Jak wybrać folię miedzianą do projektowania PCB wysokiej częstotliwości

Branża materiałów PCB poświęciła znaczne ilości czasu na rozwijanie materiałów, które zapewniają jak najmniejsze straty sygnału dla produktów z aplikacjami RF. W projektach o wysokiej prędkości i wysokiej częstotliwości straty będą ograniczać odległość propagacji sygnału i zniekształcać sygnały, co spowoduje odchylenie impedancji, które można zaobserwować w pomiarach TDR. Podczas projektowania dowolnej płytki drukowanej i rozwijania obwodów pracujących na wyższych częstotliwościach, może być kuszące, aby wybrać jak najgładszą możliwą miedź we wszystkich projektach, które tworzysz.

Chociaż prawdą jest, że szorstkość miedzi tworzy dodatkowe odchylenia impedancji i straty, jak gładka naprawdę musi być twoja folia miedziana? Czy istnieją inne proste metody, które możesz pokonać niektóre straty i nadal zakończyć trasowanie, którego potrzebujesz na swojej PCB? W tym artykule przyjrzymy się równowadze między stratami folii miedzianej a innymi rodzajami strat w PCB, a także niektórym strategiom, które są powszechnie stosowane do pokonywania szorstkości.

Typy folii miedzianej do stosowania w PCB

Zanim zastanowisz się, jaką folię miedzianą powinieneś szukać w swojej płytce, ważne jest, aby coś wiedzieć o folii miedzianej, która faktycznie jest dostępna do włączenia w stos PCB. Folie miedziane to nie coś, co zawsze możesz wybierać i dobierać do każdego materiału laminatu. Niektórzy producenci laminatów będą oferować wiele opcji, które łączą różne rodzaje folii miedzianych z ich zestawami materiałów, ale nie jest to regułą u każdego producenta laminatów czy materiału. Chyba że możesz nabyć materiały osobno i poddać je procesowi laminacji, będziesz musiał pracować w ramach zestawów materiałów, które możesz uzyskać od producenta laminatów lub dystrybutora.

Z tym na uwadze, oto różne rodzaje folii miedzianych, które znajdziesz w materiałach PCB:

Różne zakresy chropowatości mogą być decydującym czynnikiem przy wyborze rodzaju miedzi do przyjęcia w układzie warstw PCB, dlatego ważne jest, aby zbadać wymagane możliwości płyty i porównać je z dostępnymi opcjami miedzi i dielektryków. Jedną z rzeczy, którą zauważysz, jest to, że laminaty reklamowane dla PCB wysokiej częstotliwości będą miały opcję miedzi o niższym profilu, dzięki czemu można uzyskać korzyści z dielektryków o niskich stratach i gładkiej miedzi w jednym pakiecie. Jednak niektóre urządzenia pracujące na umiarkowanych (niskich GHz) częstotliwościach będą działać całkiem dobrze z materiałami standardowymi FR4-klasy epoksydowo-szklanych i rodzaj miedzi nie stworzy zauważalnej różnicy w wydajności. Upewnij się, że rozumiesz rodzaje miedzi wymienione w kartach danych laminatów, jeśli masz określony cel wydajności do osiągnięcia.

• Przeczytaj więcej, aby dowiedzieć się o różnych rodzajach miedzi w układach warstw PCB

Prądy wysokiej częstotliwości i folie miedziane

Na wyższych częstotliwościach efekt naskórkowy zmieni impedancję linii transmisyjnej, a wielkość zmiany impedancji spowodowanej efektem naskórkowym zależy od chropowatości miedzi. Interakcja wysokich częstotliwości z ścieżkami miedzianymi powoduje straty poprzez trzy główne mechanizmy:

• Impedancja w średnim zakresie częstotliwości będzie większa, a straty rezystancyjne będą większe
• Chropowatsza miedź ogranicza linie pola do mniejszej objętości, co zwiększa strumień pola elektrycznego, a tym samym straty dielektryczne
• Zwiększona impedancja tworzy niewielką nieciągłość impedancji, i jeśli nie zostanie dopasowana, zwiększy odbicia (S11)

Często nie analizujemy efektu naskórkowego na początkowym etapie, ale ważne jest, aby zauważyć, że spowoduje on odchylenia impedancji i straty, jeśli nie zostanie uwzględniony wcześnie. Typowe zakresy częstotliwości, na których zaczynasz zauważać chropowatość, to powyżej 10 GHz.

• Dowiedz się więcej o efekcie naskórkowym w liniach transmisyjnych

Budżet strat

Powiedziałbym, że pierwszym ważnym punktem przy wyborze rodzaju miedzi, którą użyjesz w swojej płytce PCB do wysokich częstotliwości, jest spojrzenie na budżet strat dla twojego najwyższego pasma częstotliwości lub interkonektów o największej przepustowości. Na przykład, na płytce PCB RF, komponenty, które muszą wysyłać i odbierać sygnał RF, będą miały dwie specyfikacje: moc wyjściową nadajnika i czułość odbiornika (lub podobne nazwy), obie opisane w mW lub w dBm. Jeśli znasz przybliżony rozmiar płytki lub długość połączenia, możesz uzyskać dość dobrą szacunkową wartość budżetu strat wzdłuż jednej z twoich linii RF:

Budżet Strat (dB) = [Moc Tx (dBm)] - [Czułość Rx (dBm)]

To będzie całkowita strata, którą możesz zaakceptować, chociaż dobrze jest zostawić kilka dB zapasu powyżej wartości czułości Rx. Podziel to przez długość interkonektu, a teraz wiesz, jaką stratę na długość możesz zaakceptować w swoich liniach.

• Zobacz, jak oszacować straty spowodowane chropowatością w twoim projekcie

W przypadku wysokich prędkości jest to bardziej skomplikowane, ponieważ sygnały nie mają mocy i strat skoncentrowanych na określonej częstotliwości. Możesz mieć wysokie straty przy wysokiej częstotliwości, ale dopóki straty w zakresie pasma odbiornika są niskie, sygnał może być odzyskany w twoim odbiorniku. Dlatego, podobnie jak w przypadku impedancji wejściowej, dobrym pomysłem jest wybór miedzi poprzez obliczenie strat na granicy pasma dla twoich cyfrowych sygnałów. Będzie to jedno z poniższych:

• Częstotliwość Nyquista odpowiadająca szybkości transmisji danych
• Częstotliwość oparta na wartości -10 dB w spektrum S11 dla twojego komponentu odbiorczego
• Wartość proporcjonalna do odwrotności czasu narastania (tak jak częstotliwość kolana, czyli 0,35/(czas narastania), lub 0,5/(czas narastania), co jest bardziej konserwatywnym oszacowaniem opartym na zjawisku Gibbsa)

W przypadku cyfrowych sygnałów wysokiej prędkości skupiamy się na 1. punkcie, podczas gdy w projektowaniu RF patrzymy na 2. punkt. 3. punkt nie powinien być używany jako cel projektowy przez profesjonalnych projektantów.

Gdy już poznasz częstotliwość, która jest ważna (czy to nośna dla płyt RF, czy limit pasma dla płyt cyfrowych), możesz przejść do szacowania strat i wyboru miedzi.

Ponieważ problem z chropowatością miedzi i stratami zależy od wymaganego pasma kanału potrzebnego do odczytu stanów logicznych z bitstreamu, znacznie lepiej jest najpierw symulować swój kanał, używając pomiarów parametrów S dla różnych wartości chropowatości miedzi i strat dielektrycznych. Daje to ci docelową wartość chropowatości, którą możesz zaakceptować dla swojej chropowatości miedzi, i możesz określić, czy jest zbyt duża chropowatość w twoim kanale.

To oznacza, że musisz:

1. Przejrzeć swoją specyfikację sygnalizacji i określić, jakie metryki SI musisz osiągnąć przy swoim limicie pasma
2. Przejrzeć szybkość transmisji danych i określić minimalne pasmo, którego potrzebuje twój kanał trasowania
3. Iterować przez kilka realistycznych wartości chropowatości, aż osiągniesz swoje cele SI (zazwyczaj straty S21) do znalezionego w punkcie #2 limitu pasma

Platformy takie jak Simbeor czy Ansys SIwave mogą być użyte do zebrania tych pomiarów parametrów S, i pokazałem kilka przykładów tych pomiarów w przeszłości.

Jako przykład, spójrzmy na wynik symulacji pokazany poniżej dla przykładowego kanału trasowania na Rogers 3003; zostało to obliczone w Simbeor. Stąd możemy jasno zobaczyć, jaka jest granica pasma kanału -10 dB w spektrum S11, oraz odpowiadającą jej stratę w spektrum S21. Dostosowując chropowatość miedzi i dostosowując szerokość linii, możemy dalej zoptymalizować kanał, aby zapewnić akceptowalne dopasowanie impedancji przy jednoczesnym zmniejszeniu strat do akceptowalnego limitu.

Proces wyboru laminatów i miedzi

Podczas dopasowywania miedzi i materiałów dielektrycznych, istnieje prosty proces, który można stosować, aby upewnić się, że osiągniesz swoje cele operacyjne.

1. Zaplanuj, gdzie chcesz poprowadzić połączenia wrażliwe na chropowatość (warstwa powierzchniowa vs warstwa wewnętrzna), będzie to wymagało trochę planowania rozmieszczenia głównych komponentów
2. Określ współczynnik strat, który możesz zaakceptować przy swojej częstotliwości pracy
3. Po znalezieniu zestawu materiałów, który spełnia warunek #2, przyjrzyj się dostępnym opcjom miedzi i wybierz odpowiednią chropowatość miedzi orazpowłokę powierzchniową dla twojego projektu
4. Upewnij się, że wybrana opcja miedzi w punkcie #3 jest dostępna w potrzebnej ciężarówce; cięższa miedź będzie miała mniejsze straty efektu naskórkowego

Wymieniłem krok #2 jako pierwszy, ponieważ przy częstotliwościach pracy, gdzie chropowatość jest ważna, to dielektryk nadal będzie dominować w stratach i będzie determinować inne aspekty układu PCB (liczba warstw/grubość itp.), które powinny być rozważone w pierwszej kolejności. Krok wyboru powłoki i miedzi powinien nastąpić później, w oparciu o dostępne materiały laminatu.

Aby w pełni określić wybór miedzi i projektowanie układu warstw dla producenta, użyj narzędzi projektowych w Altium Designer^®. Możesz określić profile impedancji i wymagania dotyczące trasowania wewnątrz menedżera układu warstw, jak również wskazać konkretne materiały do użycia w układzie warstw PCB podczas produkcji. Gdy zakończysz projektowanie swojej płytki PCB i będziesz gotowy, aby podzielić się swoimi projektami z współpracownikami lub producentem, możesz udostępnić swoje gotowe projekty za pośrednictwem platformy Altium 365^™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, znajdziesz w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.