Odstęp od masy w mikropasku: Jak blisko jest za blisko?

Jeśli przyjrzysz się jakimkolwiek wytycznym dotyczącym wymiarowania i obliczania szerokości ścieżek o kontrolowanej impedancji, jasno zobaczysz, że szerokość ścieżki jest obliczana bez żadnego uziemienia w pobliżu ścieżki. Jednak większość projektantów (i podstawowe wytyczne dotyczące układu PCB) stwierdzi, że nieużywane obszary na każdej warstwie PCB powinny być wypełnione uziemionym wylewem miedzi.

Istnieje tu oczywista sprzeczność, która nie jest zbyt dobrze omawiana w społeczności projektantów PCB. Jeśli umieścisz wylew uziemienia w pobliżu ścieżki mikropaska, utworzysz układ falowodu koplanarnego, a teraz impedancja połączenia będzie zależeć od odległości między krawędzią ścieżki a wylewem miedzi. Więc teraz pytanie brzmi, jak dużo miejsca między ścieżką mikropaska a płaszczyzną uziemienia potrzebujesz, aby mieć pewność, że osiągnąłeś swoje cele impedancyjne?

W tym artykule chciałbym przyjrzeć się bliżej temu pytaniu. Poprzednie wyjaśnienia skupiały się na zakresie możliwych impedancji, ignorując praktyczne wymagania projektowe we współczesnych komponentach. Jeśli chcesz wiedzieć, jakie minimalne odstępy między ścieżką mikropaska a masą są potrzebne, aby zapewnić kontrolowaną impedancję, czytaj dalej, a znajdziesz dobrą odpowiedź dla różnych możliwych szerokości ścieżek. Wyniki eksploracji projektu, które pokażę, ujawniają, że to samo wyjaśnienie ma zastosowanie również do linii paskowych na wewnętrznej warstwie.

Proces projektowania z kontrolowaną impedancją

Na płytach wymagających trasowania z kontrolowaną impedancją, istnieje szczególny proces projektowy, który zazwyczaj obserwuje się dla określonej sieci/grupy sieci na początku projektowania:

• Określenie docelowej impedancji dla rozważanych sieci
• Określenie stosu warstw, którego będziesz używać i gdzie będziesz prowadzić trasowanie
• Wybór stylu trasowania (mikropasek, linia paskowa, falowód współpłaszczyznowy, jednostronny vs różnicowy)
• Obliczenie szerokości ścieżki potrzebnej do uzyskania wymaganej impedancji

Po zakończeniu trasowania pojawia się pytanie, czy odpowiednie jest wypełnienie nieużywanych obszarów powierzchniowych i wewnętrznych warstw miedzią uziemioną. Jednak teraz pojawia się kwestia, czy uziemienie jest zbyt blisko ścieżki. Poniższy obraz przedstawia przykład ścieżki RF pracującej na wysokiej częstotliwości (5,8 GHz), która następnie będzie funkcjonować jako linia zasilająca do anteny.

Przykład powyżej jest dość ważny, ponieważ wiele not aplikacyjnych dla komponentów z wyjściami RF będzie zalecać dokładnie ten typ trasowania, możliwie z ogrodzeniem z via wzdłuż ścieżki. Intencją tutaj jest izolacja ścieżki RF od EMI, które może pochodzić z innych części układu, lub z jakiegoś zewnętrznego źródła. Jednak te same noty aplikacyjne zazwyczaj podają zbyt konserwatywne wytyczne dotyczące odległości między ścieżką RF a pobliskim uziemieniem z miedzi. Więc jak blisko ziemi możesz umieścić swoją ścieżkę o kontrolowanej impedancji?

Czy to jest linia transmisyjna mikropaskowa czy falowód współpłaszczyznowy?

Na chwilę obecną chcę skupić się na mikropaskach jednostronnych, ponieważ są one koncepcyjnie proste, ale wszystko, co zaraz napiszę, ma równie zastosowanie do linii paskowych. Te same pomysły dotyczą również trasowania par różnicowych.

Jeśli warstwy powierzchniowe uziemienia w powyższym obrazie są zbyt blisko ścieżki, wówczas mamy do czynienia z falowodem kopolarnym, a nie z mikropaskiem. Teoretycznie, gdy warstwy powierzchniowe uziemienia znajdują się w nieskończonej odległości od ścieżki, wtedy wracamy do mikropaska. Jeśli zbliżysz odstęp płaszczyzny uziemienia zbyt blisko do ścieżki, zmienisz impedancję mikropaska z powodu pojemności pasożytniczej między krawędzią ścieżki a uziemieniem. Dlatego jednostronne linie transmisyjne mikropaska i jednostronne falowody kopolarnie nie zawsze mają tę samą szerokość ścieżki; falowód kopolarny generalnie wymaga mniejszej szerokości, aby mieć tę samą impedancję co mikropasek na tym samym układzie warstw.

Z powyższego możemy zobaczyć, dlaczego ścieżki falowodu kopolarnego mogą potrzebować być mniejsze niż mikropasek na tej samej warstwie i układzie warstw. Pojemność pasożytnicza zwiększa całkowitą pojemność na jednostkę długości ścieżki, więc L musi być zwiększone, aby to skompensować, co przywraca impedancję do 50 omów. W następnej sekcji, wykorzystam tę ideę do testowania, kiedy uziemienie jest zbyt blisko ścieżki, patrząc na odchylenie impedancji od celu 50 omów jako funkcję odległości uziemienia.

Testowanie zasady "3W"

Istnieje pewna ogólna zasada, znana jako zasada "3W", która mówi, że odległość między ścieżką a pobliskim polem masy powinna wynosić co najmniej 3x szerokość ścieżki. Jak zobaczymy za chwilę, ta wytyczna jest zbyt konserwatywna i nie uwzględnia wielu czynników. W rzeczywistości minimalna wymagana odległość będzie zależała od:

• Stylu trasowania (mikropasek vs. linia zatopiona)
• Czy stosuje się trasowanie pojedyncze czy różnicowe
• Stałej dielektrycznej substratu
• Odległości między ścieżką a jej płaszczyzną masy na następnej warstwie

Skoro analizujemy sytuację, w której musisz określić wymaganą szerokość ścieżki dla kontrolowanej impedancji, zamierzam przetestować zasadę 3W, porównując wymaganą szerokość ścieżki do wytworzenia mikropaska o impedancji 50 omów z falowodem koplanarnym o tej samej impedancji. Zrobię to dla różnych grubości warstw, abyśmy mogli zobaczyć, jak metoda określania wewnętrznych parametrów linii transmisyjnych wpływa na wymaganą odległość od płaszczyzny masy. Tutaj celem jest określenie minimalnej odległości potrzebnej do wytworzenia falowodu koplanarnego o tej samej impedancji i szerokości ścieżki co mikropasek.

Wyniki

Najpierw wygenerowałem zestaw krzywych pokazujących szerokość mikropaska, szerokość linii paskowej i szerokości współpłaszczyznowe (warstwy wewnętrzne i powierzchniowe) wymagane do uzyskania impedancji 50 omów na laminacie Isola 370HR (Dk ~ 4.1, ~0.02 tg δ przy 1 GHz). Te obliczenia zostały wykonane w Polar. Poniższy obraz pokazuje te wyniki i pozwala porównać szerokości ścieżek dla każdego typu ścieżki przy określonym odstępie ścieżki od masy wynoszącym 5 mil.

Stąd możemy zobaczyć, że istnieją specyficzne układy warstw, gdzie CPW oraz mikropasek/linia paskowa będą miały impedancję 50 omów i tę samą szerokość ścieżki, mimo że odległość od masy do ścieżki w CPW jest dość bliska.

Kolejny wykres bada to dalej. Pokazuje minimalne odstępy ścieżki od masy wymagane do uzyskania impedancji 50 omów dla mikropaska i falowodu współpłaszczyznowego o tej samej szerokości ścieżki. Wyniki są również pokazane dla linii paskowej i falowodu współpłaszczyznowego na warstwie wewnętrznej.

Interpretacja powyższego wykresu jest bardzo prosta: pokazuje on minimalną odległość ścieżki od masy w CPW, wymaganą do wytworzenia takiej samej impedancji, jak w mikropasku/linii paskowej, gdy oba mają tę samą szerokość ścieżki. Stąd możemy w końcu wygenerować nasz test reguły 3W. Wystarczy podzielić dane z osi y przez dane z osi x, aby uzyskać następujący wykres:

Jest całkiem jasne, że reguła 3W jest zbyt konserwatywna, z wyjątkiem przypadków z trasowaniem linii paskowej w cienkich dielektrykach. Możesz jej przestrzegać, jeśli chcesz, ponieważ zapobiegnie to nadmiernemu zakłóceniu twojej impedancji. Jednak ta odległość może nie zapewnić potrzebnej izolacji. Jest to jeden z obszarów, który można przetestować za pomocą rozwiązania polowego, analizując sprzężone parametry sieci oraz współczynniki przeplotu między różnymi połączeniami.

Powyższe wyniki pokazują przypadek, gdy laminaty wspierające mikropasek lub symetryczną linię paskową mają Dk = 4.1. Co się stanie, jeśli zamiast tego użyjemy laminatu o niższym Dk? Czy to wpłynie na wyniki.

Rzeczywiście, wyniki są zmienione, ponieważ pojemność zwrotna do pobliskiego wylewki miedzianego będzie niższa. Wynika to z faktu, że pojemność pasożytnicza między ścieżką a pobliskim wylewem jest proporcjonalna do stałej dielektrycznej zarówno w konfiguracjach stripline, jak i microstrip. Dlatego niższa pojemność pasożytnicza między tymi strukturami oznaczałaby, że powinniśmy spodziewać się mniejszego odchylenia impedancji dla danej odległości ścieżki od wylewki.

Poniższy wykres pokazuje więcej wyników symulacji dla stosunku odległości do szerokości, ale na materiale o Dk = 3 (takim jak RO3003). Możemy zobaczyć, że mniejszy stosunek odległości do szerokości jest dozwolony w pobliżu wylewki miedzianego, w tym w przypadku bardzo cienkich laminatów. Wyniki te wspierają pewne projekty, takie jak systemy RF na cienkich laminatach, jak również projekty HDI z drobnym rozstawem.

Podejście, które tutaj przyjąłem, polega na bezpośrednim obliczaniu spodziewanych pojemności do nieskończenie dużego wylewki miedzianego w innym artykule na temat ekstrakcji pasożytniczej. Aby dowiedzieć się więcej o wpływie wylewki miedzianego w pobliżu linii transmisyjnych, które wymagają spełnienia specyfikacji impedancji, obejrzyj poniższy film. W tym wideo opisuję powyższe punkty z dużo większymi szczegółami, a

Podsumowanie

Z powyższych wyników powinno być bardzo jasne, że reguła 3W używana do określenia odstępu między mikropaskiem a pobliskim nalaniem masy jest zbyt konserwatywna. Należy zauważyć, że powyższe grubości dielektryka to praktyczne wartości, które można znaleźć w układzie 4-warstwowym lub grubszym, w zależności od laminatu użytego do konstrukcji stosu. Możemy również zauważyć, że przy danej odległości do odstępu od płaszczyzny masy, można mieć znacznie mniejszy odstęp z mikropaskiem, podczas gdy linia paskowa wymaga znacznie większego odstępu w cieńszych dielektrykach. Ostatecznie, gdy dielektryk stanie się wystarczająco gruby, te dwie krzywe zbiegną się ze sobą.

Przeczytaj Mikropasek Odległość od Masy Część 2: Jak Odległość Wpływa na Stratności

Określenie odpowiedniego odstępu dla odległości mikropaska od płaszczyzny masy zaczyna się od najlepszych narzędzi do projektowania układu PCB. Kiedy używasz Altium Designer®, możesz łatwo określić szerokość ścieżki i odstęp wymagany do zapewnienia kontrolowanego impedancji trasowania na płytach, które używają uziemionego nalania miedzi w układzie PCB.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.