Моделирование шероховатости медной фольги в профиле импеданса Altium Designer

При моделировании длинных линий проектировщику необходимо рассчитывать шероховатость медной фольги для определения точного импеданса. Без правильных моделей или программных средств вы сможете лишь приблизительно оценить импеданс скин-эффекта, дисперсию и паразитные явления в своей плате. С этими моделями может быть сложно работать самостоятельно, если вы не разбираетесь в математике, но можно использовать правильные инструменты проектирования для быстрого включения шероховатости меди в расчет профиля импеданса при создании структуры слоев.

С помощью нового менеджера стека слоев в Altium Designer® вы можете включить коэффициенты шероховатости медной фольги непосредственно в расчет импеданса. Это довольно просто сделать в менеджере структуры слоев, но возникает вопрос: какой именно коэффициент шероховатости должен быть? Какое значение следует использовать для конкретных межсоединений? Это сложный вопрос, который связан с процессами осаждения меди на диэлектрики. Тем не менее, с некоторыми разумными приближениями в двух стандартных моделях шероховатости меди вы можете рассчитать значение коэффициента шероховатости для профиля импеданса в Altium Designer.

Профили импеданса в структуре слоев

Средство расчета профилей импеданса в Altium Designer включает в себя встроенный решатель электромагнитных полей, который рассчитывает профили импеданса на нужной опорной частоте. Этот решатель использует модель Дебая, для которой известны точные параметры модели до 10 ГГц для микрополосков и 20 ГГц для полосковых линий (для FR4 в обоих случаях). Эта причинно-следственная модель для диэлектрической функции хорошо учитывает дисперсию и предоставляет отличное приближение для значений импеданса межсоединений во всем нужном диапазоне частот.

Когда необходимо моделировать омические и индуктивные потери из-за скин-эффекта, следует учитывать два фактора:

• Геометрия межсоединения в поперечном сечении: размеры поперечного сечения трасс определяют глубину скин-эффекта для переменного тока, который формирует омическую и индуктивную составляющие характеристического импеданса.
• Шероховатость поверхности и структура осажденной меди: физическая медь, полученная электроосаждением, не является гладкой, а сформирована из связанных кусков материала. Кроме того, травление при изготовлении платы сделает поверхность еще более шероховатой, что увеличит потери из-за скин-эффекта.

Первый из этих пунктов можно легко учесть с помощью стандартных уравнений электромагнетизма. Для моделирования второго пункта необходим учет внутренней структуры проводящих трасс, а также средней шероховатости поверхности трассы. Если вы хотите работать со стандартной моделью импеданса линии передачи, то следует использовать это уравнение для расчета влияния шероховатости меди на импеданс:

Эти поправки на шероховатость также могут использоваться в решателе, таком как встроенный в Altium Designer решатель полей от Simberian. Поправку на шероховатость, которую вы используете в профиле импеданса в Altium Designer, необходимо определить с помощью причинно-следственного представления. Ее можно легко рассчитать с помощью модели Хэммерстада (Hammerstad) или модели “снежных комов” Хурея (Cannonball-Huray).

Расчет поправочных коэффициентов шероховатости медной фольги

Широко распространенными для расчета поправочных коэффициентов шероховатости являются модель Хэммерстада и модель “снежных комов” Хурея. Модель “снежных комов” Хурея более эффективна и применима с точки зрения соответствия экспериментальным данным, но она имеет более сложную форму. Тем не менее, применение причинно-следственной связи в этой модели дает выражение в конечном виде для поправочного коэффициента шероховатости в этой модели. Основным входным параметром в этой модели является средний размер частицы меди в трассе (называется “снежным комом”, или “пушечным ядром”, в этой модели).

Модель Хэммерстада, напротив, предлагает выражение в конечном виде для поправочного коэффициента шероховатости, который является функцией шероховатости поверхности. Поэтому работать с моделью Хэммерстада проще, поскольку необходимо лишь узнать от производителя среднеквадратичное значение шероховатости поверхности, которое можно определить с помощью простого измерения профиля поверхности на атомно-силовом микроскопе.

В обеих моделях, целью является расчет коэффициента K, который затем умножается на R в следующем уравнении для потерь характеристического импеданса:

В таблице ниже приведены формулы, используемые для расчета K в уравнении выше.

Дополнительная информация об использовании формул для поправочных коэффициентов шероховатости медной фольги содержится в документе DesignCon 2018. Обратите внимание, что эти коэффициенты в формулах выше являются функциями частоты, поэтому необходимо выбрать граничное значение частоты (как правило, 10 ГГц подходит). После расчета этого значения вы можете ввести его в профиль импеданса в Altium Designer.

Включение шероховатости медной фольги в Altium Designer

Включить шероховатость медной фольги в менеджер стека слоев в Altium Designer достаточно просто. После создания новой платы, при определении структуры слоев нажмите по вкладке Impedance в нижней части Layer Stack Manager. Будет открыта панель Impedance Profile, как показано ниже. Здесь вы можете указать параметры шероховатости медной фольги для своей платы, и решатель электромагнитных полей автоматически определит геометрию, которая будет соответствовать целевому импедансу с нужной точностью.

Профиль импеданса автоматически вычислит импеданс межсоединения в соответствии со структурой слоев и параметрами шероховатости, которые вы ввели. Далее вы можете сохранить этот профиль импеданса и использовать его в правилах проектирования. Это позволит автоматизировать такие задачи, как подстройка длины трасс, трассировка дифференциальных пар и расчеты целостности сигналов.

Altium Designer® включает в себя множество других средств конструирования печатных плат. Профиль импеданса с указанной шероховатостью медной фольги определен, он становится доступным прочим инструментам проектирования, таким как правила для быстродействующих цепей. Это крайне важно для обеспечения соответствия проекта требованиям к сигналам и для контроля потерь в межсоединениях.

Вы можете загрузить бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах конструирования, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium, чтобы узнать больше.