Микрополосковая ПП с зазором для заземления Часть 2: Как зазор влияет на потери

В предыдущей статье я предоставил обсуждение и некоторые результаты симуляции по необходимому зазору между управляемыми по импедансу дорожками и близлежащим заземленным медным заливом. Мы обнаружили, что когда расстояние между заливом и дорожкой становится слишком маленьким, дорожка превращается в управляемую по импедансу копланарную волноводную линию (с заземлением или без). Также было замечено, что правило 3W для расстояния между дорожкой и заземленным медным заливом является немного излишне консервативным.

По сути, если ваша цель - достичь целевого импеданса, и вы беспокоитесь о том, как близлежащий залив может повлиять на импеданс, вы можете приблизиться ближе, чем это предусмотрено правилом 3W. Однако точный предел зазора, который вы можете применить, зависит от толщины диэлектрика; более толстые подложки позволяют меньшее соотношение зазора к ширине, все из которых были найдены комфортно нарушающими правило 3W для практических толщин ламината, исследованных в некоторых симуляциях.

Хотя мы сосредоточились на импедансе в предыдущей статье, справедливо было бы спросить, каковы эффекты на потери? Если причина этого вопроса не очевидна, или если вы не в курсе тонкостей дизайна линий передачи, тогда продолжайте читать, чтобы увидеть, как близлежащий заземленный залив может повлиять на потери в управляемых по импедансу соединениях.

Почему заземление рядом с дорожкой влияет на потери?

Это разумный вопрос, и он связан с тем, как близлежащий проводник может изменять распределение электромагнитного поля вокруг дорожки, по которой проходит некоторый статический заряд или плотность тока. Чтобы понять, как могут возникать потери, когда заземленный слой меди расположен рядом с микрополоской или стриплайном, давайте рассмотрим электрическое поле.

На изображении ниже я нарисовал приблизительный эскиз электрического поля вокруг микрополоски. Когда рядом находится заземленный слой меди на том же слое, что и дорожка, некоторые линии электрического поля заканчиваются на краю проводника.

Поскольку заземленный слой притягивает линии поля к земле, электромагнитное поле сильно концентрируется в области между дорожкой и близлежащим слоем меди. Возможно, вы задаетесь вопросом, как это приводит к большим потерям?

Эффект скин-слоя и токи изображения

Теперь пришло время для небольшого урока электромагнетизма... Когда сигнал передается по дорожке, его сопутствующая плотность тока будет сосредотачиваться вокруг края дорожки, которая направляет сигнал. Однако типичная картина, которую мы все изучаем на уроках электромагнетизма, применима только когда мы рассматриваем бесконечно длинный провод, изолированный от всех других сред, включая любые другие близлежащие проводники. На самом деле, когда проводник приближается к дорожке, ток сгущается вокруг областей дорожки, где ортогонально ориентированное электрическое поле наиболее интенсивно, что соответствует боковым краям дорожки.

В моих недавних докладах на некоторых конференциях, а также в презентациях, которые я видел от многих других исследователей, аналитические расчеты, связанные с скин-эффектом, представлены с игнорированием тока изображения в близлежащих земляных плоскостях и медных заливках. Это в значительной степени упрощение ради расчета и для краткости во время презентации. Расчет этого конкретного распределения для каждой конфигурации дорожек заслуживает отдельной статьи в таких изданиях, как IEEE или JPIER. Однако это основное соображение для понимания роли емкостной связи и ее влияния на потери.

Чтобы узнать больше о создании тока изображения в проводнике и о том, как это искажает скин-эффект, ознакомьтесь с этой статьей, опубликованной в IEEE:

• Мунгилан, Д. Е. К. Е. Е. Н. А. "Моделирование скин-эффекта методами изображения плоскостей для излучаемых помех от дорожек печатных плат." На симпозиуме IEEE 1997, EMC, стиль Остин. Международный симпозиум по электромагнитной совместимости IEEE 1997. Записи симпозиума (Кат. № 97CH36113), стр. 308-313. IEEE, 1997.

Поскольку ток сосредотачивается у края дорожки, это увеличивает силу взаимодействия между током и шероховатой поверхностью медной дорожки. Помните, шероховатость меди увеличивает величину скин-эффекта и создает дополнительное потерянное сопротивление. Теперь, чтобы понять, что происходит в этом взаимодействии, нам нужно понять, как материалы медного покрытия влияют на потери.

Цифровые системы против РЧ систем

На данном этапе важно различать цифровые системы и РЧ платы из-за особенностей обращения с паяльной маской и покрытием. В цифровой плате мы обычно оставляем паяльную маску нанесенной повсеместно и сосредотачиваемся на соответствии канала требованиям, превышающим минимально необходимую цифровую полосу пропускания. Для РЧ систем очень распространено удалять паяльную маску, так что передающие линии, поддерживающие РЧ сигналы, будут иметь некоторое покрытие снаружи.

• Цифровые технологии - Я не видел всестороннего исследования, показывающего, как близкий медный залив влияет на потери, создаваемые маской пайки. Мне кажется, если есть маска пайки, электромагнитное поле будет взаимодействовать с ней в любом случае, и отклонение в потерях может быть минимальным в обоих случаях. Кто-то, у кого есть какие-то соображения по этому поводу, должен найти меня в LinkedIn и отправить мне сообщение.
• РЧ - В этом случае перераспределение тока в области покрытия определенно вызывает изменение потерь вдоль соединения. Поэтому покрытие может стать новым фактором, определяющим потери из-за его влияния на шероховатость, как обсуждается ниже.

Предположим, вы удалили маску пайки с дорожек в вашей цифровой системе; вам все равно придется учитывать структуру пленки покрытия и ее шероховатость, чтобы понять, как близкий медный залив влияет на потери.

Для РЧ печатных плат: Избегайте никелевых покрытий, предпочитайте серебро

Джон Кунрод предоставил отличные данные, которые показывают влияние покрытия ENIG на постепенно возрастающие частоты в заземленном копланарном волноводе (очень похожем на копланарную микрополоску с землей) и одиночной микрополоске без медного залива. Я рекомендую читателям взглянуть на одно из его видео на YouTube по этой ссылке. Более полная оценка может быть найдена в этом видео. Короче говоря, данные Джона показывают два вывода:

• Переход к копланарной конфигурации может привести к большим потерям, когда копланарное заземление находится близко, что заставляет микрополоску быть тоньше (больше потерь из-за скин-эффекта).
• Покрытие ENIG всегда обеспечивает большие общие потери в копланарной конфигурации по сравнению с простой микрополоской.

Можно с уверенностью ожидать аналогичных результатов для стриплайнов.

Изображение ниже показывает важный график из видео, на которое я дал ссылку выше. По сути, из-за соединения покрытия между медью и никелем, шероховатость, с которой сталкивается распространяющийся ток, намного больше в копланарном волноводе, чем для микрополоски. Тем временем, для чистой меди, мы видим очень похожие потери в обоих типах передающих линий. Ниже нескольких ГГц, кажется, нет разницы между потерями в каждом типе передающей линии.

Следует ли вам использовать заземленный медный залив рядом с вашими соединениями или лучше его опустить? Очевидно, что кроме экранирования, импеданса и потерь, есть и другие факторы для рассмотрения. Также упоминается теплопередача как одна из причин для размещения медного залива вокруг печатной платы. Если вы все же хотите использовать медный залив вокруг высокоскоростных линий с контролируемым импедансом, убедитесь, что вы проверили ваши соединения с помощью некоторых базовых измерений (TDR или S-параметры). Приведенные выше результаты должны показать, почему покрытие из погруженного серебра часто является предпочтительным выбором для высокочастотных/высокоскоростных соединений с контролируемым импедансом, а не ENIG.

Вывод

Честно говоря, есть некоторые недостатки в бесконтрольном заполнении каждого сигнального слоя медным заливом, некоторые из которых мы здесь отметили. Келла Нак также отмечает несколько недостатков медного залива в другой статье; я бы не согласился с тем, что использование медного залива является плохой практикой проектирования и его никогда не следует использовать, но вам следует учитывать недостатки для вашего конкретного дизайна и обязательно тестировать прототипы, исходя из этих предполагаемых недостатков. Применение медного залива может быть правильным или неправильным, и его использование иногда рассматривается как один из тех выборов типа "всегда" или "никогда"; обе стороны, вероятно, вырывают выбор дизайна друг друга из контекста. В любом случае, вам действительно нужен медный залив для определения элементов печатной платы в современных РЧ-дизайнах, которые обеспечивают экранирование, интегрированные в подложку волноводы и волноводы с контролируемым сопротивлением на одной плоскости. Убедитесь, что вы используете его мудро и применяете соответствующее покрытие, если потери будут проблематичными.

Определение подходящего расстояния для заземления микрополосковых линий начинается с использования лучших инструментов проектирования стека печатных плат. Когда вы используете Altium Designer, вы можете легко определить необходимую ширину и расстояние между дорожками, чтобы обеспечить контролируемое сопротивление маршрутизации на платах, использующих заземленное медное покрытие в вашей компоновке печатной платы. Когда вы закончили проектирование и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.