Visão Geral dos Materiais de Capacitância Embutida

A capacitância é sua amiga sempre que você precisa de uma integridade de energia estável, e é por isso que há tanto foco em capacitores de desacoplamento. Embora esses componentes sejam importantes e possam ser usados para fornecer soluções de integridade de energia direcionadas a certos componentes, existe um material especial usado para supercarregar a capacitância em seu empilhamento de PCB ou substrato de pacote. Esse tipo de material especial é chamado de material de capacitância embutida, ou ECM.

Esses laminados podem ser incorporados em um empilhamento de PCB para fornecer uma capacitância muito alta que auxilia na integridade da energia. Esses materiais também podem atuar como substitutos para um grupo de capacitores de desacoplamento, se necessário. Este artigo examinará o uso adequado desses materiais, bem como suas propriedades materiais quando usados em pacotes de substrato de CI e PCBs.

O que é um Material de Capacitância Embutida?

Materiais de capacitância embutida são laminados revestidos de cobre com espessura de camada muito fina e alta constante dielétrica. Esses materiais são destinados a separar uma camada de energia e uma de terra em um empilhamento de PCB, fornecendo assim alguma capacitância que é embutida no empilhamento do PCB. Materiais de capacitância embutida são definidos e descritos na norma IPC 4821 (Especificação para Materiais de Capacitores de Dispositivos Passivos Embutidos para Placas Impressas Rígidas e Multicamadas).

Esses materiais fornecem duas funções básicas:

• Fornecer alta capacitância no plano em uma PDN através do seu alto valor de Dk e baixa espessura
• Proporcionar amortecimento para ondas eletromagnéticas através do seu tangente de perda moderadamente alto

A principal função desses materiais é fornecer maior capacitância em uma PDN (resultando em menor impedância da PDN) e maior amortecimento para o ripple do barramento de energia (levando a ressonâncias de plano/cavidade de energia menos intensas em frequências de GHz) devido ao maior tangente de perda do material. Do ponto de vista de circuito, esses materiais fornecem amortecimento e capacitância simultaneamente, mas com baixa indutância de espalhamento, então eles agem como um capacitor com ESR controlado.

Melhoria da Integridade de Energia

Um exemplo que mostra os efeitos de um ECM na integridade de energia é mostrado nos dados de impedância da PDN abaixo. Neste gráfico, podemos ver claramente que a presença de um material ECM mais fino reduz a impedância da PDN como esperado. O material mais fino com um alto tangente de perda também amortece as ressonâncias da PDN, como ilustrado nos picos menores perto de 1 GHz, que é exatamente na faixa de frequência onde os pacotes de IC exigem respostas rápidas de pulso na PDN.

O resultado acima ocorre porque um ECM mais fino fornece mais capacitância, mas não fornece mais indutância. Além disso, o amortecimento adicional no ECM produz picos de ressonância de menor Q. Juntos, esses efeitos reduzem a impedância geral da PDN e diminuem o valor de Q das ressonâncias de alta frequência.

Integridade de Sinal Melhorada

A melhoria na integridade de potência também leva a uma integridade de sinal melhorada, como mostrado nos dados do diagrama de olho abaixo. Neste gráfico, podemos ver que o diagrama de olho exibe jitter significativo, mesmo quando usamos FR4 fino como o par laminado de plano de potência/terra e 100 capacitores SMD para suportar baixa impedância da PDN. Isso ocorre porque o ripple na PDN também causará variações no nível do sinal quando um circuito de buffer de saída muda os estados lógicos. O resultado é variação no tempo do sinal de saída, que aparece como jitter no diagrama de olho.

O gráfico à direita mostra um diagrama de olho com um ECM e sem capacitores SMD na placa de teste. O resultado é uma redução aproximada de fator 2 no jitter e uma abertura de olho maior. Isso é uma clara melhoria na integridade do sinal e resultou inteiramente da redução do ripple no barramento de potência.

• Leia mais sobre a relação entre o ripple do barramento de potência e a integridade do sinal.

Os fatores acima ilustram a relação bem conhecida entre SI (Integridade de Sinal) e PI (Integridade de Potência). Há também uma redução na EMI (Interferência Eletromagnética Irradiada) medida a partir das bordas da PCB quando materiais ECM são utilizados. Isso ocorre porque a radiação gerada pela oscilação do barramento de potência experimentará um amortecimento dielétrico maior à medida que viaja para a borda da placa, assim, ela deixará a placa com menor intensidade.

Onde Usar ECMs

Nem todas as PCBs precisarão usar um ECM para fornecer integridade de potência. Em alguns casos, o nível de capacitância fornecido por um ECM é excessivo, e você será capaz de fornecer capacitância suficiente na sua PDN (Rede de Distribuição de Potência) com materiais laminados padrão e capacitores de pequeno porte. Em alguns projetos, um ECM que é muito fino é uma das únicas soluções que fornecerá a capacitância necessária para a integridade de potência. Algumas das instâncias típicas onde ECMs são usados em uma PCB incluem:

• Placas pequenas que suportam muitos sinais de alta velocidade (dispositivos móveis, tablets, etc.)
• Placas com poucas camadas e muitos barramentos de alta velocidade (produtos avançados de IoT e sensores mmWave)
• Placas muito densas, moderadamente pequenas que não têm espaço para capacitores discretos (telefones antigos, novas placas de expansão, pequenas placas-mãe)

Placas com menor quantidade de camadas (6-10 camadas) tendem a usar um ECM na camada central entre uma camada de alimentação dedicada e um plano de terra. Em placas com maior quantidade de camadas (até possivelmente 24 ou 32 camadas), a atribuição de pares de camadas pode variar, mas será necessária uma camada muito fina para fornecer capacitância suficiente para suportar SI/PI para todos os sinais no dispositivo. A mesma estratégia é usada para substratos de IC.

Propriedades do ECM para PCB

Uma lista de possíveis propriedades de materiais para ECMs para uso em PCBs é mostrada na tabela abaixo. Esses materiais estão disponíveis como materiais rígidos (por exemplo, FaradFlex e 3M), ou podem ser incorporados em materiais polimídicos flexíveis (por exemplo, da DuPont). Eles são projetados para serem incorporados em um processo de laminação padrão para construir um empilhamento de PCB.

ECMs de Pacote e Módulo

Os ECMs também são comercializados para uso em embalagens de substrato de CI. Essas embalagens envolvem a colocação de um die semicondutor em um substrato orgânico, possivelmente situado em um interposer para fornecer conectividade adicional entre os dies semicondutores, o substrato da embalagem e, eventualmente, o PCB. O material do substrato então distribui essas conexões de cobre para o padrão BGA da embalagem no lado inferior da embalagem.

Para embalagens e módulos, a espessura da camada também é muito mais fina que o laminado FR4 típico, mas com um valor de Dk alvo muito mais alto que os materiais usados em um substrato de PCB.

É importante notar que um ECM que é comercializado para uma PCB também pode ser usado em um substrato de IC, mas não necessariamente será tão eficaz. Observe que alguns materiais ECM são comercializados especificamente para PCBs ou ICs (por exemplo, FaradFlex). Em contraste, algumas linhas de produtos ECM (como a 3M) são comercializadas para uso tanto em PCBs quanto em ICs.

Em geral, os ECMs para uso em embalagens de IC têm os seguintes requisitos:

• Valor de Dk mais alto é preferido
• Um tangente de perda mais alto é preferido
• Preferência por espessuras de camadas mais finas
• O valor de Tg é menos importante

O valor de Dk mais alto é um requisito porque gostaríamos de ter uma maior densidade de capacitância de plano (medida em capacitância/(área do substrato)). O valor de Tg é menos importante porque os valores de Tg para materiais ECM já estão bem acima dos limites de temperatura para ICs. A tangente de perda mais alta em um ECM (tanto para PCBs quanto para substratos de IC) é importante para controlar o ripple e será discutida mais detalhadamente em uma das seções abaixo.

Para fornecer a mesma capacitância que um ECM de Dk mais baixo em uma PCB, o ECM usado em um substrato de IC teria que ter um Dk muito mais alto, pois o tamanho do substrato do pacote será menor. Isso confere ao substrato de IC uma capacitância de pacote suficiente que auxilia na integridade de potência no chip na faixa de GHz, especialmente quando o pacote não tem espaço para capacitores de chip e há pouca capacitância no chip. Como uma PCB tende a ter uma área maior, ela pode se dar ao luxo de ter um valor de Dk mais baixo, se necessário.

Camadas ECM em Suas Ferramentas CAD

Incorporar um ECM na pilha da sua PCB dentro das suas ferramentas CAD é simples. Você só precisa definir as propriedades do material e a espessura na sua pilha de PCB, assim como faria com qualquer outro material. Se você planeja usar sua placa em uma simulação de solver de campo, como para integridade de potência ou sinal, então você precisará incluir as propriedades dielétricas na definição da sua pilha de camadas para que estas possam ser consideradas em um modelo de simulação.

Também é uma boa ideia definir a escolha do material na pilha do seu PCB no desenho de fabricação e em uma nota de fabricação. Quando você criar a figura da pilha no seu desenho de fabricação, certifique-se de que a camada ECM esteja presente e que não será confundida com um material de grau FR4 ou algum outro material. Se você usar o Draftsman, pode gerar a figura da sua pilha de camadas automaticamente e rapidamente colocá-la no seu desenho de fabricação.

Também, certifique-se de que sua especificação ECM seja mencionada nas suas notas de fabricação. A conformidade com os padrões IPC do seu ECM, a espessura, o peso do cobre, o par de camadas, o número da peça do distribuidor (se disponível) e o nome da marca devem ser todos especificados em uma nota de fabricação. Um exemplo é mostrado abaixo.

À medida que a eletrônica continua a expandir os limites da densidade de recursos e da densidade de componentes, os ECMs serão mais importantes para garantir desacoplamento suficiente quando o espaço para capacitores discretos é limitado. Da mesma forma, para pacotes de CI que incorporam múltiplos dies em 2.5D e 3D, é necessário um desacoplamento suficiente para garantir a integridade da alimentação dentro do pacote quando a capacitância no próprio die é baixa. Para saber mais sobre o uso desses materiais em PCBs e pacotes de substrato, encorajo os leitores a acessar os seguintes recursos.

• Novak, Istvan. "Experiência da SUN com Laminados Finos e Ultrafinos para Aplicações de Distribuição de Energia," TechForum TF-THA2, DesignCon (2006).
• Borland, Bill. "Desacoplamento de Semicondutores de Alto Desempenho Usando Tecnologia de Capacitor Embutido," 2006 15º Simpósio Internacional IEEE sobre Aplicações de Ferroelétricos.

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