PCBs Flexíveis: Integridade de Sinal de Circuitos Flexíveis para Planos de Terra em Malha

Velocidades ultra-altas em placas flexíveis e rígido-flexíveis são inevitáveis, pois essas placas estão sendo cada vez mais utilizadas em eletrônicos avançados. Esses sistemas também precisam de camadas de terra para isolamento, e para separar referências RF e digitais para protocolos sem fio. Com altas velocidades e altas frequências, surge o potencial para problemas de integridade de sinal, muitos dos quais estão relacionados à colocação e geometria do plano de terra em uma PCB.

Um método comum para fornecer uma referência consistente de 0 V em placas flexíveis e rígido-flexíveis é usar um plano de terra em malha ou gradeado no cabo flexível. Isso fornece um grande condutor que ainda pode fornecer blindagem em uma ampla faixa de frequência, enquanto ainda permite que o cabo flexível se dobre e dobre sem rigidez excessiva. No entanto, problemas de integridade de sinal surgem em duas áreas:

• Garantir a impedância consistente do traçado,
• Blindagem e isolamento, e
• Prevenir efeitos semelhantes à trama de fibra na estrutura de gradeado.

Neste artigo, vamos olhar mais a fundo os problemas de integridade de sinal que vêm de planos de terra gradeados e o que você pode fazer a respeito.

Design de Plano de Terra em Malha

No sentido mais básico, o hachurado funciona como qualquer outro plano de terra. Ele é destinado a fornecer uma referência consistente para que um traço possa ser projetado para ter a impedância desejada. Qualquer uma das geometrias de linha de transmissão comuns (microstrip, stripline ou guias de onda) pode ser colocada em PCBs rígido-flexíveis ou flexíveis com um plano de terra em malha. Colocar uma região de cobre hachurado na camada superficial da fita flexível proporciona quase os mesmos efeitos que o cobre sólido em baixas frequências.

A configuração comum para roteamento de stripline e microstrip em uma fita flexível com planos de terra em malha é mostrada abaixo.

Esta estrutura de malha pode ser usada em placas rígidas, mas nunca vi isso na prática nem tive um cliente que solicitasse. Em vez disso, o padrão de malha é usado em placas flex/rígido-flexíveis para equilibrar a necessidade de controle de impedância com a necessidade de uma fita razoavelmente flexível. Seja projetando os traços ou o padrão de hachura, siga as melhores práticas para fitas flexíveis estáticas e dinâmicas e os padrões IPC 2223.

Controle de Impedância

Uma opção para trabalhar com pares simples ou diferenciais é colocar cobre sólido na camada do plano diretamente abaixo dos traços e colocar uma estrutura de malha em outros lugares do circuito. Se o roteamento se tornar muito denso, então você precisará usar malha em todo lugar. Se optar por usar malha, você terá maior flexibilidade, mas menor isolamento de blindagem e condições modificadas para controle de impedância.

Como mostrado acima, a estrutura do plano de malha tem dois parâmetros geométricos: L e W. Esses dois podem ser combinados em um fator de preenchimento, ou a fração da área da malha coberta com cobre. Alterar esses parâmetros tem os seguintes efeitos:

• Abrir a área da malha (aumentando a abertura da malha ao aumentar L) aumenta a impedância assumindo que outros parâmetros se mantenham constantes. Também torna a fita mais fácil de dobrar (menos força).
• Aumentar W enquanto mantém outros parâmetros constantes fecha a área da malha, o que aumenta a impedância. Também torna o modo fita difícil de dobrar (mais força).

Os outros parâmetros que governam a impedância para geometrias padrão têm os mesmos efeitos quando se trabalha com um plano de terra em malha. Uma vez que você chega a altas frequências, você vai excitar modos não-TEM ao redor de suas linhas de transmissão, e você pode até ver alguns efeitos semelhantes à trama de fibra.

Efeitos da Trama de Fibra no meu Cabo Flexível?

É aqui que um plano de terra em malha em uma PCB se torna muito interessante, pois o padrão de malha pode começar a se assemelhar ao padrão de tecido de vidro usado em FR4 e outros laminados. Como resultado, estamos de volta a uma situação em que temos que nos preocupar com efeitos da trama de fibra em um material de substrato normalmente liso e relativamente homogêneo. Esses efeitos ocorrem quando a largura de banda de um sinal em trânsito se sobrepõe a uma ou mais ressonâncias na estrutura de malha. Para L = 60 mil em poliimida, a ressonância de ordem mais baixa seria de 50 GHz.

Um estudo inicial (veja este artigo da Hindawi) mostrou que essas estruturas reticuladas, seja em um substrato de PCB rígido ou flexível, podem produzir uma forte emissão quando um sinal digital se propaga em uma trilha através do plano de terra em malha. À medida que mais aplicações flexíveis se abrem em frequências mais altas, eu esperaria que esses efeitos fossem piores em uma fita flexível com um plano de terra em malha por algumas razões.

Ressonâncias de Alta-Q

Assim como em um substrato de tecido de vidro regular, a malha forma uma estrutura de cavidade que pode suportar ressonâncias quando excitada em frequências específicas. Essas cavidades ressonantes em um plano de terra em malha terão valores de Q muito altos, pois as paredes da cavidade são altamente condutivas (cobre). Portanto, haverá menores perdas e ressonâncias de alta-Q. Isso leva a emissões de cavidade aumentadas e perda de potência ressonante.

Malha Aberta Tem Baixa Isolação

Um plano de terra sólido normalmente garantiria que qualquer EMI irradiada das cavidades do tecido de fibra fosse emitida ao longo da borda da placa. Como um plano de terra em malha tem cavidades abertas, ele proporciona menos isolamento e também pode irradiar ao longo da superfície da fita flexível. Isso tem um efeito recíproco: quando uma trilha pode emitir radiação mais facilmente, ela também pode receber EMI externo mais facilmente.

Para resolver esses problemas, use malhas mais apertadas, assim como você usaria uma trama de vidro mais apertada para evitar os efeitos da trama de fibra. PCBs flexíveis e rígido-flexíveis continuarão a ser parte da paisagem de PCBs e estão se tornando mais avançados com novas capacidades de fabricação. O anúncio de Tara Dunn sobre capacidades de fabricação com largura de trilha de 1 mil pode ser um verdadeiro divisor de águas para PCBs flexíveis de alta velocidade e alta densidade, permitindo a fabricação de padrões de plano de terra de malha menores.

Exemplo de Plano de Terra de Malha

Um exemplo de um plano de terra de malha bem construído pode ser encontrado no projeto de laptop de código aberto liderado por Lukas Henkel. A imagem abaixo mostra um exemplo com um plano de terra de malha sendo aplicado em uma fita flexível de 1 mil de espessura para uma webcam. Este PCB flexível destina-se a suportar o roteamento MIPI CSI-2 de um conector FPC de borda para uma webcam que é soldada diretamente na fita flexível. Os parâmetros geométricos são os seguintes:

• Largura da trilha de cobre: 0,1 mm
• Tamanho da abertura (elemento repetitivo): 0,283 mm

Neste exemplo, múltiplas regiões de hachura são usadas para definir o terra em diferentes partes da fita flexível. Há também uma grande região sólida na camada de hachura, que está sendo usada para separar os sinais de alta velocidade CSI-2 dos sinais de configuração de menor velocidade e GPIOs na parte superior da região de hachura. Uma vez que você esteja pronto para rotear sinais acima da região de hachura, as ferramentas de roteamento funcionarão exatamente da mesma forma que o roteamento sobre um plano sólido ou polígono sólido.

Esse tipo de hachura não precisa ser desenhado manualmente através do roteamento de trilhas. Em vez disso, o Altium Designer inclui um recurso que irá aplicar a hachura automaticamente em um polígono, e a hachura selecionada aparecerá uma vez que o polígono seja refeito no Editor de PCB. Esse recurso pode ser aplicado em polígonos retangulares, polígonos curvos como mostrado acima, ou em derramamento de polígono irregular.

Simulando Roteamento Sobre Terra em Malha

As malhas de terra podem tecnicamente ser simuladas como qualquer outra estrutura em uma PCB, mas o desafio vem dos maiores requisitos de poder computacional devido à estrutura mais complexa da malha de terra. As aberturas nessas camadas de malha criam uma malha de simulação mais complexa que é então usada para resolver as equações de Maxwell, o que por sua vez requer mais tempo computacional. Por exemplo, uma simulação de parâmetro-S para um único par diferencial sobre uma malha de terra pode requerer mais de 1 hora de tempo de simulação (baseado em simulações da seção transversal da PCB), enquanto o mesmo par diferencial e empilhamento com uma malha de terra de cobre sólido levaria menos de 1 minuto quando analisado com o mesmo método numérico.

Os fatos acima tornam a determinação da impedância para roteamento sobre malha de terra muito difícil. Outro problema que surge é a falta de dados claros dos fabricantes. Nem todos os fabricantes mantêm dados sobre a impedância sobre malhas de terra, principalmente porque a impedância depende tão fortemente do fator de preenchimento e da orientação da malha de cobre. Como o espaço de parâmetros é tão grande, fabricantes de PCBs flexíveis que mantêm esses dados provavelmente só têm dados de teste válidos para algumas parametrizações e para produtos de poliimida específicos. Portanto, se você precisa de roteamento de alta velocidade em flex para um produto avançado, considere investir em uma ferramenta de simulação de solucionador de campo 3D.

Não importa como você planeja projetar sua PCB flexível ou rígido-flexível, Altium Designer® possui as ferramentas necessárias para projetar adequadamente um plano de terra em malha para designs de alta velocidade. Altium Designer no Altium 365® oferece uma quantidade sem precedentes de integração à indústria eletrônica até agora relegada ao mundo do desenvolvimento de software, permitindo que os projetistas trabalhem de casa e alcancem níveis de eficiência sem precedentes.

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