Восстановление потерь проводимости за счет очистки земляного слоя вашей печатной платы

Трассировка с контролируемым импедансом на высоких частотах достаточно сложна, и важно убедиться, что вы остаетесь в пределах вашего бюджета потерь на длинных маршрутах или в потерях среды. Когда вам нужно проложить длинный след или длинную дифференциальную пару к разъему или другому компоненту, что вы можете сделать, если вы приближаетесь к концу вашего бюджета потерь?

Большинство дизайнеров скажут вам просто использовать альтернативный низкослойный/RF материал, который имеет меньший тангенс потерь, когда потери слишком высоки на высокоскоростных/высокочастотных соединениях. Что еще можно сделать, если потери являются проблемой на этих длинных соединениях?

Есть один трюк, который вы можете использовать с микрополосковыми линиями, который реализуется дизайнерами оборудования/телефонов 5G. Это техника, которая была описана мне как трассировка с пропуском опорных слоев, или просто трассировка с пропуском. Название относится к пропуску опорных слоев на конце нагрузки интерконнекта, тем самым изменяя распределение поля вокруг микрополоскового следа и уменьшая общие потери. В этой статье мы рассмотрим этот метод трассировки и объясним, как он может помочь восстановить некоторый бюджет потерь в потерянном соединении.

Что такое Skip Routing?

Skip routing включает в себя удаление некоторой части земляного слоя печатной платы в опорном слое для микрополосковой линии передачи на конце нагрузки маршрута. Когда сигнал попадает в область с очищенным земляным слоем, сигнал будет испытывать меньшие потери. Это происходит из-за того, что перемещение плоскости земляного слоя печатной платы вдали от трассы изменяет распределение поля вокруг микрополосковой линии передачи. Таким образом, импеданс линии передачи теперь ссылается на ближайший слой в стеке, до тех пор пока две земляные области установлены на один и тот же потенциал. Ниже приведено изображение, показывающее, как это работает.

Когда вы удаляете некоторую землю в области под компонентом назначения, теперь вам нужно отрегулировать ширину микрополосковой трассы на поверхностном слое, чтобы вы могли поддерживать постоянный импеданс. Когда трасса входит в область с очищенным земляным слоем, ширина трассы должна быть увеличена в очищенной области, чтобы установить импеданс в обеих областях равным. Это позволяет вам уменьшить общие потери вставки в очищенной области без создания новых потерь возврата на интерфейсе между этими областями. Я включил небольшое сужение в переходной области, которое идеально должно быть электрически коротким (примерно 10% от рабочей длины волны для РЧ сигналов).

Использование выреза по земле для уменьшения потерь в проводнике

Потери, испытываемые сигналом, будут зависеть от плотности линий поля вокруг микрополосковой линии, но это не обязательно связано с изменением тангенса угла потерь. Как только ближайший слой земли под микрополоской будет очищен, а след будет ссылаемся на следующий слой земли, ширину следа можно будет увеличить, так как это поможет следу достичь цели по импедансу.

Как мы можем получить некоторое уменьшение потерь в этом следе, не меняя каким-то образом тангенс угла потерь? Ответ кроется в скин-эффекте в проводнике. Увеличивая ширину проводника для обеспечения контроля импеданса в области с очищенным слоем земли, потери из-за скин-эффекта будут уменьшены. Мы можем увидеть это, если посмотрим на приблизительную формулу для сопротивления скин-эффекта проводника с прямоугольным сечением:

Поскольку это просто значение сопротивления, мы должны понимать, что увеличение ширины следа (W) увеличит площадь поперечного сечения, и, таким образом, сопротивление уменьшится. Это помогает восстановить небольшое количество резистивных и реактивных потерь в области, где ширина следа больше.

Использование копланарной конструкции вместо вырезов по земле

До сих пор я обсуждал только то, что происходит, когда у нас есть обычные микрополосковые линии. Что происходит, если вы спроектировали с заземленным копланарным волноводом? Разница заключается в том, что соотношение ширины к толщине диэлектрика будет меньше для копланарного волновода, когда расстояние от следа до заземляющего залива ниже. Однако у вас есть еще один рычаг, который вы можете использовать: расстояние между следом и его ближайшим заземляющим маршрутом.

Здесь у нас есть другая версия пропуска маршрутизации: где мы меняем расстояние, выходящее из копланарного волновода и микрополоски. Если вы помните предыдущую статью о расстояниях до земли для микрополоски, вы заметите, что приведение заземляющего маршрута к заливу рядом с микрополоской снижает ее импеданс, поэтому мы можем использовать более тонкий след в копланарном волноводе, чем в микрополоске при той же толщине субстрата.

Пример ниже показывает еще один способ, как мы можем компенсировать некоторые потери, переходя от узкого копланарного волновода к широкой микрополоске. Если вы помните мою предыдущую статью о потерях в микрополосках и копланарных волноводах, вы заметите, что копланарный проводник будет иметь большие потери проводимости на печатной плате для типичного шероховатого покрытия, например, ENIG. Это (частично) связано с изменением потерь в линии микрополоски из-за шероховатого покрытия, которое увеличивает величину скин-эффекта. Переходя от копланарной линии к микрополоске с конусообразным расширением, микрополоска будет иметь меньшие потери, чем копланарный участок.

В этом примере мы не очищали землю на следующем слое. Вместо этого мы просто очистили землю на том же слое и затем расширили проводник для поддержания импеданса. Некоторые дополнительные потери могли бы быть снижены за счет использования покрытия из погружного серебра вместо ENIG, а также удаления защитной маски с этих линий, поскольку материалы LPI защитной маски имеют высокий тангенс угла потерь.

Что насчет эффективного Dk?

Когда расстояние от дорожки до земляного слоя увеличивается, изменяется распределение поля, и, следовательно, изменяется и эффективное значение Dk, воспринимаемое сигналом, проходящим по дорожке. Вполне закономерно возникает вопрос: что происходит с эффективным значением Dk и влияет ли это на общие потери вдоль соединения?

Хотя изменение ширины дорожки действительно модифицирует распределение поля вокруг дорожки, это лишь незначительно изменяет эффективную диэлектрическую постоянную. Это связано с тем, что соотношение ширины к толщине диэлектрика, необходимое для контролируемого импеданса, для микрополоски является лишь слегка нелинейным, так что удвоение толщины диэлектрика требует почти удвоения ширины дорожки для достижения того же импеданса. Это возвращает вас к тому же эффективному значению Dk для ваших микрополосок. Это должно объяснить, почему тангенс угла потерь не нуждается в изменении, чтобы вернуть некоторые потери в ваши соединения.

Когда вам нужно спроектировать и проложить высокоскоростные и высокочастотные соединения, учитывая потери в проводниках печатной платы, используйте лучший набор функций для трассировки печатных плат в Altium Designer®. Интегрированный движок правил проектирования и Layer Stack Manager предоставляют вам все необходимое для расчета ширины дорожки, необходимой для достижения определенного импеданса, и учета шероховатости меди в системе материалов вашей печатной платы. Когда вы закончили проектирование и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

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