Как выбрать медную фольгу для дизайна печатных плат высокой частоты

Индустрия материалов для печатных плат потратила значительное количество времени на разработку материалов, которые обеспечивают минимально возможные потери сигнала для продуктов с РЧ-приложениями. Для высокоскоростных и высокочастотных конструкций потери будут ограничивать расстояние распространения сигнала и искажать сигналы, а также создавать отклонение импеданса, которое можно увидеть в измерениях ВРЛ (временной разности распространения). При проектировании любой печатной платы и разработке схем, работающих на высоких частотах, может возникнуть соблазн выбрать максимально гладкую медь для всех ваших проектов.

Хотя верно, что шероховатость меди создает дополнительное отклонение импеданса и потери, насколько действительно должна быть гладкой ваша медная фольга? Существуют ли другие простые методы, с помощью которых вы можете преодолеть некоторые потери и все же выполнить необходимую трассировку на вашей печатной плате? В этой статье мы рассмотрим баланс между потерями медной фольги и другими типами потерь в печатной плате, а также некоторые стратегии, которые обычно используются для преодоления шероховатости.

Типы медной фольги для стеков печатных плат

Прежде чем рассматривать, какую медную фольгу следует искать для вашей платы, важно знать кое-что о медной фольге, которая действительно доступна для включения в стек печатной платы (PCB). Медные фольги - это не то, что вы всегда можете выбирать и подбирать к каждому ламинатному материалу. Некоторые производители ламинатов предоставляют несколько вариантов, которые сочетают различные типы медных фольг с их наборами материалов, но это не относится ко всем производителям ламинатов или материалам. Если вы не можете приобрести материалы отдельно и провести их через процесс ламинирования, вам придется работать в рамках наборов материалов, которые вы можете получить от производителя ламината или дистрибьютора.

Имея это в виду, вот различные типы медной фольги, которые вы найдете в материалах для PCB:

Различные диапазоны шероховатости могут стать решающим фактором при выборе типа меди для вашего слоя печатной платы, поэтому важно изучить требуемые возможности платы и сравнить их с доступными вариантами меди и диэлектриков. Одно из того, что вы обнаружите, это то, что ламинаты, предназначенные для печатных плат высокой частоты, будут иметь вариант меди с более низким профилем, так что вы можете получить преимущества низкопотерьных диэлектриков и гладкой меди в одном пакете. Однако некоторые устройства, работающие на умеренных (низких ГГц) частотах, будут работать вполне нормально с стандартными материалами эпоксидно-стекловолоконного класса FR4, и тип меди не создаст заметной разницы в производительности. Убедитесь, что вы понимаете типы меди, указанные в технических листах ламината, если у вас есть цель по производительности.

• Читайте далее, чтобы узнать о различных типах меди в стеках печатных плат

Высокочастотные токи и медные фольги

На высоких частотах скин-эффект изменит импеданс линии передачи, и величина любого изменения импеданса из-за скин-эффекта зависит от шероховатости меди. Взаимодействие высоких частот с медными дорожками приводит к потерям через три основных механизма:

• Импеданс на средних частотах будет больше, и резистивные потери увеличатся
• Более шероховатая медь ограничивает линии поля меньшим объемом, что увеличивает поток электрического поля и, следовательно, диэлектрические потери
• Увеличенный импеданс создает небольшое несоответствие импеданса, и если оно не согласовано, это увеличит отражения (S11)

Мы нечасто рассматриваем скин-эффект на начальном этапе, но важно отметить, что это создаст отклонения импеданса и потери, если не учесть это заранее. Типичные диапазоны частот, на которых вы начнете замечать шероховатость, находятся выше 10 ГГц.

• Узнайте больше о скин-эффекте в линиях передачи

Бюджет потерь

Я бы сказал, что первый важный момент при выборе типа меди, которую вы будете использовать в вашей высокочастотной печатной плате, заключается в оценке бюджета потерь для вашего высокочастотного или широкополосного соединения с наибольшей пропускной способностью. Например, на РЧ печатной плате компоненты, которые должны передавать и принимать РЧ сигнал, будут иметь две характеристики: мощность передатчика и чувствительность приемника (или какие-то похожие названия), обе описанные в мВт или в дБм. Если вы знаете примерный размер платы или длину соединения, вы можете получить довольно хорошую оценку бюджета потерь в одной из ваших РЧ линий:

Бюджет Потерь (дБ) = [Мощность Tx (дБм)] - [Чувствительность Rx (дБм)]

Это будет общее количество потерь, которое вы можете принять, хотя хорошо оставить несколько дБ запаса выше значения чувствительности Rx. Разделите это на длину соединения, и теперь вы знаете потери на единицу длины, которые вы можете принять в ваших линиях.

• Узнайте, как оценить потери из-за шероховатости в вашем дизайне

Для высокоскоростных сигналов это более сложно, поскольку сигналы не имеют мощности и потерь, сосредоточенных на определенной частоте. Вы можете иметь высокие потери на высокой частоте, но если в диапазоне полосы пропускания приемника потери низкие, то сигнал может быть восстановлен на вашем приемнике. Поэтому, как и в случае с входным импедансом, хорошей идеей будет выбор меди, исходя из расчета потерь на пределе полосы пропускания для ваших цифровых сигналов. Это будет одно из следующего:

• Частота Найквиста, соответствующая скорости передачи данных
• Частота, основанная на значении -10 дБ в спектре S11 для вашего приемного компонента
• Значение, пропорциональное обратному времени нарастания (например, частота колена, или 0,35/(время нарастания), или 0,5/(время нарастания), что является более консервативной оценкой на основе явления Гиббса)

Для высокоскоростных цифровых сигналов мы сосредоточиваемся на первом пункте, в то время как второй пункт рассматривается в радиочастотном дизайне. Третий пункт не должен использоваться в качестве цели проектирования профессиональными дизайнерами.

Как только вы узнаете важную частоту (либо несущую для РЧ плат, либо предельную полосу пропускания для цифровых плат), вы можете перейти к оценке потерь и выбору меди.

Поскольку проблема с шероховатостью меди и потерями зависит от необходимой полосы пропускания канала для чтения логических состояний из потока битов, гораздо лучше сначала симулировать ваш канал, используя измерения S-параметров для различных значений шероховатости меди и диэлектрических потерь. Это дает вам целевое значение шероховатости, которое вы можете принять для вашей меди, и вы можете определить, есть ли слишком большая шероховатость в вашем канале.

Это означает, что вам нужно:

1. Посмотреть на спецификацию сигнализации и определить, какие метрики SI вам нужно достичь на пределе вашей полосы пропускания
2. Посмотреть на скорость передачи данных и определить минимальную полосу пропускания, которая требуется вашему маршрутизационному каналу
3. Пройти через некоторые реалистичные значения шероховатости, пока вы не достигнете ваших целей SI (обычно потери S21) до предела полосы пропускания, найденного в пункте №2

Платформы вроде Simbeor или Ansys SIwave могут быть использованы для сбора этих измерений S-параметров, и я показал несколько примеров этих измерений в прошлом.

В качестве примера рассмотрим результаты моделирования, представленные ниже, для примера маршрутизационного канала на Rogers 3003; расчет выполнен в Simbeor. Отсюда мы можем ясно увидеть, каков предел полосы пропускания канала на уровне -10 дБ в спектре S11, и мы можем видеть соответствующие потери в спектре S21. Когда мы корректируем шероховатость меди и подстраиваем ширину линии для компенсации, мы можем дополнительно оптимизировать канал, чтобы обеспечить приемлемое согласование импеданса, снижая при этом потери до приемлемого предела.

Процесс выбора ламинатов и меди

При подборе меди и диэлектрических материалов существует простой процесс, который можно следовать, чтобы гарантировать достижение ваших рабочих целей.

1. Планируйте, где вы хотите проложить соединения, чувствительные к шероховатости (внешний слой против внутреннего слоя), это потребует немного планирования расположения основных компонентов
2. Определите, какой тангенс угла потерь вы можете принять на вашей рабочей частоте
3. После того, как вы найдете набор материалов, удовлетворяющий пункту #2, посмотрите на доступные вам варианты меди и выберите подходящую шероховатость меди и покрытие поверхности для вашего дизайна
4. Убедитесь, что выбранный в пункте #3 вариант меди доступен в необходимом вам весе; более тяжелая медь будет иметь меньшие потери из-за скин-эффекта

Я указал шаг #2 первым, потому что на рабочих частотах, где важна шероховатость, диэлектрик все равно будет доминировать в потерях, и он определит другие аспекты структуры ПП (количество слоев/толщину и т.д.), которые следует рассмотреть в первую очередь. Шаг выбора покрытия и меди должен следовать далее, исходя из доступных вам ламинатных материалов.

Чтобы полностью определить выбор меди и конструкцию стека для вашего производителя, используйте инструменты проектирования в Altium Designer^®. Вы можете определить профили импеданса и требования к трассировке внутри менеджера слоев, а также указать конкретные материалы для использования в стеке печатной платы во время изготовления. Как только вы завершите разработку вашей печатной платы и будете готовы поделиться своими проектами с коллегами или вашим производителем, вы можете поделиться своими завершенными проектами через платформу Altium 365^™. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.