Mikropaskowa płytka PCB - odstęp od masy, część 2: Jak odstęp wpływa na straty

W poprzednim artykule przedstawiłem dyskusję oraz wyniki symulacji dotyczące koniecznej odległości między kontrolowanymi ścieżkami impedancji a pobliskim uziemionym polem miedzi. Co odkryliśmy, to fakt, że gdy odstęp między polem a ścieżką staje się zbyt mały, ścieżka staje się kontrolowanym falowodem kopolarnym z uziemieniem lub bez. Zobaczyliśmy również, że reguła 3W dotycząca odstępu między ścieżką a uziemionym polem miedzi jest nieco zbyt konserwatywna.

W zasadzie, jeśli twoim celem jest osiągnięcie docelowej impedancji i martwisz się, jak pobliskie pole może wpłynąć na impedancję, możesz zbliżyć się bardziej niż ograniczenia określone przez regułę 3W. Jednak dokładny limit odległości, który możesz zastosować, zależy od grubości dielektryka; grubsze podłoża pozwalają na mniejszy stosunek odległości do szerokości, wszystkie te przypadki wygodnie naruszały regułę 3W dla praktycznych grubości laminatów badanych w niektórych symulacjach.

Chociaż skupiliśmy się na impedancji w poprzednim artykule, słusznie można by zapytać, jakie są efekty na straty? Jeśli powód tego pytania nie jest oczywisty, lub jeśli nie jesteś na bieżąco z drobniejszymi szczegółami projektowania linii transmisyjnych, to czytaj dalej, aby zobaczyć, jak pobliskie pole uziemienia może wpływać na straty w kontrolowanych połączeniach impedancyjnych.

Dlaczego masa w pobliżu ścieżki wpływa na straty?

To rozsądne pytanie, które dotyczy sposobu, w jaki pobliski przewodnik może modyfikować rozkład pola elektromagnetycznego wokół ścieżki przenoszącej pewien stały ładunek lub gęstość prądu. Aby zobaczyć, jak straty mogą powstać, gdy uziemiony obszar miedzi jest umieszczony w pobliżu mikropaska lub linii paskowej, spójrzmy na pole elektryczne.

Na poniższym obrazku narysowałem przybliżony szkic pola elektrycznego wokół mikropaska. Gdy w pobliżu ścieżki, na tej samej warstwie, znajduje się uziemiony obszar miedzi, niektóre linie pola elektrycznego kończą się na krawędzi przewodnika.

Ponieważ masa przyciąga linie pola w kierunku regionu uziemienia, pole elektromagnetyczne jest silnie skoncentrowane w regionie pomiędzy ścieżką a pobliskim obszarem miedzi. Możesz się zastanawiać, jak to prowadzi do większych strat?

Skórkowy efekt i prąd obrazu

Teraz czas na krótką lekcję z elektromagnetyzmu... Gdy sygnał przemieszcza się wzdłuż ścieżki, związana z nim gęstość prądu skupia się wokół krawędzi ścieżki, która kieruje sygnałem. Jednak typowy obraz, którego wszyscy uczymy się na zajęciach z elektromagnetyzmu, ma zastosowanie tylko wtedy, gdy rozważamy nieskończenie długi przewód, izolowany od wszelkich innych mediów, w tym od innych pobliskich przewodników. Rzeczywistość jest taka, że gdy przewodnik jest umieszczony blisko ścieżki, prąd gromadzi się wokół obszarów ścieżki, gdzie pole elektryczne zorientowane ortogonalnie jest najintensywniejsze, czyli wzdłuż bocznych krawędzi ścieżki.

W moich ostatnich prezentacjach na niektórych konferencjach, a także w prezentacjach, które widziałem od wielu innych badaczy, przedstawiane są obliczenia analityczne dotyczące efektu skórnego, ignorując prąd obrazowy w pobliskich płaszczyznach masy i miedzianych wylewkach. Jest to w dużej mierze uproszczenie dla ułatwienia obliczeń i dla zwięzłości podczas prezentacji. Obliczenie tego szczególnego rozkładu dla każdej konfiguracji ścieżek zasługuje na osobny artykuł w takich czasopismach jak IEEE czy JPIER. Jednak jest to główna kwestia do zrozumienia roli pojemności sprzęgającej i jej wpływu na straty.

Aby przeczytać więcej o tworzeniu prądu obrazowego w przewodniku i jak wpływa to na zniekształcenie efektu skórnego, zapoznaj się z tym artykułem opublikowanym w IEEE:

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "Modelowanie efektu skórnego technikami płaszczyzny obrazu dla emisji promieniowanej z ścieżek PCB." W IEEE 1997, EMC, styl Austin. Międzynarodowe Sympozjum Kompatybilności Elektromagnetycznej IEEE 1997. Zapis sympozjum (Nr kat. 97CH36113), s. 308-313. IEEE, 1997.

Ponieważ prąd zbiera się przy krawędzi ścieżki, zwiększa to siłę interakcji między prądem a szorstką ścianą miedzianej ścieżki. Pamiętaj, szorstkość miedzi zwiększa wielkość efektu skórnego i tworzy dodatkową impedancję stratną. Aby zobaczyć, co dzieje się w tej interakcji, musimy zrozumieć, jak materiały do platerowania miedzi wpływają na straty.

Systemy cyfrowe vs. systemy RF

W tym momencie ważne jest, aby odróżnić systemy cyfrowe od płyt RF ze względu na sposób, w jaki są traktowane maski lutownicze i platerowanie. W płycie cyfrowej zazwyczaj pozostawiamy maskę lutowniczą nałożoną wszędzie i skupiamy się na zgodności kanału poza minimalnym wymaganym pasmem cyfrowym. Dla systemów RF bardzo często usuwa się maskę lutowniczą, więc linie transmisyjne obsługujące sygnały RF będą miały pewne platerowanie nałożone na zewnątrz.

• Cyfrowe - Nie widziałem kompleksowego badania pokazującego, jak pobliski wylew miedzi wpływa na straty wywołane przez maskę lutowniczą. Moim zdaniem, jeśli jest maska lutownicza, pole elektromagnetyczne będzie z nią oddziaływać niezależnie i odchylenie w stratach może być minimalne w obu przypadkach. Każdy, kto ma jakieś spostrzeżenia, powinien znaleźć mnie na LinkedIn i wysłać mi wiadomość.
• RF - W tym przypadku, redystrybucja prądu w regionie powlekania zdecydowanie powoduje zmianę strat wzdłuż połączenia. Dlatego powlekanie może stać się nowym czynnikiem określającym straty ze względu na jego wpływ na chropowatość, jak omówiono poniżej.

Załóżmy, że usunąłeś maskę lutowniczą z ścieżek w swoim systemie cyfrowym; nadal musisz wziąć pod uwagę strukturę filmu powlekania i jego chropowatość, aby zrozumieć, jak pobliski wylew miedzi wpływa na straty.

Dla PCB RF: Unikaj powlekania na bazie niklu, preferuj srebro

John Coonrod dostarczył doskonałych danych, które pokazują efekty stosowania powłoki ENIG przy coraz wyższych częstotliwościach w prowadnicy koplanarnej uziemionej (bardzo podobnej do mikropaska koplanarnego z uziemieniem) oraz w pojedynczym mikropasku bez dodatkowego miedzianego zalania. Zachęcam czytelników do obejrzenia jednego z jego filmów na YouTube pod tym linkiem. Bardziej szczegółową ocenę można znaleźć w tym filmie. Krótko mówiąc, dane Johna wskazują na dwa wnioski:

• Przejście na układ koplanarny może spowodować większe straty, gdy uziemienie koplanarne jest blisko, co wymusza cieńszy mikropasek (większe straty z efektu naskórkowego).
• Powłoka ENIG zawsze powoduje większe całkowite straty w układzie koplanarnym w porównaniu z prostym mikropaskiem.

Można by zatem oczekiwać podobnych wyników dla linii paskowych.

Poniższy obrazek pokazuje ważny wykres z filmu, do którego link znajduje się powyżej. Zasadniczo, ze względu na połączenie powłoki między miedzią a niklem, chropowatość napotykana przez prąd propagujący jest znacznie większa w prowadnicy koplanarnej niż w mikropasku. Tymczasem dla gołej miedzi widzimy bardzo podobne straty w obu liniach transmisyjnych. Poniżej kilku GHz, wydaje się, że nie ma różnicy między stratami w każdym typie linii transmisyjnej.

Czy powinieneś używać uziemionego zalania miedzią w pobliżu swoich połączeń, czy lepiej go pominąć? Oczywiście, jest więcej czynników do rozważenia niż tylko ekranowanie, impedancja i straty. Transport cieplny jest również wymieniany jako jeden z powodów, dla których warto umieścić zalanie miedzi wokół PCB. Jeśli chcesz użyć zalania miedzi wokół ścieżek o wysokiej prędkości i kontrolowanej impedancji, upewnij się, że przetestujesz swoje połączenia za pomocą podstawowych pomiarów (TDR lub parametry S). Powyższe wyniki powinny zilustrować, dlaczego powłoka zanurzeniowa ze srebra jest często wybierana jako powłoka dla połączeń o wysokiej częstotliwości/wysokiej prędkości z kontrolowaną impedancją, a nie ENIG.

Podsumowanie

Aby być sprawiedliwym, istnieją pewne wady nieodróżniającego wypełniania warstw sygnałowych miedzią, które tutaj zauważyliśmy. Kella Knack również zauważa kilka wad wylewki miedzianej w innym artykule; nie zgodziłbym się z sugestią, że używanie wylewki miedzianej to zła praktyka projektowa i nigdy nie powinno być stosowane, ale powinieneś rozważyć wady dla swojego konkretnego projektu i upewnić się, że testujesz prototypy oparte na tych przypuszczalnych wadach. Stosowanie wylewki miedzianej może być właściwe lub niewłaściwe, a jego użycie czasami jest przedstawiane jako jeden z tych wyborów typu „zawsze” lub „nigdy”; obie strony prawdopodobnie wyrwają wybory projektowe innych z kontekstu. W każdym razie, potrzebujesz wylewki miedzianej do definiowania elementów PCB w nowoczesnych projektach RF, które zapewniają ekranowanie, zintegrowane z podłożem przewodniki falowe oraz przewodniki falowe koplanarne z kontrolowaną impedancją. Upewnij się, że używasz jej mądrze i stosuj odpowiednie powłoki, jeśli straty będą problematyczne.

Określenie odpowiedniego odstępu dla masy mikropaska zaczyna się od najlepszych narzędzi do projektowania układu PCB. Kiedy używasz Altium Designer®, możesz łatwo określić szerokość ścieżki i odstępy wymagane do zapewnienia kontrolowanego impedancji trasowania na płytach, które używają uziemionego pola miedzi w układzie PCB. Gdy zakończysz projektowanie i chcesz wysłać pliki do swojego producenta, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.