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.

Лучшая интерактивная маршрутизация

Сократите время маршрутизации вручную даже для самых сложных проектных решений.

Изучите предлагаемые решения

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.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

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.

Layer Stackup Design

Reduce noise and improve signal timing, even on the most complex boards.

Learn More