Обзор материалов с встроенной емкостью

Емкость является вашим союзником всякий раз, когда вам нужна стабильная энергетическая целостность, поэтому так много внимания уделяется развязывающим конденсаторам. Хотя эти компоненты важны и их можно использовать для обеспечения целенаправленных решений по энергетической целостности для определенных компонентов, существует один специализированный материал, используемый для увеличения емкости в вашем стеке печатной платы или подложке пакета. Этот тип специального материала называется материалом с встроенной емкостью или ECM.

Эти ламинаты могут быть включены в стек печатной платы для обеспечения очень высокой емкости, которая способствует энергетической целостности. Эти материалы также могут действовать как замена группы развязывающих конденсаторов, если это необходимо. В этой статье будет рассмотрено правильное использование этих материалов, а также их материальные свойства при использовании в пакетах подложек ИС и печатных платах.

Что такое материал с встроенной емкостью?

Материалы с встроенной емкостью представляют собой медные ламинаты с очень тонким слоем и высокой диэлектрической постоянной. Эти материалы предназначены для разделения слоя питания и земли в стеке печатной платы, тем самым обеспечивая некоторую емкость, которая встраивается в стек печатной платы. Материалы с встроенной емкостью определены и описаны в стандарте IPC 4821 (Спецификация для материалов конденсаторов с встроенными пассивными устройствами для жестких и многослойных печатных плат).

Эти материалы выполняют две основные функции:

• Обеспечивают высокую емкость плоскости в PDN за счет их высокого значения Dk и низкой толщины
• Обеспечивают демпфирование электромагнитных волн за счет их умеренно высокого тангенса угла потерь

Основная функция этих материалов заключается в обеспечении более высокой емкости в PDN (что приводит к более низкому импедансу PDN) и большему демпфированию пульсаций питающей шины (что приводит к менее интенсивным резонансам плоскости/полости на частотах в ГГц) из-за более высокого тангенса угла потерь материала. С точки зрения схемы, эти материалы обеспечивают одновременно демпфирование и емкость, но с низкой индуктивностью распространения, поэтому они действуют как конденсатор с контролируемым ESR.

Улучшенная целостность питания

Пример, показывающий влияние ECM на целостность питания, представлен на данных импеданса PDN ниже. На этом графике мы можем ясно видеть, что присутствие более тонкого материала ECM снижает импеданс PDN, как и ожидалось. Более тонкий материал с высоким тангенсом угла потерь также демпфирует резонансы PDN, как показано на меньших пиках около 1 ГГц, что точно соответствует диапазону частот, где корпуса ИС требуют быстрых импульсных ответов в PDN.

Вышеуказанный результат происходит потому, что более тонкий ECM обеспечивает большую емкость, но не обеспечивает большую индуктивность. Кроме того, дополнительное демпфирование в ECM приводит к снижению резонансных пиков с низким Q-фактором. Вместе эти эффекты снижают общее сопротивление PDN и уменьшают Q-значение высокочастотных резонансов.

Улучшенная целостность сигнала

Улучшенная энергетическая целостность также приводит к улучшению целостности сигнала, как показано на данных диаграммы глаза ниже. На этом графике мы видим, что диаграмма глаза демонстрирует значительный джиттер, даже когда мы используем тонкий FR4 в качестве ламината пары плоскостей питания/земли и 100 SMD-конденсаторов для поддержки низкого сопротивления PDN. Это происходит потому, что пульсации на PDN также вызывают изменения в уровне сигнала, когда выходная буферная схема переключает логические состояния. Результатом является изменение времени выходного сигнала, которое проявляется как джиттер на диаграмме глаза.

График справа показывает диаграмму глаза с ECM и без SMD-конденсаторов на тестовой плате. Результатом является примерно двукратное снижение джиттера и большее открытие глаза. Это явное улучшение целостности сигнала, и оно полностью обусловлено снижением пульсаций на шине питания.

• Читайте больше о взаимосвязи между пульсациями на шине питания и целостностью сигнала.

Вышеупомянутые факторы иллюстрируют хорошо известную связь между SI и PI. Также наблюдается снижение излучаемых ЭМИ, измеряемых с краев печатной платы, когда используются материалы ECM. Это происходит потому, что излучение, генерируемое пульсациями питающей шины, будет испытывать большее диэлектрическое затухание по мере его распространения к краю платы, таким образом, оно покидает плату с меньшей интенсивностью.

Где использовать ECM

Не все печатные платы требуют использования ECM для обеспечения целостности питания. В некоторых случаях уровень емкости, предоставляемый ECM, является избыточным, и вы сможете обеспечить достаточную емкость в вашей сети распределения питания (PDN) с помощью стандартных ламинатных материалов и малогабаритных конденсаторов. В некоторых проектах ECM, который очень тонкий, является одним из единственных решений, которое обеспечит требуемую емкость, необходимую для целостности питания. Некоторые типичные случаи, когда ECM используются в печатной плате, включают:

• Маленькие платы, поддерживающие большое количество высокоскоростных сигналов (мобильные устройства, планшеты и т.д.)
• Платы с небольшим количеством слоев, но с множеством высокоскоростных шин (передовые продукты IoT и датчики мм-волн)
• Очень плотные, умеренно маленькие платы, в которых нет места для дискретных конденсаторов (старые телефоны, новые расширительные карты, маленькие материнские платы)

Платы с меньшим количеством слоев (6-10 слоев) обычно используют ECM в центральном слое между выделенным слоем питания и земляной плоскостью. В платах с большим количеством слоев (возможно, до 24 или 32 слоев) распределение пар слоев может варьироваться, но для обеспечения достаточной емкости, поддерживающей SI/PI для всех сигналов в устройстве, потребуется очень тонкий слой. Та же стратегия используется для подложек ИС.

Свойства ECM для печатных плат

В таблице ниже показан список возможных свойств материалов для ECM, используемых в печатных платах. Эти материалы доступны как жесткие материалы (например, FaradFlex и 3M), или они могут быть включены в гибкие полиимидные материалы (например, от DuPont). Они разработаны для включения в стандартный процесс ламинирования при создании стека печатной платы.

Пакеты и модули ECM

ECM также рекламируются для использования в пакетах подложек ИС. Эти пакеты предполагают размещение кремниевого кристалла на органической подложке, возможно, установленного на промежуточный адаптер для обеспечения дополнительной связи между кремниевыми кристаллами, подложкой пакета и, в конечном итоге, с печатной платой. Материал подложки затем распределяет эти медные соединения к BGA-узору на нижней стороне пакета.

Для пакетов и модулей толщина слоев также значительно меньше, чем у типичного ламината FR4, но с целевым значением Dk, которое значительно выше, чем у материалов, используемых в подложке печатной платы.

Важно отметить, что ЭКМ, предназначенный для печатной платы, также может использоваться в подложке интегральной схемы, но это не обязательно будет так же эффективно. Следует заметить, что некоторые материалы ЭКМ специально предназначены для печатных плат или интегральных схем (например, FaradFlex). В отличие от этого, некоторые линейки продуктов ЭКМ (такие как 3M) предназначены для использования как в печатных платах, так и в интегральных схемах.

В общем, ЭКМ для использования в упаковке интегральных схем имеют следующие требования:

• Предпочтительнее высокое значение Dk
• Предпочтительнее высокий тангенс угла потерь
• Предпочтительнее меньшая толщина слоя
• Значение Tg менее важно

Высокое значение Dk требуется, потому что мы хотели бы иметь большую плотность емкости плоскостей (измеряется в емкости/(площадь подложки)). Значение Tg менее важно, поскольку значения Tg для материалов ЭКМ уже значительно выше температурных пределов для интегральных схем. Высокий тангенс угла потерь в ЭКМ (как для печатных плат, так и для подложек интегральных схем) важен для контроля пульсаций и будет обсуждаться более подробно в одном из следующих разделов.

Чтобы обеспечить такую же емкость, как у ECM с более низким Dk на печатной плате, ECM, используемый в подложке интегральной схемы, должен иметь гораздо более высокий Dk, поскольку размер подложки пакета будет меньше. Это обеспечивает подложке интегральной схемы достаточную емкость пакета, которая способствует сохранению целостности питания на кристалле в диапазоне ГГц, особенно когда в пакете нет места для чип-конденсаторов и на кристалле мало емкости. Поскольку печатная плата обычно имеет большую площадь, она может обойтись более низким значением Dk, если это необходимо.

Слои ECM в ваших CAD-инструментах

Включение ECM в стек платы вашей печатной платы внутри ваших CAD-инструментов просто. Вам просто нужно определить свойства материала и толщину в стеке вашей печатной платы, так же, как вы бы сделали это с любым другим материалом. Если вы планируете использовать вашу плату в симуляции с использованием решателя поля, например, для анализа целостности питания или сигнала, тогда вам нужно будет включить диэлектрические свойства в определение стека слоев, чтобы их можно было учесть в модели симуляции.

Также хорошей идеей будет указать выбор материала в вашем стеке печатной платы на чертеже изготовления и в примечании к изготовлению. Когда вы создаете изображение стека в чертеже изготовления, убедитесь, что слой ECM присутствует и что его не спутают с материалом класса FR4 или каким-либо другим материалом. Если вы используете Draftsman, вы можете автоматически сгенерировать изображение вашего стека слоев и быстро разместить его в чертеже изготовления.

Также убедитесь, что ваша спецификация ECM указана в ваших примечаниях к изготовлению. Соответствие стандартам IPC вашего ECM, толщина, вес меди, пара слоев, номер детали дистрибьютора (если доступен) и торговая марка должны быть указаны в примечании к изготовлению. Пример показан ниже.

По мере того как электроника продолжает расширять границы плотности функций и компонентов, ECM станут более важными для обеспечения достаточного развязывания, когда пространство для дискретных конденсаторов ограничено. Аналогично, для корпусов ИС, включающих несколько кристаллов в 2.5D и 3D, необходимо обеспечить достаточное развязывание для поддержания целостности питания внутри корпуса, когда емкость на кристалле низкая. Чтобы узнать больше об использовании этих материалов в печатных платах и подложках, я призываю читателей обратиться к следующим ресурсам.

• Новак, Иштван. "Опыт SUN с использованием тонких и ультратонких ламинатов для приложений распределения энергии", TechForum TF-THA2, DesignCon (2006).
• Борланд, Билл. "Развязка высокопроизводительных полупроводников с использованием технологии встроенных конденсаторов", 2006 15-й Международный симпозиум IEEE по применению ферроэлектриков.

Когда вам нужно указать материалы в стеке слоев для продвинутых высокоскоростных цифровых печатных плат и корпусов ИС, используйте полный набор инструментов для проектирования продуктов в Altium Designer®. Менеджер стека слоев дает вам полный контроль над вашим стеком платы, включая выбор материалов и расчет импеданса. Когда вы закончите проектирование и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.