Os Benefícios dos Materiais de PCB com Alto Dk

Os termos "design de alta velocidade" e "laminado de PCB de baixo Dk" são frequentemente usados nos mesmos artigos, e muitas vezes na mesma frase. Materiais de PCB de baixo Dk têm seu lugar em PCBs de alta velocidade e alta frequência, mas materiais de PCB de alto Dk fornecem integridade de potência. PCBs de baixo Dk são tipicamente escolhidos pois tendem a ter menor tangente de perda. Assim, materiais de PCB de alto Dk tendem a ser negligenciados para PCBs de alta velocidade e alta frequência.

Ao olharmos para a integridade de potência em placas de alta velocidade/alta frequência, em vez de apenas considerar a perda de sinal ou aceitar o valor fornecido por um laminado de alta velocidade, você deve considerar a constante dielétrica como parte da estratégia geral para uma potência estável. Isso inclui as partes real e imaginária da constante dielétrica, pois ambas afetam a integridade de potência do seu PCB. Com isso em mente, vamos olhar para o papel desempenhado pelos materiais de PCB de alto Dk na garantia da integridade de potência.

Materiais de PCB de Alto Dk e Integridade de Potência do PCB

Primeiramente, quando olhamos para a integrididade de potência, estamos sempre tentando garantir que a tensão que você emite dos seus estágios reguladores permaneça constante à medida que a potência flui por toda a PDN. Isso traz dois aspectos da análise de PDN e integridade de potência:

• Análise DC: Aqui, estamos apenas preocupados com a queda de IR através dos condutores que compõem a PDN. A constante dielétrica não desempenha um papel na análise DC.
• Análise AC: Por análise AC, entendemos o comportamento de qualquer corrente variável no tempo no plano de alimentação. É aqui que a impedância da PDN se torna essencial, pois a variação de tensão vista em um componente a jusante é o produto da impedância da PDN e a tensão variável no tempo (lei de Ohm).

Um material de PCB com alta Dk usado como o dielétrico entre o plano de alimentação e o plano de terra oferece alguns benefícios importantes para a integridade da alimentação. Em particular, um valor alto de Dk para o material do PCB entre o plano de terra e o plano de alimentação proporcionará uma maior capacitância interplanar, significando que seus planos agem como um capacitor de desacoplamento maior, e a impedância da PDN será menor. Colocar os planos de terra e de alimentação mais próximos também aumenta a capacitância interplanar. Alguns resultados de simulação de exemplo de um artigo da IEEE de 2006 são mostrados abaixo.

O outro aspecto importante da constante dielétrica é a parte imaginária ou o valor de Df. Isso geralmente é resumido usando o tangente de perda, mas essa não é a única métrica a ser usada ao examinar a utilidade de um laminado específico em placas de alta velocidade/alta frequência. A dispersão no laminado também é bastante importante para sinais digitais, pois causará o estiramento e distorção dos sinais em sua placa. Para a integridade de potência, os valores de Dk e Df importam juntos da seguinte forma:

• Alto Dk preferido: Um Dk mais alto é preferido porque geralmente resulta em uma impedância de PDN geral mais baixa. Isso ocorre porque o PDN terá mais capacitância de plano.
• Alto Df preferido: A razão pela qual um Df mais alto é desejado no dielétrico entre terra e energia é porque o dielétrico com perdas naturalmente amortece ressonâncias na curva de impedância do PDN. Isso é observado ao comparar as linhas sólidas azuis e pretas.
• Camadas finas preferidas: Uma camada mais fina cria mais capacitância de PDN e confina mais o campo eletromagnético no substrato com perdas, então a curva de impedância do PDN se move para baixo e as ressonâncias do PDN têm picos menores.

Para resumir, para a integridade de potência em uma PDN, o melhor caso é ter um Dk alto, um Df alto e uma camada fina (veja a curva preta sólida acima). É por isso que os materiais de capacitância embutida usados em PCBs de alta velocidade avançados têm um valor de Dk muito alto e são perdedores, então você não iria querer rotear sinais sobre eles.

Alto Dk e Integridade de Sinal

Para a integridade do sinal, os parâmetros importantes são os valores de Dk e Df individualmente, em vez de apenas olhar para o tangente de perda. A exceção é quando você chega a camadas muito finas que você pode usar em uma PCB de alta contagem de camadas/HDI; discutirei mais sobre este tipo de caso abaixo. Note que, para substratos de PCB de baixa perda, os valores de Dk e Df tendem a escalar juntos (por exemplo, laminados da Rogers), mas nem sempre é o caso. Você pode ver alguns exemplos em laminados populares; por exemplo, Nelco 4000-13 EP tem cerca de 20x menor tangente de perda do que FR4, mas o valor de Dk é apenas cerca de 10% menor.

A importância do valor de Df e a utilidade de alguns conjuntos de materiais para diferentes padrões de sinalização de alta velocidade são delineados abaixo. Note que o Dk não desempenha nenhum papel nesta tabela; o que geralmente importa é o tangente de perda e a aspereza do cobre.

Dk começa a desempenhar um papel se você tiver trilhas de alimentação e sinal na mesma camada, como em uma montagem SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR. Para resumir, existem alguns casos em que Dk alto/Df baixo e Dk alto/Df alto oferecem alguns benefícios tanto para a integridade do sinal quanto para a integridade da alimentação, e é importante saber como misturar estes:

• Se trilhas de alimentação e sinal estiverem misturadas na mesma camada em PCBs de poucas camadas, um Dk mais alto pode ser preferido
• Se alimentação e sinal estiverem separados em camadas diferentes, um Dk mais alto é preferido para a separação de alimentação/terra

A 2ª opção desta lista implica que você poderia criar uma montagem de PCB híbrida, onde diferentes materiais laminados são usados. Dependendo dos materiais laminados envolvidos, você pode economizar alguns custos misturando e combinando laminados, em vez de escolher um único material exótico para toda a montagem.

Montagens de PCB Híbridas: O Melhor de Dois Mundos

Você pode ver os benefícios de um dielétrico de baixa perda para a integridade do sinal e um dielétrico de alta constante dielétrica (Dk) para a integridade da potência em um empilhamento híbrido de PCB. Neste tipo de empilhamento, a camada de alta Dk seria uma opção melhor para separar os planos de potência e terra na rede de distribuição de potência (PDN), o que reduziria a autoimpedância da PDN e a impedância de transferência. Você então desejaria usar um material de baixa Dk com baixa perda para suportar sinais na camada superficial e encapsular geometrias de stripline nas camadas internas.

Um exemplo de uma placa de 10 camadas é mostrado abaixo. Esses empilhamentos podem ser um pouco estranhos e difíceis de criar, pois você quer garantir simetria. Isso garante que qualquer tensão criada por incompatibilidades de CTE seja uniforme, tanto durante a montagem quanto na operação. Note que qualquer um dos planos de terra poderia ser trocado por um plano de potência com tensão diferente, e ainda assim serviria como referência para uma camada de sinal adjacente.

Antes de criar um empilhamento híbrido, certifique-se de consultar o seu fabricante sobre as capacidades deles e quais materiais recomendam usar. Se optar por projetar um empilhamento híbrido, seu fabricante pode recomendar alguns limites para as discrepâncias de CTE entre diferentes materiais laminados, restringindo suas opções disponíveis. Embora o software de design de PCB basicamente permita que você crie qualquer empilhamento que desejar, isso não significa que seu fabricante será capaz de produzi-lo. Sempre consulte um fabricante antes de produzir este tipo de empilhamento para garantir que eles saibam como manusear essas placas e prevenir a delaminação durante a montagem.

Note que todas essas camadas são consideradas sistemas de resina padrão com reforço de fibra, ou o que consideraríamos um material laminado tipo FR4 padrão. No mundo RF, muitas vezes optamos por PTFE não reforçado, que utiliza apenas um enchimento cerâmico, mas não tem fibra de vidro. Camadas finas de PTFE também podem ser usadas em um empilhamento híbrido; veja este artigo para saber mais.

Alto Dk Pode Limitar a Fabricabilidade em Laminados Finos

Uma das desvantagens de um material de alta constante dielétrica (Dk) para uma camada de sinal é a fabricabilidade. Isso surge por causa das larguras de trilha necessárias quando o controle de impedância é imposto. As larguras das trilhas precisam ser mais finas para atingir uma impedância alvo quando colocadas em um material de alta Dk versus um material de baixa Dk.

Em laminados espessos, isso não é um problema, e o valor alto de Dk pode ser benéfico: as larguras das trilhas precisam ser mais finas, então pode ser mais fácil rotear em certos componentes. Em laminados finos, isso será um problema porque, eventualmente, a largura da trilha fica tão pequena que começa a atingir o limite das capacidades de fabricação. As tolerâncias de gravação agora se tornam uma fração significativa da largura da trilha, então você obtém uma variação maior na impedância da trilha. Por "laminado fino", estamos nos referindo a laminados externos de 2 mil para microstrips, ou laminados internos de 2-4 mil para striplines.

Portanto, em laminados muito finos, é melhor optar por um material de baixa Dk como um laminado de PTFE para garantir a producibilidade. Materiais de PTFE têm o problema de serem difíceis de manusear quando não têm reforço de fibra de vidro, portanto, um laminado reforçado pode ser preferido se as larguras de banda do sinal excitarem efeitos excessivos da trama de fibra.

Outros Efeitos Importantes de Materiais de PCB de Alta Dk

Aqui estão alguns dos outros efeitos importantes dos materiais de PCB com alta constante dielétrica (Dk) no seu circuito.

• Propagação de sinal mais lenta. Isso significa que a sua diferença de comprimento permitida em redes paralelas e pares diferenciais será menor (para uma dada diferença de tempo). No entanto, com as ferramentas certas de roteamento e controle de impedância no seu software de design de PCB, isso se torna um não problema.
• Impedância de transferência menor. Como discuti em um artigo recente, a impedância de transferência descreve como uma perturbação de tensão de PDN criada por um componente de comutação afeta a flutuação de tensão vista em um componente diferente. Se o valor de Dk para o dielétrico for maior, então a impedância de transferência é menor, a flutuação de tensão vista no outro componente é menor. O valor de Df também desempenha um papel aqui, no sentido de que um substrato com perdas amortecerá a flutuação de tensão vista em outros componentes (veja a Fig. 12 neste artigo).
• Flutuações atrasadas entre diferentes componentes. Quando ocorre uma flutuação em um componente, leva algum tempo para se propagar ao longo da PDN para outros componentes. Quando o valor de Dk do dielétrico é maior, o atraso entre flutuações em diferentes componentes é mais longo. No entanto, capacitores de desvio colocados em outros componentes compensarão qualquer flutuação, e o capacitor de desvio correto torna isso um não problema.
• Anti-ressonâncias de cavidade interplanar movem-se para frequências mais baixas. Isso se torna importante até larguras de banda de GHz. Em uma anti-ressonância de cavidade, a impedância atinge um pico em uma frequência particular. Usar um material de alta Dk e mais fino com uma perda maior entre os planos de terra e de energia amortecem essas anti-ressonâncias (veja a Fig. 11 neste artigo). Discutirei essa questão com ressonâncias em cavidades e guias de onda mais em um futuro artigo.

Resumo

Se você está construindo um empilhamento híbrido para uma placa de alta velocidade/frequência alta, você deve usar um dielétrico de alta Dk/alta Df entre os planos de terra e de energia. Se você está usando o mesmo material laminado em todo o empilhamento, você pode equilibrar a integridade de energia e a integridade de sinal se usar um dielétrico de alta Dk/baixa Df.

A desvantagem de usar materiais de PCB com alta constante dielétrica (Dk) é um acoplamento capacitivo mais forte entre os condutores. Isso significa que as capacitâncias parasitas envolvendo o substrato são maiores, e você teria que reduzir isso usando um dielétrico mais fino até o plano de terra. Isso, então, leva ao uso de trilhas mais estreitas, como mencionei acima. Se isso parece esotérico, é porque seus valores de capacitância de trilha serão maiores; assim, seus valores de indutância de trilha precisam ser maiores para garantir o controle de impedância. Isso então significa que o crosstalk será mais forte, então a separação das trilhas deve ser maior para compensar o maior valor de Dk.

Seu empilhamento de PCB é um determinante importante da integridade de potência e integridade de sinal. Você pode garantir que sua placa funcione corretamente em ambos os aspectos quando tem acesso às ferramentas certas de design e análise de PCB. O Gerenciador de Empilhamento de Camadas em Altium Designer® dá acesso a uma biblioteca de laminados de PCB comuns e especializados. Você pode definir parâmetros de material para um laminado especial para seu PCB. O solucionador de campo 3D integrado da Simberian usa esses parâmetros de material para modelar o comportamento do sinal em seu PCB à medida que você cria seu layout de PCB.

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