Гибкие печатные платы: целостность сигнала гибких цепей для сетчатых заземляющих плоскостей

Ультравысокие скорости на гибких и жестко-гибких платах неизбежны, поскольку эти платы находят применение в передовой электронике. Эти системы также требуют заземляющих слоев для изоляции и для разделения RF и цифровых сигналов для беспроводных протоколов. С высокими скоростями и высокими частотами возникает потенциал для проблем с целостностью сигнала, многие из которых связаны с размещением и геометрией заземляющего слоя на печатной плате.

Распространенный метод обеспечения постоянного 0 В опорного напряжения на гибких и жестко-гибких платах заключается в использовании сетчатого или решетчатого заземляющего слоя на гибкой ленте. Это обеспечивает большой проводник, который все еще может обеспечивать экранирование на широком диапазоне частот, при этом позволяя гибкой ленте изгибаться и складываться без излишней жесткости. Однако проблемы с целостностью сигнала возникают в двух областях:

• Обеспечение постоянного импеданса трасс,
• Экранирование и изоляция, и
• Предотвращение эффектов, подобных волоконной текстуре, в структуре сетки.

В этой статье мы подробнее рассмотрим проблемы с целостностью сигнала, возникающие из-за сетчатых заземляющих слоев, и что можно с этим сделать.

Дизайн сетчатого заземляющего слоя

В самом базовом смысле, штриховка работает так же, как и любая другая земляная плоскость. Она предназначена для обеспечения постоянной опоры, чтобы трасса могла быть спроектирована с желаемым импедансом. Любые из общепринятых геометрий передающей линии (микрополоска, стриплайн или волноводы) могут быть размещены в жестко-гибких или гибких печатных платах с сетчатой земляной плоскостью. Размещение сетчатой медной области на поверхностном слое гибкой ленты обеспечивает почти те же эффекты, что и сплошная медь на низких частотах.

Общая конфигурация для маршрутизации стриплайна и микрополоски на гибкой ленте с сетчатыми земляными плоскостями показана ниже.

Эта сетчатая структура может использоваться в жестких платах, но я никогда не видел этого на практике, и ни один клиент не запрашивал это. Вместо этого, сетчатый узор используется в гибких/жестко-гибких платах для сбалансирования потребности в контроле импеданса с необходимостью обеспечения разумной гибкости ленты. Независимо от того, проектируете ли вы трассы или узор штриховки, следуйте лучшим практикам для статических и динамических гибких лент и стандартам IPC 2223.

Контроль Импеданса

Один из вариантов работы с однопроводными или дифференциальными парами заключается в размещении сплошной меди в слое плоскости непосредственно под дорожками и размещении сетчатой структуры в других местах схемы. Если трассировка становится очень плотной, то вам придется использовать сетку везде. Если вы решите использовать сетку, у вас будет больше гибкости, но меньше изоляции экранирования и измененные условия для контроля импеданса.

Как показано выше, структура сетчатой плоскости имеет два геометрических параметра: L и W. Эти два параметра могут быть объединены в коэффициент заполнения, или долю площади сетки, покрытой медью. Изменение этих параметров имеет следующие эффекты:

• Увеличение площади сетки (увеличение открытой части сетки за счет увеличения L) повышает импеданс при условии, что другие параметры остаются постоянными. Это также делает ленту более легкой для изгиба (меньше силы).
• Увеличение W, при постоянных остальных параметрах, закрывает площадь сетки, что увеличивает импеданс. Это также делает режим ленты труднее для изгиба (требуется больше силы).

Другие параметры, определяющие импеданс для стандартных геометрий, оказывают те же эффекты при работе с сетчатой земляной плоскостью. Как только вы достигнете высоких частот, вы начнете возбуждать нетемовские моды вокруг ваших линий передачи, и вы даже можете увидеть некоторые эффекты, похожие на волоконную текстуру.

Эффекты волоконной текстуры в моей гибкой ленте?

Вот где сетчатая земляная плоскость на печатной плате становится очень интересной, поскольку узор сетки может начать напоминать узор стекловолокна, используемый в FR4 и других ламинатах. В результате мы снова оказываемся в ситуации, когда нам нужно беспокоиться о эффектах волоконной текстуры в обычно гладком, относительно однородном субстратном материале. Эти эффекты возникают, когда полоса пропускания передаваемого сигнала перекрывается с одним или несколькими резонансами в структуре сетки. Для L = 60 mil на полиимиде самый низкий резонанс будет 50 ГГц.

Раннее исследование (см. эту статью из Hindawi) показало, что такие решетчатые структуры, будь то на жесткой или гибкой подложке PCB, могут создавать сильные излучения, когда цифровой сигнал распространяется по дорожке через решетчатую земляную плоскость. По мере того как все больше приложений для гибких плат появляется на более высоких частотах, я ожидаю, что эти эффекты будут хуже в гибкой ленте с решетчатой земляной плоскостью по нескольким причинам.

Резонансы с высоким Q

Так же, как и в обычной подложке из стеклоткани, решетка формирует полостную структуру, которая может поддерживать резонансы при возбуждении на определенных частотах. Эти резонансные полости в решетчатой земляной плоскости будут иметь очень высокие значения Q, поскольку стенки полости очень проводящие (медь). Следовательно, потери будут меньше, а резонансы с высоким Q - выше. Это приводит к увеличению излучения из полостей и потере резонансной мощности.

Открытая решетка имеет низкую изоляцию

Сплошная земляная плоскость обычно гарантирует, что любое излучаемое электромагнитное помехи (EMI) из полостей волоконной ткани излучается вдоль края платы. Поскольку решетчатая земляная плоскость имеет открытые полости, она обеспечивает меньшую изоляцию и также может излучать вдоль поверхности гибкой ленты. Это имеет обратный эффект: когда дорожка может более легко излучать радиацию, она также может более легко принимать внешние EMI.

Для решения этих проблем используйте более плотные сетки, так же, как вы бы использовали более плотное стекловолокно для предотвращения эффектов волоконной сетки. Гибкие и жестко-гибкие печатные платы будут продолжать оставаться частью ландшафта печатных плат и становятся более продвинутыми благодаря новым производственным возможностям. Объявление Тары Данн о возможности изготовления дорожек шириной в 1 мил может стать настоящим прорывом для высокоскоростных, высокоплотных гибких печатных плат, позволяя изготавливать более мелкие сетчатые заземляющие плоскости.

Пример сетчатой заземляющей плоскости

Пример хорошо сконструированной сетчатой заземляющей плоскости можно найти в проекте открытого ноутбука, который возглавляет Лукас Хенкель. На изображении ниже показан пример с сетчатой заземляющей плоскостью, применяемой на гибкой ленте толщиной 1 мил для веб-камеры. Эта гибкая печатная плата предназначена для поддержки маршрутизации MIPI CSI-2 от краевого разъема FPC к веб-камере, которая напрямую припаяна к гибкой ленте. Геометрические параметры следующие:

• Ширина медной дорожки: 0,1 мм
• Размер отверстия (повторяющийся элемент): 0,283 мм

В этом примере используются множественные заштрихованные области для определения земли в различных частях гибкой ленты. Также есть большая сплошная область на штрихованной плоскости, которая используется для разделения высокоскоростных сигналов CSI-2 от сигналов низкой скорости конфигурации и GPIO в верхней части заштрихованной области. Как только вы будете готовы к прокладке сигналов над заштрихованной областью, инструменты маршрутизации будут работать точно так же, как и при маршрутизации над сплошной плоскостью или сплошным полигоном.

Такая штриховка не требует ручного прорисовывания путём прокладки трасс. Вместо этого, Altium Designer включает функцию, которая будет автоматически применять штриховку на полигоне, и выбранная штриховка появится после перезаливки полигона в редакторе PCB. Эта функция может быть применена на прямоугольных полигонах, изогнутых полигонах, как показано выше, или на неправильных заливках полигона.

Моделирование Маршрутизации Над Заземляющей Сеткой

Сетчатые земляные плоскости технически могут быть симулированы так же, как и любая другая структура на печатной плате, но сложность заключается в более высоких требованиях к вычислительной мощности из-за более сложной структуры сетчатого заземления. Отверстия в этих сетчатых слоях создают более сложную симуляционную сетку, которая затем используется для решения уравнений Максвелла, что в свою очередь требует больше времени на вычисления. Например, симуляция S-параметра для одной дифференциальной пары над сетчатой плоскостью может занять более 1 часа времени симуляции (на основе симуляций поперечного сечения ПП), в то время как та же дифференциальная пара и стек с твердой медной земляной плоскостью займет менее 1 минуты при анализе тем же численным методом.

Вышеизложенные факты делают определение импеданса для маршрутизации над сетчатым заземлением очень сложным. Другая проблема, которая возникает, - это отсутствие четких данных от производителей. Не все производители хранят данные об импедансе над сетчатыми земляными плоскостями, в основном потому, что импеданс настолько сильно зависит от коэффициента заполнения и ориентации медной сетки. Поскольку пространство параметров настолько велико, производители гибких ПП, которые действительно хранят эти данные, вероятно, имеют действительные тестовые данные только для нескольких параметризаций и для конкретных продуктов из полиимида. Поэтому, если вам нужна высокоскоростная маршрутизация на гибком основании для передового продукта, рассмотрите возможность инвестирования в инструмент симуляции 3D поля.

Независимо от того, как вы планируете проектировать вашу гибкую или жестко-гибкую печатную плату, Altium Designer® имеет все необходимые инструменты для корректного проектирования сетчатой заземляющей плоскости для высокоскоростных конструкций. Altium Designer на Altium 365® обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции в электронной индустрии, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать невиданных ранее уровней эффективности.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.