Espaçamento de Terra em PCB Microstrip Parte 2: Como o Espaçamento Afeta as Perdas

Em um artigo anterior, eu forneci uma discussão e alguns resultados de simulação sobre a folga necessária entre trilhas controladas por impedância e o cobre aterrado próximo. O que descobrimos foi que, uma vez que o espaçamento entre o cobre e a trilha se torna muito pequeno, a trilha se torna um guia de onda coplanar controlado por impedância (com ou sem terra). Também vimos que a regra de 3W para o espaçamento entre a trilha e o cobre aterrado é um pouco excessivamente conservadora.

Essencialmente, se seu objetivo é atingir uma impedância alvo, e você está preocupado sobre como o cobre próximo pode afetar a impedância, você pode chegar mais perto do que os limites estabelecidos pela regra de 3W. No entanto, o limite exato de folga que você pode aplicar depende da espessura do dielétrico; substratos mais espessos permitem uma menor relação de folga para largura, todos os quais foram encontrados para violar confortavelmente a regra de 3W para as espessuras de laminados práticos investigados em algumas simulações.

Embora tenhamos focado em impedância no artigo anterior, alguém justamente perguntaria, quais são os efeitos nas perdas? Se a razão para esta pergunta não é óbvia, ou se você não está atualizado sobre os pontos mais delicados do design de linha de transmissão, então continue lendo para ver como o cobre aterrado próximo pode afetar as perdas em interconexões controladas por impedância.

Por Que a Terra Próxima a um Traço Afetaria as Perdas?

Essa é uma pergunta razoável e está relacionada a como um condutor próximo pode modificar a distribuição do campo eletromagnético ao redor de um traço que carrega alguma carga estática ou densidade de corrente. Para ver como as perdas podem surgir quando uma camada de cobre aterrada é colocada perto de um microstrip ou stripline, vamos olhar para o campo elétrico.

Na imagem abaixo, eu fiz um esboço aproximado do campo elétrico ao redor de um microstrip. Quando há alguma camada de cobre aterrada próxima no mesmo nível do traço, algumas linhas do campo elétrico terminam na borda do condutor.

Como a camada de terra puxa as linhas de campo em direção à região do terra, o campo eletromagnético é fortemente concentrado na região entre o traço e a camada de cobre próxima. Você deve estar se perguntando, como isso leva a maiores perdas?

Efeito Pelicular e Corrente de Imagem

Agora é hora de uma pequena lição de eletromagnetismo... Quando um sinal está viajando ao longo de um traço, sua densidade de corrente associada se agrupa ao redor da borda do traço que está guiando o sinal. No entanto, a imagem típica que todos aprendemos nas aulas de eletromagnetismo só se aplica quando consideramos um fio infinitamente longo que está isolado de todos os outros meios, incluindo quaisquer outros condutores próximos. A realidade é que, quando um condutor é trazido para perto do traço, a corrente se aglomera ao redor das regiões do traço onde o campo elétrico orientado ortogonalmente é mais intenso, que está ao longo das bordas laterais do traço.

Em minhas recentes apresentações em algumas conferências, e em apresentações que vi de muitos outros pesquisadores, cálculos analíticos envolvendo o efeito pelicular são apresentados enquanto ignoram a corrente de imagem em planos de terra próximos e cobre derramado. Isso é em grande parte uma simplificação para fins de cálculo, e para brevidade durante uma apresentação. Calcular essa distribuição particular para cada arranjo de traço vale seu próprio artigo em jornais como IEEE ou JPIER. No entanto, é a consideração principal para entender o papel da capacitância de acoplamento e seus efeitos nas perdas.

Para ler mais sobre a criação de uma corrente de imagem em condutor e como isso distorce o efeito pelicular, dê uma olhada neste artigo publicado na IEEE:

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "Modelagem do efeito pelicular de técnicas de plano de imagem para emissões radiadas de trilhas de PCB." No IEEE 1997, EMC, Estilo Austin. Simpósio Internacional IEEE 1997 sobre Compatibilidade Eletromagnética. Anais do Simpósio (Cat. No. 97CH36113), pp. 308-313. IEEE, 1997.

Como a corrente se acumula contra a borda de uma trilha, isso aumenta a força da interação entre a corrente e a parede áspera da trilha de cobre. Lembre-se, a aspereza do cobre aumenta a magnitude do efeito pelicular e cria uma impedância adicional perdedora. Agora, para ver o que acontece nesta interação, precisamos entender como os materiais de revestimento de cobre influenciam as perdas.

Sistemas Digitais vs. Sistemas RF

Neste ponto, é importante distinguir entre sistemas digitais e placas RF devido ao tratamento do solder mask e do revestimento. Em uma placa digital, geralmente deixamos o solder mask aplicado em todo lugar e focamos na conformidade do canal além da largura de banda digital mínima requerida. Para sistemas RF, é muito comum remover o solder mask, então as linhas de transmissão que suportam sinais RF terão algum revestimento aplicado no exterior.

• Digital - Não vi um estudo abrangente mostrando como o derramamento de cobre próximo afeta as perdas criadas pela máscara de solda. Minha impressão é que, se houver máscara de solda, o campo eletromagnético interagirá com ela independentemente, e o desvio nas perdas pode ser mínimo em ambos os casos. Alguém que tenha alguma percepção deve me encontrar no LinkedIn e enviar-me uma mensagem.
• RF - Neste caso, a redistribuição de corrente na região de galvanização definitivamente causa uma mudança nas perdas ao longo da interconexão. Portanto, a galvanização pode se tornar um novo fator determinante das perdas devido ao seu efeito na rugosidade, como discutido abaixo.

Suponha que você removeu a máscara de solda dos traços em seu sistema digital; você ainda precisará considerar a estrutura do filme de galvanização e sua rugosidade para entender como o derramamento de cobre próximo afeta as perdas.

Para PCBs de RF: Evite Galvanizações à Base de Níquel, Prefira Prata

John Coonrod forneceu alguns dados excelentes que mostram os efeitos do banho ENIG em frequências progressivamente mais altas em um guia de onda coplanar aterrado (muito semelhante a um microstrip coplanar com terra) e um microstrip isolado sem pour de cobre. Eu encorajo os leitores a darem uma olhada em um de seus vídeos no YouTube neste link. Uma avaliação mais abrangente pode ser encontrada neste vídeo. Em resumo, os dados de John mostram duas conclusões:

• Ir para um arranjo coplanar pode proporcionar mais perdas quando o terra coplanar está próximo, o que força um microstrip mais fino (mais perda devido ao efeito pelicular).
• O banho ENIG sempre proporciona maiores perdas totais em um arranjo coplanar versus um microstrip simples.

Podemos esperar resultados semelhantes para linhas de transmissão stripline.

A imagem abaixo mostra o gráfico importante do vídeo que eu linkei acima. Essencialmente, devido à ligação do banho entre cobre e níquel, a aspereza encontrada pela corrente propagante é muito maior em um guia de onda coplanar do que para um microstrip. Enquanto isso, para cobre nu, vemos perdas muito semelhantes em ambas as linhas de transmissão. Abaixo de alguns GHz, parece não haver diferença entre as perdas em cada tipo de linha de transmissão.

Deve-se usar preenchimento de cobre aterrado próximo aos seus interconexos, ou deve-se omiti-lo? Obviamente, há mais a considerar do que apenas blindagem, impedância e perdas. O transporte térmico também é citado como uma razão para colocar preenchimento de cobre ao redor de uma PCB. Se você deseja usar preenchimento de cobre ao redor de trilhas de alta velocidade controladas por impedância, certifique-se de testar seus interconexos com algumas medições básicas (TDR ou parâmetros-S). Os resultados acima devem ilustrar por que a prata de imersão é frequentemente a escolha de revestimento para interconexos de alta frequência/alta velocidade controlados por impedância, em vez de ENIG.

Resumo

Para ser justo, existem algumas desvantagens em preencher indiscriminadamente todas as camadas de sinal com cobre, algumas das quais notamos aqui. Kella Knack também aponta algumas desvantagens do preenchimento com cobre em outro artigo; eu discordaria de uma implicação de que usar preenchimento com cobre é uma prática de design ruim e nunca deve ser usada, mas você deve considerar as desvantagens para o seu design específico e certificar-se de testar protótipos baseados nessas desvantagens assumidas. A aplicação de preenchimento com cobre pode ser feita de maneira adequada ou inadequada, e seu uso é às vezes enquadrado como uma daquelas escolhas do tipo "sempre" ou "nunca"; ambos os lados provavelmente estão tirando as escolhas de design um do outro de contexto. De qualquer forma, você precisa de preenchimento com cobre para definir elementos de PCB em designs modernos de RF que fornecem blindagem, guia de ondas integrado ao substrato e guias de onda coplanares com controle de impedância. Certifique-se de usá-lo sabiamente e aplicar o revestimento apropriado se as perdas forem problemáticas.

Determinar um espaçamento apropriado para a folga de terra de microstrip começa com as melhores ferramentas de design de empilhamento de PCB. Quando você usa Altium Designer®, pode facilmente determinar a largura do traço e o espaçamento necessário para garantir roteamento de impedância controlada em placas que usam derramamento de cobre aterrado no layout do seu PCB. Quando você terminou seu design e quer liberar arquivos para seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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