Flex PCB: Integralność sygnału w elastycznych obwodach z siatkowymi płaszczyznami masy

Ultra-wysokie prędkości na płytach elastycznych i sztywno-elastycznych są nieuniknione, ponieważ te płyty znajdują coraz większe zastosowanie w zaawansowanej elektronice. Te systemy wymagają również warstw uziemiających do izolacji oraz do oddzielania odniesień RF i cyfrowych dla protokołów bezprzewodowych. Wraz z wysokimi prędkościami i wysokimi częstotliwościami pojawia się potencjał dla problemów z integralnością sygnału, wiele z nich związanych jest z rozmieszczeniem i geometrią warstwy uziemiającej na PCB.

Popularną metodą zapewnienia spójnego odniesienia 0 V na płytach elastycznych i sztywno-elastycznych jest użycie przekratkowanej lub siatkowej warstwy uziemiającej na taśmie elastycznej. Zapewnia to duży przewodnik, który może nadal zapewniać ekranowanie w szerokim zakresie częstotliwości, jednocześnie pozwalając taśmie elastycznej na zginanie i składanie bez nadmiernej sztywności. Jednak problemy z integralnością sygnału pojawiają się w dwóch obszarach:

• Zapewnienie spójnej impedancji ścieżki,
• Ekranowanie i izolacja, oraz
• Zapobieganie efektom podobnym do tkaniny włóknistej w strukturze kratowania.

W tym artykule przyjrzymy się głębiej problemom z integralnością sygnału, które pojawiają się w przypadku przekratkowanych warstw uziemiających i co można z nimi zrobić.

Projektowanie siatkowej warstwy uziemiającej

W najbardziej podstawowym sensie, krzyżowanie działa tak samo jak każda inna płaszczyzna masy. Ma na celu zapewnienie stałego punktu odniesienia, tak aby można było zaprojektować ścieżkę mającą pożądaną impedancję. Każda z powszechnych geometrii linii transmisyjnych (mikropasek, linia paskowa lub przewodniki falowe) może być umieszczona na sztywno-giętkich lub giętkich PCB z siatkowaną płaszczyzną masy. Umieszczenie siatkowanego regionu miedzi na powierzchniowej warstwie giętkiej taśmy daje niemal te same efekty co pełna miedź przy niskich częstotliwościach.

Typowa konfiguracja dla trasowania linii paskowej i mikropaska na giętkiej taśmie z siatkowanymi płaszczyznami masy jest pokazana poniżej.

Ta struktura siatki może być używana na sztywnych płytach, ale nigdy tego nie widziałem w praktyce ani nie miałem takiego zlecenia od klienta. Zamiast tego, wzór siatki jest używany na płytach giętkich/sztywno-giętkich, aby zrównoważyć potrzebę kontroli impedancji z potrzebą zachowania odpowiedniej elastyczności taśmy. Niezależnie od tego, czy projektujesz ścieżki, czy wzór krzyżowania, postępuj zgodnie z najlepszymi praktykami dla statycznych i dynamicznych taśm giętkich oraz standardami IPC 2223.

Kontrola Impedancji

Jedną z opcji pracy z parami jednostronnymi lub różnicowymi jest umieszczenie litej miedzi w warstwie płaszczyzny bezpośrednio pod ścieżkami i umieszczenie struktury siatkowej w innych miejscach obwodu. Jeśli trasowanie stanie się bardzo gęste, wtedy będziesz musiał użyć siatki wszędzie. Jeśli zdecydujesz się na użycie siatki, będziesz miał większą elastyczność, ale niższą izolację ekranującą i zmodyfikowane warunki kontroli impedancji.

Jak pokazano powyżej, struktura płaszczyzny siatkowej ma dwa parametry geometryczne: L i W. Te dwa można połączyć w współczynnik wypełnienia, czyli frakcję obszaru siatki pokrytą miedzią. Zmiana tych parametrów ma następujące efekty:

• Otwarcie obszaru siatki (zwiększenie otworu siatki poprzez zwiększenie L) zwiększa impedancję, zakładając, że inne parametry są stałe. Sprawia to również, że taśma jest łatwiejsza do zginania (mniejsza siła).
• Zwiększenie W, przy stałych pozostałych parametrach, zamyka obszar siatki, co zwiększa impedancję. Sprawia to również, że tryb taśmy jest trudniejszy do zginania (większa siła).

Inne parametry, które determinują impedancję dla standardowych geometrii, mają te same efekty przy pracy z siatkową płaszczyzną masy. Gdy osiągniesz wysokie częstotliwości, zaczniesz pobudzać nie-TEM tryby wokół linii transmisyjnych, a nawet możesz zauważyć efekty podobne do tkaniny szklanej.

Efekty tkaniny szklanej w mojej elastycznej taśmie?

To tutaj siatkowa płaszczyzna masy na PCB staje się bardzo interesująca, ponieważ wzór siatki może zacząć przypominać wzór tkaniny szklanej używanej w FR4 i innych laminatach. W rezultacie, znów znajdujemy się w sytuacji, w której musimy martwić się o efekty tkaniny szklanej w normalnie gładkim, stosunkowo jednorodnym materiale podłoża. Te efekty występują, gdy pasmo przesyłanego sygnału pokrywa się z jednym lub większą liczbą rezonansów w strukturze siatki. Dla L = 60 mil na polimidzie, najniższy rezonans mógłby wynosić 50 GHz.

Wczesne badanie (zobacz ten artykuł z Hindawi) wykazało, że te struktury z otworami, niezależnie od tego, czy znajdują się na sztywnej, czy elastycznej podłoży PCB, mogą generować silną emisję, gdy cyfrowy sygnał propaguje po ścieżce przez siatkową płaszczyznę masową. W miarę jak otwierają się nowe zastosowania dla elastycznych aplikacji przy wyższych częstotliwościach, spodziewałbym się, że te efekty będą gorsze w elastycznej taśmie z siatkową płaszczyzną masową z kilku powodów.

Rezonanse o wysokim Q

Tak jak w przypadku zwykłego podłoża z tkaniny szklanej, siatka tworzy strukturę jamy, która może wspierać rezonanse, gdy jest pobudzana na określonych częstotliwościach. Te rezonansowe jamy w siatkowej płaszczyźnie masowej będą miały bardzo wysokie wartości Q, ponieważ ściany jamy są bardzo przewodzące (miedź). W związku z tym, straty będą mniejsze, a rezonanse o wysokim Q - wyższe. Prowadzi to do zwiększonej emisji z jamy i strat mocy rezonansowej.

Otwarta siatka ma niską izolację

Pełna płaszczyzna masowa zwykle zapewniałaby, że wszelkie emitowane EMI z jam tkaniny byłyby emitowane wzdłuż krawędzi płytki. Ponieważ siatkowa płaszczyzna masowa ma otwarte jamy, zapewnia mniejszą izolację i może również emitować wzdłuż powierzchni elastycznej taśmy. Ma to efekt wzajemny: gdy ścieżka może łatwiej emitować promieniowanie, może również łatwiej odbierać zewnętrzne EMI.

Aby rozwiązać te problemy, użyj ciaśniejszych siatek, tak jak użyłbyś ciaśniejszej tkaniny szklanej, aby zapobiec efektom włókna. PCB elastyczne i sztywno-elastyczne będą nadal częścią krajobrazu PCB i stają się bardziej zaawansowane dzięki nowym możliwościom produkcyjnym. Ogłoszenie Tary Dunn o możliwościach produkcji ścieżek o szerokości 1 mil może być prawdziwym przełomem dla szybkich, wysokiej gęstości elastycznych PCB, umożliwiając produkcję mniejszych wzorów siatek płaszczyzn masowych.

Przykład siatkowej płaszczyzny masy

Przykładem dobrze skonstruowanej siatkowej płaszczyzny masy może być projekt laptopa open-source, który jest prowadzony przez Lukasa Henkla. Poniższe zdjęcie pokazuje przykład z siatkową płaszczyzną masy stosowaną na elastycznej taśmie o grubości 1 mil dla kamery internetowej. Ten elastyczny PCB ma na celu obsługę trasowania MIPI CSI-2 z złącza krawędziowego FPC do kamery, która jest lutowana bezpośrednio na elastycznej taśmie. Parametry geometryczne są następujące:

• Szerokość ścieżki miedzianej: 0,1 mm
• Rozmiar otworu (element powtarzający): 0,283 mm

W tym przykładzie, wiele obszarów zaszywania jest używanych do zdefiniowania masy w różnych częściach elastycznej taśmy. Istnieje również duży stały obszar w płaszczyźnie zaszywania, który jest używany do oddzielenia sygnałów CSI-2 o wysokiej prędkości od sygnałów konfiguracyjnych o niższej prędkości oraz GPIO w górnej części obszaru zaszywania. Gdy będziesz gotowy do prowadzenia sygnałów nad obszarem zaszywania, narzędzia do trasowania będą działać dokładnie tak samo, jak trasowanie nad stałą płaszczyzną lub stałym wielokątem.

Tego rodzaju zaszywanie nie musi być rysowane ręcznie przez trasowanie ścieżek. Zamiast tego, Altium Designer zawiera funkcję, która będzie automatycznie stosować zaszywanie na wielokącie, a wybrane zaszywanie pojawi się po ponownym wylaniu wielokąta w Edytorze PCB. Ta funkcja może być stosowana na wielokątach prostokątnych, wielokątach zakrzywionych, jak pokazano powyżej, lub na nieregularnym wylewie wielokąta.

Symulowanie Trasowania Nad Masą Siatkową

Mesh ground planes mogą być technicznie symulowane tak jak każda inna struktura na PCB, ale wyzwanie pojawia się z powodu większych wymagań dotyczących mocy obliczeniowej ze względu na bardziej złożoną strukturę siatki uziemienia. Otwory w tych warstwach siatki tworzą bardziej złożoną siatkę symulacji, która następnie jest używana do rozwiązania równań Maxwella, co z kolei wymaga dłuższego czasu obliczeń. Na przykład, symulacja parametrów S dla pojedynczej pary różnicowej nad płaszczyzną siatki może wymagać ponad 1 godziny czasu symulacji (na podstawie symulacji przekroju PCB), podczas gdy ta sama para różnicowa i układ warstw z pełną miedzianą płaszczyzną uziemienia zajęłaby mniej niż 1 minutę przy analizie tą samą metodą numeryczną.

Powyższe fakty sprawiają, że określenie impedancji dla trasowania nad siatką uziemienia jest bardzo trudne. Innym problemem, który się pojawia, jest brak jasnych danych od producentów. Nie wszyscy producenci posiadają dane na temat impedancji nad płaszczyznami siatki uziemienia, głównie dlatego, że impedancja zależy tak bardzo od współczynnika wypełnienia i orientacji siatki miedzianej. Ponieważ przestrzeń parametrów jest tak duża, producenci PCB flex, którzy posiadają te dane, prawdopodobnie mają ważne dane testowe tylko dla kilku parametryzacji i dla konkretnych produktów poliimidowych. Dlatego, jeśli potrzebujesz szybkiego trasowania na flex dla zaawansowanego produktu, rozważ inwestycję w narzędzie do symulacji pola 3D.

Bez względu na to, jak planujesz zaprojektować swoją elastyczną lub sztywno-elastyczną płytę PCB, Altium Designer® posiada narzędzia, których potrzebujesz, aby prawidłowo zaprojektować siatkę masy dla szybkich projektów. Altium Designer na Altium 365® dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji dla branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.