Odzyskaj straty przewodnika poprzez oczyszczenie warstwy masy Twojej płytki PCB

Projektowanie trasowania z kontrolowaną impedancją przy wysokich częstotliwościach jest wystarczająco trudne, a ważne jest, aby upewnić się, że pozostajesz w ramach swojego budżetu strat na długich trasach lub w mediach o dużych stratach. Kiedy musisz poprowadzić długą ścieżkę lub długą parę różnicową do złącza lub innego komponentu, co możesz zrobić, jeśli zbliżasz się do końca swojego budżetu strat?

Większość projektantów powie ci, aby po prostu użyć alternatywnego materiału o niskich stratach/RF, który ma mniejszy współczynnik stratności, kiedy straty na szybkich/wysokoczęstotliwościowych połączeniach są nadmierne. Co jeszcze możesz zrobić, jeśli straty są problemem na tych długich połączeniach?

Jest jeden trik, którego możesz użyć z liniami mikropaskowymi, implementowany przez projektantów sprzętu/telefonów komórkowych 5G. Jest to technika, która została mi opisana jako trasowanie z pominięciem warstw referencyjnych, lub po prostu trasowanie z pominięciem. Nazwa odnosi się do pomijania warstw referencyjnych na końcu obciążenia interkonektu, co zmienia rozkład pola wokół ścieżki mikropaskowej i redukuje całkowite straty. W tym artykule przyjrzymy się tej metodzie trasowania i wyjaśnimy, jak może ona pomóc odzyskać część budżetu strat w straconym interkonekcie.

Co to jest Skip Routing?

Skip routing polega na usunięciu części warstwy masy PCB w warstwie odniesienia dla linii transmisyjnej mikropaska na końcu obciążenia trasy. Gdy sygnał dostanie się do regionu z odstępem od masy, doświadczy mniejszych strat. Dzieje się tak, ponieważ przesunięcie płaszczyzny masy PCB z dala od ścieżki modyfikuje rozkład pola wokół linii transmisyjnej mikropaska. W ten sposób impedancja linii transmisyjnej jest teraz odniesiona do najbliższej warstwy w stosie, o ile oba regiony masy są ustawione na ten sam potencjał. Poniższy obraz pokazuje, jak to działa.

Gdy usuwasz część masy w regionie poniżej komponentu docelowego, musisz teraz dostosować szerokość ścieżki mikropaska na warstwie powierzchniowej, aby móc utrzymać stałą impedancję. Gdy ścieżka wchodzi w region z usuniętą warstwą masy, szerokość ścieżki musi być poszerzona w obrębie usuniętego regionu, aby ustawić impedancję w obu regionach na równą. Pozwala to na zmniejszenie całkowitych strat wtrąceniowych w usuniętym regionie bez tworzenia nowych strat zwrotnych na interfejsie między tymi regionami. Dodałem małe zwężenie w regionie przejściowym, które idealnie powinno być elektrycznie krótkie (około 10% długości fali roboczej dla sygnałów RF).

Wykorzystanie wycięcia masy do zmniejszenia strat przewodnika

Straty doświadczane przez sygnał będą zależeć od gęstości linii pola wokół linii mikropaskowej, ale niekoniecznie dlatego, że zmienia się tangens kąta strat. Gdy najbliższa warstwa masy zostanie usunięta poniżej mikropaski, a ślad zostanie odniesiony do następnej warstwy masy, szerokość śladu może być zwiększona, co pomoże śladu osiągnąć jego cel impedancyjny.

Jak możemy uzyskać pewną redukcję strat w tym śladzie, nie zmieniając jakoś tangensa kąta strat? Odpowiedź leży w efekcie naskórkowym w przewodniku. Poprzez poszerzenie przewodnika, aby zapewnić kontrolę impedancji w regionie oczyszczonej warstwy masy, straty związane z efektem naskórkowym zostaną zmniejszone. Możemy to zobaczyć, patrząc na przybliżony wzór na oporność efektu naskórkowego przewodnika o przekroju prostokątnym:

Skoro jest to tylko wartość oporności, powinniśmy być w stanie zobaczyć, że zwiększenie szerokości śladu (W) zwiększy pole przekroju, a tym samym oporność zmniejszy się. Pomaga to odzyskać niewielką ilość strat rezystancyjnych i reaktywnych w regionie, gdzie szerokość śladu jest większa.

Wybór konfiguracji koplanarnej zamiast używania wycięć masy

Dotychczas omawiałem tylko to, co dzieje się, gdy mamy do czynienia z regularnymi liniami mikropaskowymi. Co się dzieje, gdy zaprojektowałeś z użyciem falowodu koplanarnego z uziemieniem? Różnica polega na tym, że stosunek szerokości do grubości dielektryka będzie mniejszy dla falowodu koplanarnego, gdy odstęp między ścieżką a masą jest mniejszy. Jednak masz do dyspozycji jeszcze jeden mechanizm: odległość między ścieżką a jej najbliższym uziemieniem.

Tutaj mamy inną wersję routingu omijającego: zmieniamy odstęp wychodzący z falowodu koplanarnego i mikropaska. Jeśli pamiętasz wcześniejszy artykuł o odległościach mikropaska do masy, zauważysz, że przybliżenie uziemienia do mikropaska obniża jego impedancję, co pozwala na użycie cieńszej ścieżki w falowodzie koplanarnym niż w mikropasku przy tej samej grubości podłoża.

Poniższy przykład pokazuje kolejny sposób, w jaki możemy odzyskać niektóre straty, przechodząc z wąskiego falowodu współpłaszczyznowego na szeroki mikropasek. Jeśli pamiętasz mój wcześniejszy artykuł o stratach mikropaska w porównaniu z falowodem współpłaszczyznowym, zauważysz, że ścieżka współpłaszczyznowa będzie miała większe straty przewodnika PCB dla typowej chropowatej powłoki, takiej jak ENIG. Wynika to (częściowo) z modyfikacji strat linii mikropaska przez chropowatą powłokę, co zwiększa wielkość efektu naskórkowego. Przechodząc z linii współpłaszczyznowej na mikropasek z rozszerzeniem, mikropasek będzie miał mniejsze straty niż sekcja współpłaszczyznowa.

W tym przykładzie nie usunęliśmy żadnej masy na następnej warstwie. Zamiast tego, po prostu usunęliśmy masę na tej samej warstwie, a następnie poszerzyliśmy ścieżkę, aby utrzymać impedancję. Niektóre dodatkowe straty zostałyby zredukowane przez zastosowanie powłoki srebra zanurzeniowego zamiast ENIG, jak również przez usunięcie maski lutowniczej z tych linii, ponieważ materiały maski lutowniczej LPI mają wysoki tangens kąta strat.

Co z efektywnym Dk?

Gdy odległość od ścieżki do warstwy masy jest zwiększana, zmienia się rozkład pola, a tym samym zmienia się efektywna wartość Dk widziana przez sygnał podróżujący po ścieżce. Można słusznie zapytać: co dzieje się z efektywną wartością Dk i czy zmienia to całkowite straty wzdłuż połączenia?

Chociaż prawdą jest, że zmiana szerokości ścieżki modyfikuje rozkład pola wokół ścieżki, to tylko nieznacznie zmienia efektywną stałą dielektryczną. Wynika to z faktu, że stosunek szerokości do grubości dielektryka wymagany do uzyskania kontrolowanej impedancji jest tylko nieznacznie nieliniowy dla mikropaska, więc podwojenie grubości dielektryka wymaga bardzo bliskiego podwojenia szerokości ścieżki, aby osiągnąć tę samą impedancję. To przywraca Cię do tej samej efektywnej wartości Dk dla Twoich mikropasków. To powinno wyjaśnić, dlaczego tangens kąta strat nie musi się zmieniać, aby odzyskać pewne straty w Twoich połączeniach.

Gdy potrzebujesz zaprojektować i trasować połączenia o wysokiej prędkości i częstotliwości, uwzględniając przy tym straty przewodnika PCB, użyj najlepszego zestawu funkcji trasowania PCB w Altium Designer®. Zintegrowany silnik reguł projektowych i Layer Stack Manager dają ci wszystko, czego potrzebujesz, aby obliczyć szerokość ścieżki potrzebną do osiągnięcia określonej impedancji oraz uwzględnić chropowatość miedzi w systemie materiałowym twojej PCB. 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.