Преимущества материалов для печатных плат с высоким значением Dk

Термины «высокоскоростной дизайн» и «ламинат для печатных плат с низким Dk» часто используются в одних и тех же статьях, и часто в одном предложении. Материалы для печатных плат с низким Dk имеют свое место в высокоскоростных и высокочастотных печатных платах, но материалы с высоким Dk обеспечивают целостность питания. Печатные платы с низким Dk обычно выбираются из-за их более низкого тангенса угла потерь. Таким образом, материалы для печатных плат с высоким Dk часто упускаются из виду для высокоскоростных и высокочастотных печатных плат.

Когда мы рассматриваем целостность питания для высокоскоростных/высокочастотных плат, вместо того чтобы просто учитывать потерю сигнала или принимать значение, предоставленное высокоскоростным ламинатом, вы должны рассматривать диэлектрическую проницаемость как часть общей стратегии для стабильного питания. Это включает в себя реальные и мнимые части диэлектрической проницаемости, поскольку обе влияют на целостность питания вашей печатной платы. Имея это в виду, давайте рассмотрим роль, которую играют материалы для печатных плат с высоким Dk в обеспечении целостности питания.

Материалы для печатных плат с высоким Dk и целостность питания печатных плат

Прежде всего, когда мы говорим о целостности питания, мы всегда стараемся обеспечить, чтобы напряжение, выдаваемое вашими регуляторными ступенями, оставалось постоянным по мере того, как питание распределяется по всей сети распределения питания (PDN). Это поднимает два аспекта анализа PDN и целостности питания:

• DC анализ: Здесь нас интересует только падение напряжения на проводниках, составляющих PDN. Диэлектрическая проницаемость не играет роли в анализе постоянного тока.
• AC анализ: Под анализом переменного тока мы подразумеваем поведение любого изменяющегося во времени тока на плоскости питания. Здесь становится важным импеданс PDN, поскольку изменение напряжения, наблюдаемое на компоненте вниз по течению, является произведением импеданса PDN и изменяющегося во времени напряжения (закон Ома).

Использование материала ПП с высоким значением Dk в качестве диэлектрика между плоскостями питания и земли обеспечивает некоторые важные преимущества для целостности питания. В частности, высокое значение Dk для материала ПП между плоскостями земли и питания обеспечит большую межплоскостную емкость, что означает, что ваши плоскости действуют как большой развязывающий конденсатор, и импеданс PDN будет ниже. Размещение плоскостей земли и питания ближе друг к другу также увеличивает межплоскостную емкость. Ниже приведены некоторые примеры результатов симуляции из статьи IEEE 2006 года.

Другой важный аспект диэлектрической постоянной - это мнимая часть или значение Df. Обычно это резюмируется с использованием тангенса угла потерь, но это не единственный показатель для оценки полезности определенного ламината в платах высокой скорости/высокой частоты. Дисперсия в ламинате также очень важна для цифровых сигналов, поскольку это приведет к растяжению и искажению сигналов на вашей плате. Для целостности питания значения Dk и Df важны вместе следующим образом:

• Предпочтительнее высокий Dk: Более высокий Dk предпочтителен, поскольку это обычно приводит к более низкому общему импедансу PDN. Это связано с тем, что PDN будет иметь большую емкость плоскостей.
• Предпочтительнее высокий Df: Причина, по которой желателен более высокий Df в диэлектрике между землей и питанием, заключается в том, что потери в диэлектрике естественным образом гасят резонансы в кривой импеданса PDN. Это видно при сравнении сплошных синих и черных линий.
• Предпочтительнее тонкие слои: Более тонкий слой создает большую емкость PDN и ограничивает большую часть электромагнитного поля в потерянном субстрате, так что кривая импеданса PDN смещается ниже, а резонансы PDN имеют меньшие пики.

Для подведения итога, для обеспечения энергетической целостности в PDN наилучшим случаем является наличие высокого значения Dk, высокого Df и тонкого слоя (см. сплошную черную кривую выше). Вот почему материалы с встроенной емкостью, используемые в передовых высокоскоростных печатных платах, имеют очень высокое значение Dk и являются потерянными, поэтому вы не захотите прокладывать сигналы над ними.

Высокий Dk и целостность сигнала

Для целостности сигнала важными параметрами являются значения Dk и Df по отдельности, а не просто рассмотрение тангенса угла потерь. Исключение составляют очень тонкие слои, которые вы можете использовать в печатной плате с высоким количеством слоев/HDI; я обсужу этот тип случаев более подробно ниже. Заметим, что для печатных плат с низкими потерями, значения Dk и Df, как правило, изменяются вместе (например, ламинаты Rogers), но это не всегда так. Вы можете увидеть некоторые примеры в популярных ламинатах; например, Nelco 4000-13 EP имеет примерно в 20 раз меньший тангенс угла потерь, чем FR4, но значение Dk всего на 10% ниже.

Важность значения Df и полезность некоторых наборов материалов для различных стандартов высокоскоростной передачи сигналов описаны ниже. Обратите внимание, что Dk не играет роли в этой таблице; в основном важны тангенс угла потерь и шероховатость меди.

Dk начинает играть роль, если на одном слое находятся как линии питания, так и сигнальные линии, например, в конфигурации SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR. Вкратце, существует несколько случаев, когда материалы с высоким Dk/низким Df и высоким Dk/высоким Df могут принести преимущества как для целостности сигнала, так и для целостности питания, и важно знать, как их сочетать:

• Если линии питания и сигнал смешаны на одном слое в печатных платах с небольшим количеством слоев, предпочтительнее может быть более высокий Dk
• Если питание и сигнал разделены на разные слои, для разделения питания/земли предпочтительнее высокий Dk

Второй вариант в этом списке подразумевает, что вы можете создать гибридную конструкцию печатной платы, где используются различные материалы для слоев. В зависимости от используемых материалов, вы можете сэкономить на затратах, смешивая и сочетая ламинаты, вместо выбора одного экзотического материала для всей конструкции.

Гибридные конструкции печатных плат: лучшее из обоих миров

Вы можете увидеть преимущества использования диэлектрика с низкими потерями для целостности сигнала и диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (высоким Dk) для целостности питания в гибридной структуре печатной платы. В такой структуре слой с высоким Dk будет лучшим вариантом для разделения плоскостей питания и земли в сети распределения питания (PDN), что снизит собственное сопротивление PDN и сопротивление передачи. Затем вы захотите использовать материал с низким Dk и низкими потерями для поддержки сигналов на поверхностном слое и для формирования структур стриплайн во внутренних слоях.

Ниже показан пример 10-слойной платы. Такие структуры могут быть несколько необычными и сложными в создании, поскольку вы хотите обеспечить симметрию. Это гарантирует, что любые напряжения, создаваемые несоответствием коэффициентов теплового расширения (CTE), будут равномерными как во время сборки, так и в процессе эксплуатации. Обратите внимание, что любая из плоскостей земли может быть заменена на плоскость питания с другим напряжением, и она все равно может служить опорой для соседнего слоя сигнала.

Перед созданием гибридного стека убедитесь, что вы проконсультировались с вашим производителем относительно их возможностей и какие материалы они рекомендуют использовать. Если вы решите разработать гибридный стек, ваш производитель может рекомендовать некоторые ограничения на несоответствия коэффициентов теплового расширения (CTE) между различными ламинатными материалами, что ограничит ваши доступные варианты. Хотя программное обеспечение для проектирования печатных плат в основном позволяет вам создать любой стек, это не означает, что ваш производитель сможет его изготовить. Всегда проверяйте у производителя перед изготовлением такого типа стека, чтобы убедиться, что они знают, как обращаться с этими платами и предотвратить их разделение во время сборки.

Обратите внимание, что все эти слои предполагают стандартные системы смол с армированием волокном, или то, что мы могли бы считать стандартным ламинатным материалом типа FR4. В мире РЧ часто по умолчанию используется нереинфорсированный ПТФЭ, который использует только керамический наполнитель, но не содержит стекловолокно. Тонкие слои ПТФЭ также могут использоваться в гибридном стеке; смотрите эту статью, чтобы узнать больше.

Высокий Dk может ограничить производственные возможности на тонких ламинатах

Одним из недостатков материала с высоким значением Dk для сигнального слоя является производственная пригодность. Это связано с необходимостью использования трасс меньшей ширины при соблюдении контроля импеданса. Для достижения целевого импеданса на материале с высоким Dk в сравнении с материалом с низким Dk требуются более тонкие трассы.

На толстых ламинатах это не проблема, и высокое значение Dk может быть полезным: требуются более тонкие трассы, поэтому маршрутизация к определенным компонентам может быть проще. На тонких ламинатах это становится проблемой, поскольку в конечном итоге ширина трассы становится настолько маленькой, что начинает достигать предела возможностей производства. Теперь допуски травления становятся значительной частью ширины трассы, что приводит к большему разбросу импеданса трассы. Под "тонким ламинатом" мы подразумеваем внешние ламинаты толщиной 2 мил для микрополосковых линий или внутренние ламинаты толщиной 2-4 мил для стриплайнов.

Поэтому, на очень тонких ламинатах лучше использовать материал с низким Dk, например, ламинат на основе PTFE, чтобы обеспечить производственную пригодность. Материалы PTFE имеют проблему с обработкой, когда они не усилены стекловолокном, поэтому при возбуждении чрезмерных эффектов волоконной текстуры может быть предпочтительнее усиленный ламинат.

Другие важные эффекты материалов ПП с высоким Dk

Вот некоторые другие важные эффекты использования материалов для печатных плат с высоким Dk в вашей схеме.

• Медленнее распространение сигнала. Это означает, что ваше допустимое несоответствие длины в параллельных сетях и дифференциальных парах будет меньше (при заданном несоответствии времени). Однако с правильными инструментами для трассировки и контроля импеданса в вашем программном обеспечении для проектирования печатных плат это перестает быть проблемой.
• Меньший передаточный импеданс. Как я обсуждал в недавней статье, передаточный импеданс описывает, как помеха напряжения PDN, созданная коммутирующим компонентом, влияет на колебание напряжения, наблюдаемое на другом компоненте. Если значение Dk для диэлектрика больше, то передаточный импеданс меньше, колебание напряжения, наблюдаемое на другом компоненте, меньше. Значение Df также играет здесь роль, поскольку потери в субстрате будут снижать колебание напряжения, наблюдаемое на других компонентах (см. Рис. 12 в этой статье).
• Задержки колебаний между различными компонентами. Когда колебание происходит в одном компоненте, его распространение по сети питания (PDN) до других компонентов занимает некоторое время. Когда значение диэлектрической проницаемости (Dk) больше, задержка между колебаниями в разных компонентах дольше. Однако, установленные в других компонентах байпасные конденсаторы компенсируют любые колебания, и правильно подобранный байпасный конденсатор делает эту проблему неактуальной.
• Антирезонансы межплоскостных полостей перемещаются в область более низких частот. Это становится важным на пропускных способностях до гигагерц. На частоте антирезонанса полости импеданс достигает пика на определенной частоте. Использование более тонкого материала с высоким значением Dk и большими потерями между земляным и питающим слоями снижает эти антирезонансы (см. Рис. 11 в этой статье). В будущей статье я подробнее обсужу проблему резонансов в полостях и волноводах.

Резюме

Если вы создаете гибридную структуру для платы высокой скорости/высокой частоты, вы должны использовать диэлектрик с высокими значениями Dk/Df между земляным и питающим слоями. Если вы используете один и тот же ламинат во всей структуре, вы можете достичь баланса между целостностью питания и целостностью сигнала, если используете диэлектрик с высоким Dk и низким Df.

Недостатком использования материалов для печатных плат с высоким значением Dk является более сильное емкостное связывание между проводниками. Это означает, что паразитные емкости, связанные с подложкой, будут больше, и вам придется уменьшить это, используя более тонкий диэлектрик до земляного слоя. Это, в свою очередь, заставляет вас использовать более узкие дорожки, как я упоминал выше. Если это звучит эзотерично, то ваши значения емкости дорожек будут больше; таким образом, ваши значения индуктивности дорожек также должны быть больше, чтобы обеспечить контроль импеданса. Это означает, что перекрестные помехи будут сильнее, поэтому разделение дорожек должно быть больше, чтобы компенсировать большее значение Dk.

Структура вашей печатной платы является основным фактором, определяющим целостность питания и сигнала. Вы можете обеспечить корректную работу вашей платы в обоих аспектах, когда у вас есть доступ к правильным инструментам для проектирования и анализа печатных плат. Менеджер стека слоев в Altium Designer® дает вам доступ к библиотеке обычных и специализированных ламинатов для печатных плат. Вы можете определить параметры материала для специального ламината для вашей печатной платы. Интегрированный 3D решатель поля от Simberian использует эти параметры материала для моделирования поведения сигнала в вашей печатной плате во время создания ее компоновки.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции для электронной промышленности, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать невиданных ранее уровней эффективности.

Мы только начали осваивать возможности, которые открывает Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.