マイクロストリップPCBグラウンドクリアランス パート2：クリアランスが損失にどのように影響するか

前回の記事では、インピーダンス制御されたトレースと近接する接地された銅プールとの間に必要なクリアランスについての議論といくつかのシミュレーション結果を提供しました。私たちが見つけたことは、プールとトレースの間の間隔が小さくなりすぎると、トレースはインピーダンス制御された共面導波管（接地ありまたはなし）になるということです。また、トレースと接地された銅プールの間の間隔に関する3Wルールが少し過度に保守的であることもわかりました。

基本的に、目標インピーダンスを達成しようとしており、近くのプールがインピーダンスにどのように影響するかを心配している場合、3Wルールによって設定された制限よりも近づくことができます。ただし、適用できるクリアランスの正確な限界は、誘電体の厚さに依存します。厚い基板では、より小さいクリアランス対幅比が許容され、いくつかのシミュレーションで調査された実用的な積層板の厚さに対して3Wルールを快適に違反することがわかりました。

前回の記事ではインピーダンスに焦点を当てましたが、損失に対する影響はどうでしょうか？この質問の理由が明らかでない場合、または伝送線設計の細かい点に最新でない場合は、近接する接地プールがインピーダンス制御された相互接続の損失にどのように影響するかを見るために読み続けてください。

トレースの近くにグラウンドがあるとなぜ損失が発生するのか？

これは妥当な質問であり、近くにある導体が静電荷や電流密度を帯びたトレースの周囲の電磁場分布をどのように変更するかに関連しています。グラウンドされた銅プールがマイクロストリップやストリップラインの近くに配置された場合に損失が発生する可能性がある理由を見るために、電場について見てみましょう。

下の画像では、マイクロストリップの周囲の電場の概略図を描きました。トレースと同じ層に近くに接地された銅プールがある場合、いくつかの電場線は導体の端で終わります。

グラウンドプールが電場線を地面領域に向かって引き込むため、電磁場はトレースと近くの銅プールの間の領域に強く集中します。これがどのようにしてより大きな損失につながるのか疑問に思うかもしれません。

スキン効果と像電流

さて、少し電磁気学のレッスンの時間です…信号がトレースを伝わっているとき、その関連する電流密度は信号を案内しているトレースの端の周りに集まります。しかし、私たちが電磁気学の授業で学ぶ典型的な図は、他のすべての媒体、他の近くの導体を含む、無限に長いワイヤーを考慮した場合にのみ適用されます。実際には、導体がトレースの近くに持ち込まれると、直交する電場が最も強いトレースの領域、つまりトレースの側面の端に沿って、電流が集まります。

最近のいくつかの会議での私のプレゼンテーション、そして多くの他の研究者から見たプレゼンテーションでは、近くのグラウンドプレーンや銅の注ぎ込みにおける画像電流を無視しながら、スキン効果に関する解析計算が提示されています。これは主に、計算のための単純化と、プレゼンテーション中の簡潔さのためです。この特定の分布をすべてのトレース配置に対して計算することは、IEEEやJPIERのような学術雑誌の記事に値します。しかし、結合容量の役割と損失への影響を理解する上での主要な考慮事項です。

導体における画像電流の生成とそれがスキン効果をどのように歪めるかについてもっと読むには、IEEEで公開されたこの記事をご覧ください：

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "PCBトレースからの放射放出に対する画像平面技術のスキン効果モデリング." IEEE 1997, EMC, オースティンスタイル. 1997年IEEE国際電磁両立性シンポジウム記録 (カタログ番号 97CH36113), pp. 308-313. IEEE, 1997.

電流がトレースの端に集中するため、電流と銅トレースの粗い壁との間の相互作用の強度が増加します。覚えておいてください、銅の粗さはスキン効果の大きさを増加させさらに損失のあるインピーダンスを生み出します。この相互作用で何が起こるかを見るためには、銅メッキ材料が損失にどのように影響するかを理解する必要があります。

デジタルシステムとRFシステム

この時点で、はんだマスクとメッキの取り扱いの点でデジタルシステムとRFボードを区別することが重要です。デジタルボードでは、一般的にはんだマスクを至る所に適用し、最小限のデジタル帯域幅を超えるチャネルのコンプライアンスに焦点を当てます。RFシステムでは、はんだマスクを取り除くことが非常に一般的であり、RF信号をサポートする伝送線には外部にメッキが施されます。

• デジタル - 近くの銅プールがはんだマスクによって生じる損失にどのように影響するかを示す包括的な研究を見たことがありません。私の感覚では、はんだマスクがあれば、電磁場はそれと無関係に相互作用するため、どちらの場合でも損失の偏差は最小限である可能性があります。何か洞察を持っている人は、LinkedInで私を見つけてメッセージを送ってください。
• RF - この場合、めっき領域での電流の再分配は間違いなくインターコネクトに沿った損失の変化を引き起こします。したがって、下記で議論されているように、その粗さに対する効果のため、めっきは損失を決定する新たな要因となる可能性があります。

デジタルシステムのトレースからはんだマスクを取り除いたとしても、近くの銅プールが損失にどのように影響するかを理解するためには、めっき膜の構造とその粗さを考慮する必要があります。

RF PCBについて：ニッケルベースのめっきを避け、銀を好む

ジョン・クーンロッドは、接地された共面導波路（接地付きの共面マイクロストリップに非常に似ている）と、銅のプアなしの単独のマイクロストリップで、ENIGメッキが高周波数に及ぼす影響を示す優れたデータを提供しています。彼のYouTubeビデオの一つをこのリンクで見ることをお勧めします。より包括的な評価はこのビデオで見ることができます。要するに、ジョンのデータは二つの結論を示しています：

• 共面配置にすると、共面グラウンドが近い場合、より多くの損失を提供することができます。これは、より薄いマイクロストリップを強制し（スキン効果からの損失が増加）、
• ENIGメッキは常に、単純なマイクロストリップと比較して共面配置でより大きな総損失を提供します。

ストリップラインについても同様の結果が期待されるでしょう。

下の画像は、上記のビデオからの重要なグラフを示しています。本質的に、銅とニッケルのメッキ結合により、共面導波路で伝播する電流が遭遇する粗さは、マイクロストリップよりもはるかに大きいです。一方、裸の銅では、両方の伝送線で非常に似た損失が見られます。数GHz以下では、各タイプの伝送線の損失に違いがないように見えます。

接続部の近くに接地された銅ポアを使用すべきか、それとも省略すべきか？明らかに、シールド、インピーダンス、損失だけを考慮するわけにはいきません。熱伝達もPCBの周りに銅ポアを配置する理由として挙げられています。高速インピーダンス制御トレースの周りに銅ポアを使用したい場合は、基本的な測定（TDRまたはSパラメータ）で接続部をテストすることを確認してください。上記の結果は、高周波/高速インピーダンス制御接続部にENIGよりも浸金がよく選ばれる理由を示しています。

要約

公平を期すために、すべての信号層に無差別に銅を敷き詰めることにはいくつかの欠点があり、ここで指摘したいくつかの点があります。Kella Knackも別の記事で銅の敷き詰めのいくつかの欠点を指摘しています別の記事で; 銅の敷き詰めを使用することが悪い設計習慣であり、決して使用すべきではないという暗示には同意しませんが、特定の設計における欠点を考慮し、これらの想定される欠点に基づいてプロトタイプをテストすることを確認してください。銅の敷き詰めの適用は適切にも不適切にも使用でき、その使用は時に「常に」または「決して」のような選択肢の1つとして枠組みされることがあります。どちらの側もお互いの設計選択を文脈から外している可能性があります。いずれにせよ、シールド、基板統合型導波管、およびインピーダンス制御共面導波管を提供する現代のRF設計でPCB要素を定義するためには銅の敷き詰めが必要です。賢く使用し、損失が問題になる場合は適切なめっきを適用してください。

マイクロストリップのグラウンドクリアランスに適切な間隔を決定することは、最適なPCBスタックアップ設計ツールから始まります。Altium Designer®を使用すると、PCBレイアウトで接地された銅プールを使用するボードで制御インピーダンスルーティングを確保するために必要なトレース幅と間隔を簡単に決定できます。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使用すると、プロジェクトを共有して協力することが簡単になります。

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