Korzyści z użycia materiałów PCB o wysokim Dk

Terminy "wysokoprędkościowy projekt" i "laminat PCB o niskim Dk" często pojawiają się w tych samych artykułach, a nawet w tym samym zdaniu. Materiały PCB o niskim Dk mają swoje miejsce w PCB wysokiej prędkości i wysokiej częstotliwości, ale materiały PCB o wysokim Dk zapewniają integralność mocy. PCB o niskim Dk są zwykle wybierane, ponieważ mają tendencję do posiadania niższego tangensa strat. W związku z tym materiały PCB o wysokim Dk często są pomijane w przypadku PCB wysokiej prędkości i wysokiej częstotliwości.

Gdy patrzymy na integralność mocy dla płyt wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości, zamiast tylko na stratę sygnału lub akceptowanie wartości dostarczonej przez laminat wysokiej prędkości, powinieneś rozważyć stałą dielektryczną jako część ogólnej strategii dla stabilnej mocy. Obejmuje to rzeczywiste i urojone części stałej dielektrycznej, ponieważ obie wpływają na integralność mocy twojej płytki PCB. Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się roli, jaką materiały PCB o wysokim Dk odgrywają w zapewnianiu integralności mocy.

Materiały PCB o wysokim Dk i integralność mocy PCB

Przede wszystkim, gdy patrzymy na integralność mocy, zawsze staramy się zapewnić, aby napięcie wyjściowe z twoich etapów regulatora pozostawało stałe, gdy moc przepływa przez PDN. To porusza dwa aspekty analizy PDN i integralności mocy:

• Analiza DC: Tutaj interesuje nas tylko spadek napięcia IR na przewodach, które tworzą PDN. Stała dielektryczna nie odgrywa roli w analizie DC.
• Analiza AC: Przez analizę AC rozumiemy zachowanie się każdego prądu zmiennego na płaszczyźnie zasilania. To tutaj impedancja PDN staje się kluczowa, ponieważ zmiana napięcia widoczna na komponencie położonym dalej jest produktem impedancji PDN i zmieniającego się w czasie napięcia (prawo Ohma).

Materiał PCB o wysokiej wartości Dk użyty jako dielektryk między płaszczyzną zasilania a masą zapewnia pewne ważne korzyści dla integralności zasilania. W szczególności, wysoka wartość Dk dla materiału PCB między płaszczyzną masy a zasilania zapewni większą pojemność międzyplanarną, co oznacza, że twoje płaszczyzny działają jak większy kondensator odsprzęgający, a impedancja PDN będzie niższa. Zbliżenie do siebie płaszczyzn masy i zasilania również zwiększa pojemność międzyplanarną. Poniżej przedstawiono przykładowe wyniki symulacji z artykułu IEEE z 2006 roku.

Inny ważny aspekt stałej dielektrycznej to jej część urojona, czyli wartość Df. Zazwyczaj podsumowuje się to za pomocą tangensu strat, ale to nie jedyna metryka używana do oceny przydatności danego laminatu w płytach wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości. Dispersja w laminacie jest również bardzo ważna dla sygnałów cyfrowych, ponieważ może powodować rozciąganie i zniekształcanie sygnałów na płytce. Dla integralności zasilania wartości Dk i Df mają znaczenie razem w następujący sposób:

• Preferowana wysoka Dk: Preferuje się wyższą Dk, ponieważ ogólnie prowadzi to do niższej impedancji całkowitej PDN. Dzieje się tak, ponieważ PDN będzie miało większą pojemność płaszczyzn.
• Preferowana wysoka Df: Powodem, dla którego pożądana jest wyższa Df w dielektryku między masą a zasilaniem, jest to, że stratny dielektryk naturalnie tłumi rezonanse na krzywej impedancji PDN. Można to zobaczyć, porównując ciągłe linie niebieskie i czarne.
• Preferowane cienkie warstwy: Cieńsza warstwa tworzy większą pojemność PDN i ogranicza większą część pola elektromagnetycznego w stratnym podłożu, więc krzywa impedancji PDN obniża się, a rezonanse PDN mają mniejsze szczyty.

Podsumowując, dla integralności mocy w PDN najlepszym przypadkiem jest posiadanie wysokiego Dk, wysokiego Df oraz cienkiej warstwy (patrz solidna czarna krzywa powyżej). Dlatego materiały z wbudowaną pojemnością używane w zaawansowanych, szybkich PCB mają bardzo wysoką wartość Dk i są stratne, więc nie chciałbyś prowadzić nad nimi sygnałów.

Wysokie Dk a integralność sygnału

Dla integralności sygnału ważne są wartości Dk i Df indywidualnie, a nie tylko patrząc na tangens kąta strat. Wyjątkiem są bardzo cienkie warstwy, których możesz użyć w PCB o wysokiej liczbie warstw/HDI; omówię ten typ przypadku bardziej poniżej. Zauważ, że dla substratów PCB o niskich stratach wartości Dk i Df zwykle skalują się razem (np. laminaty Rogers), ale nie zawsze jest to regułą. Możesz zobaczyć kilka przykładów w popularnych laminatach; na przykład Nelco 4000-13 EP ma około 20x niższy tangens kąta strat niż FR4, ale wartość Dk jest tylko o około 10% niższa.

Znaczenie wartości Df oraz przydatność niektórych zestawów materiałów dla różnych standardów sygnałowania wysokiej prędkości zostało przedstawione poniżej. Należy zauważyć, że Dk nie odgrywa roli w tej tabeli; ogólnie rzecz biorąc, ważne są tangens kąta strat oraz chropowatość miedzi.

Dk zaczyna odgrywać rolę, jeśli masz szyny zasilające i sygnał na tej samej warstwie, tak jak w przypadku układu SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR. Podsumowując, istnieje kilka przypadków, w których materiały o wysokim Dk/niskim Df oraz wysokim Dk/wysokim Df przynoszą pewne korzyści zarówno dla integralności sygnału, jak i integralności zasilania, i ważne jest, aby wiedzieć, jak łączyć te elementy:

• Jeśli szyny zasilające i sygnał mieszczą się na tej samej warstwie w PCB o niskiej liczbie warstw, preferowane może być wyższe Dk
• Jeśli zasilanie i sygnał są oddzielone na różnych warstwach, wyższe Dk jest preferowane dla separacji zasilania/ziemi

Druga opcja z tej listy sugeruje, że można stworzyć hybrydowy układ warstw PCB, gdzie używa się różnych materiałów laminatów. W zależności od zaangażowanych materiałów laminatów, można zaoszczędzić na kosztach, mieszając i dopasowując laminaty, zamiast wybierać pojedynczy egzotyczny materiał na cały układ warstw.

Hybrydowe układy warstw PCB: najlepsze z obu światów

Można zobaczyć korzyści płynące z użycia dielektryka o niskich stratach dla integralności sygnału oraz dielektryka o wysokim Dk dla integralności mocy w hybrydowym układzie warstw PCB. W tego typu układzie warstw, warstwa o wysokim Dk byłaby lepszą opcją do oddzielania płaszczyzn zasilania i masy w PDN, co zmniejszyłoby samoodporność PDN oraz impedancję transferową. Następnie chciałbyś użyć materiału o niskim Dk z niskimi stratami, aby wspierać sygnały na warstwie powierzchniowej oraz otaczać geometrie stripline w warstwach wewnętrznych.

Przykład płyty 10-warstwowej pokazano poniżej. Takie układy mogą być nieco dziwne i trudne do stworzenia, ponieważ chcesz zapewnić symetrię. Zapewnia to, że wszelkie naprężenia powstałe w wyniku niezgodności CTE są jednolite, zarówno podczas montażu, jak i eksploatacji. Należy zauważyć, że każda z płaszczyzn masy może być zamieniona na płaszczyznę zasilania z różnym napięciem, i nadal mogłaby służyć jako odniesienie dla sąsiedniej warstwy sygnałowej.

Przed stworzeniem hybrydowego układu warstw, należy skonsultować się z producentem w kwestii ich możliwości oraz jakie materiały zalecają do użycia. Jeśli zdecydujesz się na zaprojektowanie hybrydowego układu warstw, producent może zalecić pewne ograniczenia co do niezgodności CTE (współczynnik rozszerzalności cieplnej) pomiędzy różnymi materiałami laminatów, co ograniczy dostępne opcje. Chociaż oprogramowanie do projektowania PCB zasadniczo pozwala na stworzenie dowolnego układu warstw, nie oznacza to, że producent będzie w stanie go wyprodukować. Zawsze skonsultuj się z producentem przed wytworzeniem tego typu układu warstw, aby upewnić się, że wiedzą, jak obchodzić się z tymi płytami i zapobiec delaminacji podczas montażu.

Należy zauważyć, że wszystkie te warstwy są uznawane za standardowe systemy żywiczne z wzmocnieniem włóknem, czyli to, co uznalibyśmy za standardowy materiał laminatu typu FR4. W świecie RF często domyślnie używamy nie wzmacnianego PTFE, który używa tylko wypełniacza ceramicznego, ale nie ma włókna szklanego. Cienkie warstwy PTFE mogą być również użyte w hybrydowym układzie warstw; przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej.

Wysoki Dk Może Ograniczać Możliwość Produkcji na Cienkich Laminatach

Jedną z wad materiału o wysokim współczynniku Dk dla warstwy sygnałowej jest możliwość wytworzenia. Wynika to z wymaganych szerokości ścieżek, gdy wymuszona jest kontrola impedancji. Szerokości ścieżek muszą być cieńsze, aby osiągnąć docelową impedancję, gdy są umieszczone na materiale o wysokim Dk w porównaniu z materiałem o niskim Dk.

Na grubych laminatach to nie problem, a wysoka wartość Dk może być korzystna: szerokości ścieżek muszą być cieńsze, więc może być łatwiej poprowadzić je do niektórych komponentów. Na cienkich laminatach będzie to problem, ponieważ ostatecznie szerokość ścieżki staje się tak mała, że zaczyna się osiągać limit możliwości fabrykacyjnych. Tolerancje trawienia stają się teraz znaczącą częścią szerokości ścieżki, więc otrzymuje się większe zmiany w impedancji ścieżki. Przez "cienki laminat" mamy na myśli zewnętrzne laminaty o grubości 2 mil dla mikropasków lub wewnętrzne laminaty o grubości 2-4 mil dla linii paskowych.

Dlatego na bardzo cienkich laminatach najlepiej jest użyć materiału o niskim Dk, takiego jak laminat PTFE, aby zapewnić możliwość produkcji. Materiały PTFE mają problem z trudnością obsługi, gdy nie mają wzmocnienia z włókna szklanego, dlatego wzmocniony laminat może być preferowany, jeśli pasma sygnałowe wzbudzają nadmierne efekty splotu włókien.

Inne ważne efekty materiałów PCB o wysokim Dk

Oto niektóre z innych ważnych efektów materiałów PCB o wysokim Dk w twojej płytce drukowanej.

• Wolniejsza propagacja sygnału. Oznacza to, że dozwolone rozbieżności długości w równoległych sieciach i parach różnicowych będą mniejsze (przy danym niedopasowaniu czasowym). Jednakże, przy użyciu odpowiednich narzędzi do kontroli trasy i impedancji w oprogramowaniu do projektowania PCB, staje się to kwestią nieistotną.
• Mniejsza impedancja transferu. Jak omówiłem w niedawnym artykule, impedancja transferu opisuje, jak zakłócenie napięcia PDN wywołane przez komponent przełączający wpływa na fluktuację napięcia widzianą przy innym komponencie. Jeśli wartość Dk dla dielektryka jest większa, wtedy impedancja transferu jest mniejsza, fluktuacja napięcia widziana przy innym komponencie jest mniejsza. Wartość Df również odgrywa tutaj rolę, ponieważ substrat o dużych stratach będzie tłumił fluktuację napięcia widzianą przy innych komponentach (patrz Rys. 12 w tym artykule).
• Opóźnione fluktuacje między różnymi komponentami. Gdy fluktuacja występuje w jednym komponencie, potrzebuje czasu, aby rozprzestrzenić się wzdłuż PDN do innych komponentów. Kiedy wartość Dk dielektryka jest większa, opóźnienie między fluktuacjami w różnych komponentach jest dłuższe. Jednakże, kondensatory omijające umieszczone przy innych komponentach kompensują wszelkie fluktuacje, i odpowiedni kondensator omijający sprawia, że problem ten nie istnieje.
• Antyrezonanse w przestrzeniach międzywarstwowych przesuwają się do niższych częstotliwości. Staje się to ważne aż do pasm GHz. Przy antyrezonansie impedancja osiąga szczytową wartość przy określonej częstotliwości. Użycie cieńszego materiału o wysokim Dk i większej stracie między płaszczyznami masy a zasilania tłumi te antyrezonanse (patrz Rys. 11 w tym artykule). Omówię tę kwestię dotyczącą rezonansów w przestrzeniach i falowodach bardziej w przyszłym artykule.

Podsumowanie

Jeśli budujesz hybrydową strukturę warstwową dla płytki o wysokiej prędkości/częstotliwości, powinieneś użyć dielektryka o wysokim Dk/wysokim Df między płaszczyznami masy a zasilania. Jeśli używasz tego samego materiału laminatu w całej strukturze warstwowej, możesz zrównoważyć integralność zasilania i integralność sygnału, jeśli użyjesz dielektryka o wysokim Dk/niskim Df.

Wadą stosowania materiałów PCB o wysokim Dk jest silniejsze sprzężenie pojemnościowe między przewodnikami. Oznacza to, że pojemności pasożytnicze związane z podłożem są większe, co wymaga ich redukcji poprzez użycie cienkiego dielektryka do płaszczyzny masy. Prowadzi to do konieczności stosowania węższych ścieżek, jak wspomniałem powyżej. Jeśli to brzmi ezoterycznie, oznacza to, że wartości pojemności ścieżek będą większe; a zatem wartości indukcyjności ścieżek również muszą być większe, aby zapewnić kontrolę impedancji. Oznacza to również, że przesłuch będzie silniejszy, więc separacja ścieżek powinna być większa, aby skompensować większą wartość Dk.

Układ warstw PCB jest głównym determinantem integralności mocy i integralności sygnału. Możesz zapewnić poprawne działanie swojej płyty pod oboma względami, gdy masz dostęp do odpowiednich narzędzi do projektowania i analizy PCB. Menedżer Układu Warstw w Altium Designer® daje dostęp do biblioteki powszechnych i specjalistycznych laminatów PCB. Możesz zdefiniować parametry materiałowe dla specjalnego laminatu dla swojego PCB. Zintegrowany solver pola 3D od Simberian wykorzystuje te parametry materiałowe do modelowania zachowania sygnału w twoim PCB podczas tworzenia układu PCB.

Altium Designer na Altium 365 zapewnia dotąd niespotykany poziom integracji w branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu, aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.