Клиренс земляной плоскости микрополоски: насколько близко слишком близко?

Если вы взглянете на любые руководства по расчету ширины следов для контролируемых импедансных трасс, вы увидите, что ширина следа рассчитывается без учета земли, которая будет находиться рядом с трассой. Однако большинство проектировщиков (и базовые рекомендации по компоновке PCB) утверждают, что неиспользуемые области на каждом слое PCB должны быть заполнены заземленной медной заливкой.

Здесь есть очевидное противоречие, которое не так часто обсуждается в сообществе проектировщиков PCB. Если вы разместите заземленную заливку рядом с трассой микростропа, вы образуете ко-планарный волновод, и теперь импеданс соединения будет зависеть от расстояния между краем трассы и медной заливкой. Теперь вопрос заключается в том, какое расстояние между трассой микростропа и землей необходимо, чтобы гарантировать достижение целей импеданса?

В этой статье я хочу более подробно рассмотреть этот вопрос. Предыдущие объяснения фокусируются на диапазоне возможных импедансов, которые игнорируют практические требования современного проектирования компонентов. Если вы хотите узнать минимальное расстояние между трассой микростропа и землей, необходимое для обеспечения контролируемого импеданса, продолжайте читать, и вы найдете хороший ответ для диапазона возможных ширин трасс. Результаты проектных исследований, которые я покажу, показывают, что то же объяснение также применимо к линиям передачи на внутреннем слое.

Процесс проектирования с контролируемым импедансом

На платах, которые требуют маршрутизации с контролируемым импедансом, существует особый процесс проектирования, который обычно встречается для конкретной сети/группы сетей при начале проектирования:

• Определите целевой импеданс для конкретных сетей, которые рассматриваются
• Определите стек, который вы будете использовать, и где будете маршрутизировать
• Выберите стиль маршрутизации (микростроп, стриплайн, ко-планарный волновод, однонаправленный против дифференциального)
• Рассчитайте ширину трассы, необходимую для достижения требуемого импеданса

После того как все маршрутизировано, теперь возникает вопрос, следует ли заполнять неиспользуемые области поверхности и внутренних слоев заземленной медной заливкой. Однако теперь это вопрос, не слишком ли близка заземленная заливка к трассе. На изображении ниже показан пример трассы RF, работающей на высокой частоте (5,8 ГГц), которая будет служить линией питания для антенны.

Этот пример довольно важен, так как многие примечания к приложениям для компонентов с RF выходами будут рекомендовать именно такой тип маршрутизации, возможно, с забором через отверстия вдоль трассы. Цель здесь — изолировать RF трассу от ЭМИ, которая может поступать из других частей схемы или от внешнего источника. Однако эти же примечания к приложениям обычно дают чрезмерно консервативное руководство по расстоянию между RF трассой и ближайшей медной заливкой. Так насколько близко к земле можно разместить вашу трассу с контролируемым импедансом?

Это линия передачи микростропа или ко-планарный волновод?

На данный момент я хочу сосредоточиться на однонаправленных микростропах, потому что они концептуально просты, но все, что я собираюсь написать, относится также и к стриплайнам. Т те же идеи применимы и к маршрутизации дифференциальных пар.

Если заземленные заливки на поверхности, показанные на изображении выше, слишком близки к трассе, то у нас ко-планарный волновод, а не микростроп. Теоретически, когда заземленные заливки на поверхности находятся на бесконечном расстоянии от трассы, то мы возвращаемся к микростропу. Если вы поднесете заземленную плоскость слишком близко к трассе, вы измените импеданс микростропа из-за паразитной емкости между краем трассы и заземленной заливкой. Вот почему однонаправленные линии передачи микростропа и ко-планарные волноводы не всегда имеют одинаковую ширину трассы; ко-планарный волновод обычно требует меньшую ширину для достижения того же импеданса, что и микростроп на том же стеке.

Из вышеизложенного мы можем увидеть, почему трассы ко-планарного волновода могут быть меньше, чем микростроп на том же слое и стеке. Паразитная емкость увеличивает общую емкость на единицу длины трассы, поэтому L необходимо увеличить, чтобы компенсировать это, а затем вернуть импеданс к 50 Ом. В следующем разделе я использую эту идею, чтобы проверить, когда заземленная заливка слишком близка к трассе, рассматривая отклонение импеданса от цели 50 Ом как функцию расстояния до земли.

Тестирование правила "3W"

Здесь есть правило. Это правило "3W", которое гласит, что расстояние между трассой и ближайшей заземленной заливкой должно быть как минимум в 3 раза больше ширины трассы. Как мы скоро увидим, это руководство слишком консервативно и не учитывает несколько факторов. На самом деле минимальное требуемое расстояние будет зависеть от:

• Стиль маршрутизации (микрострип vs. стриплайн)
• Используется ли однофазная или дифференциальная маршрутизация
• Диэлектрическая проницаемость подложки
• Расстояние между проводником и его землей на следующем слое

Поскольку мы рассматриваем ситуацию, где необходимо определить требуемую ширину проводника для контролируемого импеданса, я собираюсь протестировать правило 3W, сравнив ширину проводника, необходимую для создания микрострипов с импедансом 50 Ом, с копланарной волноводной линией того же импеданса. Я проведу это для различных толщин слоев, чтобы мы могли увидеть, как метод определения внутренних параметров полосовых линий влияет на требуемое расстояние до земли. Здесь цель состоит в том, чтобы определить минимальное расстояние, необходимое для создания копланарной волноводной линии с тем же импедансом и шириной проводника, что и у микрострипа.

Результаты

Сначала я создал набор кривых, показывающих ширину микрострипа, ширину стриплайна и ширину копланарных проводников (для внутренних и поверхностных слоев), которые необходимы для получения импеданса 50 Ом на ламинате 370HR Isola (Dk ~ 4,1, ~0,02 потерь касания @ 1 ГГц). Эти вычисления были выполнены в Polar. На изображении ниже показаны эти результаты и позволяют сравнить ширину проводников для каждого типа трассы при заданном расстоянии до земли 5 мил.

Из этого мы видим, что существуют специфические конфигурации слоев, где CPW и микрострип/стриплайн имеют импеданс 50 Ом и одинаковую ширину проводника, несмотря на то, что зазор до земли в CPW достаточно мал.

Следующий график исследует это дальше. Он показывает минимальное расстояние от проводника до земли, необходимое для создания микрострипа с импедансом 50 Ом и копланарного волновода с тем же импедансом и шириной проводника. Результаты также показаны для стриплайна и копланарного волновода на внутреннем слое.

Интерпретация вышеуказанного графика очень проста: он показывает минимальное расстояние от проводника до земли в CPW, необходимое для создания того же импеданса в микрострипе/стриплайне, когда они оба имеют одинаковую ширину проводника. Теперь мы можем наконец протестировать правило 3W. Просто разделите данные по оси y на данные по оси x, чтобы получить следующий график:

Совершенно очевидно, что правило 3W является чрезмерно консервативным, за исключением случаев с маршрутизацией стриплайна в тонких диэлектриках. Следуйте ему, если хотите, поскольку оно предотвратит излишние помехи для вашего импеданса. Однако это расстояние может не обеспечить нужную изоляцию. Это область, которую можно протестировать с помощью решателя поля, исследуя связанные параметры сети и коэффициенты перекрестных помех между различными соединениями.

Результаты выше показывают случай, когда ламинированные материалы, поддерживающие микрострип или симметричный стриплайн, имеют Dk = 4,1. Что происходит, если мы используем ламинат с более низким значением Dk? Повлияет ли это на результаты?

Действительно, результаты изменяются, потому что емкость, возвращающаяся к ближайшему медному заливу, будет ниже. Это связано с тем, что паразитная емкость между проводником и ближайшим заливом пропорциональна диэлектрической проницаемости как в конфигурациях стриплайна, так и микрострипа. Следовательно, низкая паразитная емкость между этими структурами означает, что мы должны ожидать меньшую девиацию импеданса для заданного расстояния до заливки.

График ниже показывает больше результатов моделирования для соотношения зазора и ширины, но для материала с Dk = 3 (например, RO3003). Мы видим, что для более низкого соотношения зазора и ширины, включая случаи очень тонких ламинатов, разрешается меньшее расстояние до медного залива. Эти результаты поддерживают определенные конструкции, такие как радиочастотные системы на тонких ламинатах, а также HDI-дизайны с мелким шагом.

Я использовал аналогичный подход для прямого расчета ожидаемых емкостей к бесконечно большому медному заливу в другой статье о паразитных извлечениях. Чтобы узнать больше о влиянии медного залива рядом с линиями передачи, для которых необходимо обеспечить спецификацию импеданса, посмотрите видео ниже. В этом видео я описываю вышеуказанные моменты гораздо более подробно, и 

Резюме

Из вышеуказанных результатов должно быть очевидно, что правило 3W, используемое для определения расстояния между проводником и землей для микрострипа и ближайшего медного залива, является чрезмерно консервативным. Обратите внимание, что приведенные толщины диэлектрика — это практичные значения, которые могут быть найдены в 4-слойных или более толстых конфигурациях, в зависимости от используемого ламината для сборки. Мы также видим, что для заданного расстояния до земли можно иметь гораздо меньший зазор для микрострипа, в то время как для стриплайна требуется гораздо большее расстояние в тонких диэлектриках. В конечном итоге, когда диэлектрик становится достаточно толстым, эти две кривые сходятся.

Читать Microstrip Ground Clearance Part 2: Как зазор влияет на потери

Определение подходящего расстояния для зазора между микрострипом и землей начинается с лучших инструментов для проектирования слоев печатных плат. Когда вы используете Altium Designer®, вы легко можете определить требуемую ширину проводника и зазор, чтобы обеспечить контролируемую маршрутизацию импеданса в платах с медным заливом в вашем макете печатной платы.

Когда вы завершите проект, и хотите отправить файлы производителю, платформа Altium 365™ позволяет легко сотрудничать и обмениваться проектами. Мы только что начали исследовать возможности, которые предлагает Altium Designer на Altium 365. Вы можете ознакомиться с страницей продукта для более подробного описания функций или с одним из вебинаров по запросу.