a far parte del panorama dei PCB e stanno diventando più avanzati con le nuove capacità di produzione. L'annuncio di Tara Dunn riguardante le capacità di fabbricazione con larghezza di traccia di 1 mil può essere un vero cambiamento di gioco per i PCB flessibili ad alta velocità e ad alta densità, consentendo la fabbricazione di modelli di piani di massa a maglia più piccoli.

Esempio di Piano di Massa a Maglia

Un esempio di piano di massa a maglia ben costruito può essere trovato nel progetto di laptop open-source guidato da Lukas Henkel. L'immagine sottostante mostra un esempio con un piano di massa a maglia applicato su un nastro flessibile spesso 1 mil per una webcam. Questo PCB flessibile è destinato a supportare il routing MIPI CSI-2 da un connettore FPC sul bordo a una webcam che è saldata direttamente sul nastro flessibile. I parametri geometrici sono i seguenti:

• Larghezza della traccia di rame: 0,1 mm
• Dimensione dell'apertura (elemento ripetuto): 0,283 mm

In questo esempio, vengono utilizzate molteplici regioni di tratteggio per definire la massa in diverse parti del nastro flessibile. È presente anche una grande regione solida nel piano di tratteggio, che viene utilizzata per separare i segnali CSI-2 ad alta velocità dai segnali di configurazione a bassa velocità e dai GPIO nella parte superiore della regione di tratteggio. Una volta che sei pronto per instradare i segnali sopra la regione di tratteggio, gli strumenti di routing funzioneranno esattamente allo stesso modo di come farebbero sopra un piano solido o un poligono solido.

Questo tipo di tratteggio non deve essere disegnato manualmente instradando le tracce. Invece, Altium Designer include una funzionalità che applicherà automaticamente il tratteggio su un poligono, e il tratteggio selezionato apparirà una volta che il poligono viene ricreato nell'Editor PCB. Questa funzionalità può essere applicata su poligoni rettangolari, poligoni curvi come mostrato sopra, o su versamenti di poligoni irregolari.

Simulazione dell'Instradamento Sopra una Terra a Maglia

Le piani di massa a maglia possono tecnicamente essere simulati proprio come qualsiasi altra struttura in un PCB, ma la sfida deriva dai maggiori requisiti di potenza computazionale a causa della struttura più complessa della maglia di terra. Le aperture in questi strati di maglia creano una maglia di simulazione più complessa che viene poi utilizzata per risolvere le equazioni di Maxwell, il che richiede un tempo computazionale più lungo. Ad esempio, una simulazione di parametro S per una singola coppia differenziale su un piano di massa a maglia può richiedere oltre un'ora di tempo di simulazione (basata su simulazioni della sezione trasversale del PCB), mentre la stessa coppia differenziale e impilamento con un piano di massa in rame solido richiederebbe meno di un minuto quando analizzato con lo stesso metodo numerico.

I fatti sopra esposti rendono molto difficile la determinazione dell'impedenza per il routing su piani di massa a maglia. Un altro problema che sorge è la mancanza di dati chiari da parte dei produttori. Non tutti i produttori conservano dati sull'impedenza su piani di massa a maglia, principalmente perché l'impedenza dipende così fortemente dal fattore di riempimento e dall'orientamento della maglia di rame. Poiché lo spazio dei parametri è così ampio, i produttori di PCB flessibili che conservano questi dati probabilmente hanno solo dati di test validi per poche parametrizzazioni e per specifici prodotti in poliimide. Pertanto, se hai bisogno di routing ad alta velocità su flessibili per un prodotto avanzato, considera l'investimento in uno strumento di simulazione con solver 3D.

Non importa come intendi progettare il tuo PCB flessibile o rigido-flessibile, Altium Designer ha gli strumenti di cui hai bisogno per progettare correttamente un piano di massa a maglia per progetti ad alta velocità. Altium Designer su Altium 365 offre un livello di integrazione senza precedenti nell'industria elettronica, finora relegato al mondo dello sviluppo software, consentendo ai progettisti di lavorare da casa e raggiungere livelli di efficienza senza precedenti.

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