Przegląd materiałów o wbudowanej pojemności

| Utworzono: listopad 9, 2022 | Zaktualizowano: wrzesień 2, 2024

Pojemność jest twoim przyjacielem, kiedy potrzebujesz stabilnej integralności zasilania, dlatego tak dużo uwagi poświęca się kondensatorom sprzęgającym. Chociaż te komponenty są ważne i mogą być używane do zapewnienia ukierunkowanych rozwiązań integralności zasilania dla pewnych komponentów, istnieje jeden specjalistyczny materiał używany do zwiększenia pojemności w twoim układzie PCB lub podłożu pakietu. Ten typ specjalistycznego materiału to materiał z wbudowaną pojemnością, czyli ECM.

Te laminaty mogą być włączone do układu PCB, aby zapewnić bardzo wysoką pojemność, która wspomaga integralność zasilania. Te materiały mogą również działać jako zamiennik dla grupy kondensatorów sprzęgających, jeśli jest to potrzebne. Ten artykuł przyjrzy się właściwemu użyciu tych materiałów, jak również ich właściwościom materiałowym, gdy są używane w pakietach podłoża IC i PCB.

Co to jest materiał z wbudowaną pojemnością?

Materiały z wbudowaną pojemnością to laminaty pokryte miedzią o bardzo cienkiej grubości warstwy i wysokim współczynniku dielektrycznym. Te materiały mają na celu oddzielenie warstwy zasilania od masy w układzie PCB, zapewniając tym samym pewną pojemność, która jest wbudowana w układ PCB. Materiały z wbudowaną pojemnością są zdefiniowane i opisane w standardzie IPC 4821 (Specyfikacja dla materiałów kondensatorów urządzeń pasywnych wbudowanych dla sztywnych i wielowarstwowych drukowanych płyt).

Te materiały zapewniają dwie podstawowe funkcje:

Zapewnienie wysokiej pojemności płaszczyzny w PDN poprzez ich wysoką wartość Dk i niską grubość
Zapewnienie tłumienia dla fal elektromagnetycznych poprzez ich umiarkowanie wysoki tangens kąta strat

Główną funkcją tych materiałów jest zapewnienie wyższej pojemności w PDN (co prowadzi do niższej impedancji PDN) oraz większego tłumienia dla oscylacji magistrali zasilającej (co prowadzi do mniej intensywnych rezonansów płaszczyzny zasilania/jamy przy częstotliwościach GHz) dzięki wyższemu tangensowi kąta strat materiału. Z perspektywy obwodu, te materiały zapewniają jednocześnie tłumienie i pojemność, ale z niską indukcyjnością rozprzestrzeniania, więc działają jak kondensator z kontrolowaną rezystancją szeregową (ESR).

Poprawa integralności zasilania

Przykład pokazujący efekty zastosowania ECM na integralność zasilania przedstawiono na poniższych danych impedancji PDN. Na tym wykresie możemy wyraźnie zobaczyć, że obecność cieńszego materiału ECM obniża impedancję PDN, jak można się było spodziewać. Cieńszy materiał o wysokim tangensie kąta strat również tłumi rezonanse PDN, co ilustrują mniejsze szczyty w pobliżu 1 GHz, co dokładnie odpowiada zakresowi częstotliwości, w którym opakowania układów scalonych wymagają szybkich odpowiedzi impulsowych w PDN.

embedded capacitance material power integrity — Dane pokazujące zmniejszoną impedancję PDN, gdy cieńszy ECM jest używany w układzie PCB. Możemy bardzo wyraźnie zobaczyć, że rezonansowe zachowanie w pobliżu 1 GHz jest znacznie zmniejszone dzięki zastosowaniu cieńszego materiału ECM.. [Źródło: DuPont]

Wynik opisany powyżej występuje, ponieważ cieńszy ECM zapewnia większą pojemność, ale nie zapewnia większej indukcyjności. Dodatkowo, dodatkowe tłumienie w ECM powoduje niższe rezonansowe szczyty o niskim współczynniku Q. Razem, te efekty obniżają ogólną impedancję PDN i zmniejszają wartość Q wysokoczęstotliwościowych rezonansów.

Poprawiona integralność sygnału

Poprawa integralności zasilania prowadzi również do poprawy integralności sygnału, co pokazują dane diagramu oka poniżej. Na tym wykresie widać, że diagram oka wykazuje znaczne jittery, nawet gdy używamy cienkiego laminatu FR4 jako parę płyt zasilania/masy i 100 kondensatorów SMD do wsparcia niskiej impedancji PDN. Dzieje się tak, ponieważ ripple na PDN będzie również powodować zmiany w poziomie sygnału, gdy obwód bufora wyjściowego przełącza stany logiczne. Rezultatem jest zmiana czasowania sygnału wyjściowego, co pojawia się jako jitter na diagramie oka.

Wykres po prawej stronie pokazuje diagram oka z ECM i bez kondensatorów SMD na płytce testowej. Rezultatem jest około dwukrotne zmniejszenie jittera i większe otwarcie oka. Jest to wyraźna poprawa integralności sygnału i wynika całkowicie z redukcji ripple na magistrali zasilającej.

Przeczytaj więcej o związku między ripple magistrali zasilającej a integralnością sygnału.

Powyższe czynniki ilustrują dobrze znany związek między SI (Signal Integrity) a PI (Power Integrity). Dochodzi również do redukcji promieniowanego EMI (Electromagnetic Interference), mierzonego od krawędzi PCB, gdy używane są materiały ECM (Embedded Capacitance Material). Wynika to z faktu, że promieniowanie generowane przez ripple szyny zasilającej doświadcza większego tłumienia dielektrycznego podczas podróży do krawędzi płyty, przez co opuszcza płytę z mniejszym natężeniem.

Gdzie używać ECM

Nie wszystkie PCB będą potrzebować użycia ECM do zapewnienia integralności zasilania. W niektórych przypadkach poziom pojemności dostarczany przez ECM jest nadmierny, i będziesz w stanie zapewnić wystarczającą pojemność w swojej sieci PDN (Power Distribution Network) za pomocą standardowych materiałów laminatowych i małych kondensatorów. W niektórych projektach bardzo cienki ECM jest jednym z niewielu rozwiązań, które zapewnią wymaganą pojemność potrzebną do integralności zasilania. Niektóre typowe przypadki, w których ECM są używane w PCB, obejmują:

Małe płytki obsługujące wiele sygnałów o wysokiej prędkości (urządzenia mobilne, tablety itp.)
Płytki o niskiej liczbie warstw z wieloma magistralami o wysokiej prędkości (zaawansowane produkty IoT i czujniki mmWave)
Bardzo gęste, umiarkowanie małe płytki, które nie mają miejsca na dyskretne kondensatory (starsze telefony, nowsze karty rozszerzeń, małe płyty główne)

Płytki o niższej liczbie warstw (6-10 warstw) będą zwykle używać ECM w centralnej warstwie pomiędzy dedykowaną warstwą zasilania a płaszczyzną masy. W płytkach o wyższej liczbie warstw (do możliwie 24 lub 32 warstw), przydział par warstw może się różnić, ale bardzo cienka warstwa będzie potrzebna, aby zapewnić wystarczającą pojemność do obsługi SI/PI dla wszystkich sygnałów w urządzeniu. Ta sama strategia jest stosowana dla podłoży IC.

Właściwości ECM PCB

Poniżej przedstawiono listę możliwych właściwości materiałów ECM do stosowania w PCB. Materiały te są dostępne jako materiały sztywne (np. FaradFlex i 3M) lub mogą być włączane na elastyczne materiały poliimidowe (np. od DuPont). Są zaprojektowane, aby być włączane do standardowego procesu laminowania przy budowie stosu PCB.

Opcje materiałów	Materiały o wbudowanej pojemności	Typowa wartość dla FR4
Dk	Tak niskie jak 3,5 i tak wysokie jak 30	~4 (prepreg) do ~4,8 (rdzeń)
Tangens strat	Około 0,015 przy 1 MHz, do 0,01 lub 0,02 przy 1 GHz	Około 0,02 @ 1 GHz
Grubość laminatu	Tak niskie jak 0,3 mil	Tak niskie jak 2 mil z otwartymi splotami szklanymi (np. od Isola)
Wartość Tg	Wartości zbliżone do FR4	~130 °C, materiały o wysokim Tg do ~180 °C
Wartość CTE (ppm/°C)	20 do 30	14 (płaszczyzna xy), do 70 (oś z)
Masy miedzi	0,5 do 2 oz./sq. ft.	0,5 do 2 oz./sq. ft.
Typ miedzi	Elektrolityczna lub walcowana i wyżarzana	Elektrolityczna, walcowana i wyżarzana, lub odwrócona obróbka

Pakowanie i moduły ECM

ECM są również promowane do użycia w opakowaniach substratów IC. Pakiety te polegają na umieszczeniu półprzewodnikowego kryształu na organicznym substracie, możliwie siedzącym na interposerze, aby zapewnić dodatkową łączność między kryształami półprzewodnikowymi, substratem pakietu, a ostatecznie PCB. Materiał substratu następnie rozprowadza te połączenia miedziane do wzoru BGA pakietu na dolnej stronie opakowania.

Dla pakietów i modułów grubość warstwy jest również znacznie cieńsza niż typowa laminat FR4, ale z docelową wartością Dk, która jest znacznie wyższa niż materiały używane w substracie PCB.

Opcje materiałów	Materiały z wbudowaną pojemnością
Dk	Jak nisko jak 7 i jak wysoko jak 30
Tangens stratności	Okolo 0.002 przy 1 MHz, do 0.025 przy 1 GHz
Grubość laminatu	Jak nisko jak 0.3 mil
Wartość Tg	130 do 220 °C
Wartość CTE (ppm/°C)	17 do 60
Masy miedzi	0.5 do 2 oz./sq. ft.
Typ miedzi	Elektroosadzana lub walcowana i wyżarzana

Ważne jest, aby zauważyć, że ECM, który jest reklamowany dla PCB, może być również używany w substracie IC, ale niekoniecznie będzie tak samo efektywny. Należy zauważyć, że niektóre materiały ECM są reklamowane specjalnie dla PCB lub IC (na przykład FaradFlex). W przeciwieństwie do tego, niektóre linie produktów ECM (takie jak 3M) są reklamowane do użytku zarówno w PCB, jak i IC.

Ogólnie rzecz biorąc, ECMy do użytku w opakowaniach IC mają następujące wymagania:

Preferowana jest wyższa wartość Dk
Preferowany jest wyższy tg δ
Preferowana jest cieńsza grubość warstwy
Wartość Tg jest mniej ważna

Wyższa wartość Dk jest wymagana, ponieważ chcielibyśmy mieć większą gęstość pojemności płaszczyzny (mierzoną w pojemności/(powierzchnia substratu)). Wartość Tg jest mniej ważna, ponieważ wartości Tg dla materiałów ECM są już dobrze powyżej limitów temperatur dla IC. Wyższy tg δ w ECM (zarówno dla PCB, jak i dla substratów IC) jest ważny do kontroli ripple i zostanie omówiony bardziej szczegółowo w jednej z poniższych sekcji.

Aby zapewnić taką samą pojemność, jak w przypadku ECM o niższym Dk w PCB, ECM używany w podłożu układu scalonego musiałby mieć znacznie wyższy Dk, ponieważ rozmiar podłoża obudowy będzie mniejszy. Daje to podłożu układu scalonego wystarczającą pojemność obudowy, która wspomaga integralność zasilania na chipie w zakresie GHz, szczególnie gdy obudowa nie ma miejsca na kondensatory chipowe i jest mało pojemności na chipie. Ponieważ PCB zwykle mają większą powierzchnię, mogą sobie pozwolić na niższą wartość Dk, jeśli jest to potrzebne.

Warstwy ECM w Twoich Narzędziach CAD

Włączenie ECM do stosu PCB w twoich narzędziach CAD jest proste. Wystarczy zdefiniować właściwości materiału i grubość w stosie PCB, tak jak zrobiłbyś to z dowolnym innym materiałem. Jeśli planujesz użyć swojej płytki w symulacji solvera polowego, takiej jak dla integralności zasilania lub sygnału, wtedy będziesz musiał uwzględnić właściwości dielektryczne w definicji stosu warstw, aby mogły być one uwzględnione w modelu symulacji.

Jest również dobrym pomysłem, aby określić wybór materiału w swoim układzie warstw PCB na rysunku wykonawczym oraz w notatce produkcyjnej. Kiedy tworzysz rysunek układu warstw w swoim rysunku wykonawczym, upewnij się, że warstwa ECM jest obecna i że nie zostanie ona pomyłkowo uznana za materiał klasy FR4 lub jakiś inny materiał. Jeśli używasz Draftsman, możesz automatycznie wygenerować rysunek swojego układu warstw i szybko umieścić go w swoim rysunku wykonawczym.

Upewnij się również, że Twoja specyfikacja ECM jest wymieniona w Twoich notatkach produkcyjnych. Zgodność z normami IPC Twojego ECM, grubość, masa miedzi, para warstw, numer części dystrybutora (jeśli dostępny) oraz nazwa marki powinny być wszystkie określone w notatce produkcyjnej. Poniżej przedstawiono przykład.

embedded capacitance material fabrication note — *Przykładowa notatka dotycząca produkcji, w której wskazano użycie ECM w układzie PCB.*

W miarę jak elektronika nadal przesuwa granice gęstości funkcji i gęstości komponentów, ECM będą coraz ważniejsze dla zapewnienia wystarczającego sprzęgania, gdy przestrzeń na dyskretne kondensatory jest ograniczona. Podobnie, dla obudów układów scalonych zawierających wiele kości w technologii 2.5D i 3D, potrzebne jest wystarczające sprzęganie, aby zapewnić integralność zasilania w obudowie, gdy pojemność na kości jest niska. Aby dowiedzieć się więcej o użyciu tych materiałów w PCB i pakietach substratów, zachęcam czytelników do zapoznania się z następującymi zasobami.

Kiedykolwiek potrzebujesz określić materiały w układzie warstw dla zaawansowanych cyfrowych PCB wysokiej prędkości i pakietów układów scalonych, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania produktów w Altium Designer®. Menadżer Stosu Warstw daje pełną kontrolę nad układem twojego PCB, w tym wybór materiałów i obliczenia impedancji. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.

What is High Speed Design? Intro to High-Speed Design (Webinar) Key Elements of High-Speed PCB Design High Speed PCB Layout Transmission Lines and Terminations High-Speed PCB Design PCB Layout & High Speed Design using Altium Designer

About Author

Zachariah Peterson ma bogate doświadczenie techniczne w środowisku akademickim i przemysłowym. Obecnie prowadzi badania, projekty oraz usługi marketingowe dla firm z branży elektronicznej. Przed rozpoczęciem pracy w przemyśle PCB wykładał na Portland State University i prowadził badania nad teorią laserów losowych, materiałami i stabilnością. Jego doświadczenie w badaniach naukowych obejmuje tematy związane z laserami nanocząsteczkowymi, elektroniczne i optoelektroniczne urządzenia półprzewodnikowe, czujniki środowiskowe i stochastykę. Jego prace zostały opublikowane w kilkunastu recenzowanych czasopismach i materiałach konferencyjnych. Napisał ponad 2000 artykułów technicznych na temat projektowania PCB dla wielu firm. Jest członkiem IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society oraz Printed Circuit Engineering Association (PCEA). Wcześniej był członkiem z prawem głosu w Technicznym Komitecie Doradczym INCITS Quantum Computing pracującym nad technicznymi standardami elektroniki kwantowej, a obecnie jest członkiem grupy roboczej IEEE P3186 zajmującej się interfejsem reprezentującym sygnały fotoniczne przy użyciu symulatorów obwodów klasy SPICE.