Cách Chọn Lớp Phủ Đồng cho Thiết Kế PCB Tần Số Cao

Ngành công nghiệp vật liệu PCB đã dành nhiều thời gian phát triển các loại vật liệu cung cấp mức độ mất tín hiệu thấp nhất có thể cho các sản phẩm có ứng dụng RF. Đối với các thiết kế tốc độ cao và tần số cao, sự mất mát sẽ hạn chế khoảng cách truyền tín hiệu và làm méo tín hiệu, và nó sẽ tạo ra một sự lệch lạc trở kháng có thể được thấy trong các phép đo TDR. Khi chúng ta thiết kế bất kỳ bảng mạch in nào và phát triển các mạch hoạt động ở tần số cao hơn, có thể bạn sẽ bị cám dỗ để chọn loại đồng mịn nhất có thể trong tất cả các thiết kế bạn tạo ra.

Mặc dù đúng là độ nhám của đồng tạo ra sự lệch lạc trở kháng và mất mát thêm, nhưng liệu bề mặt lá đồng của bạn thực sự cần phải mịn đến mức nào? Có những phương pháp đơn giản nào khác bạn có thể vượt qua một số mất mát và vẫn hoàn thành việc định tuyến bạn cần trên PCB của mình không? Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét sự cân bằng giữa mất mát do lá đồng và các loại mất mát khác trong PCB, cũng như một số chiến lược thường được sử dụng để vượt qua độ nhám.

Các Loại Lá Đồng cho Cấu Trúc PCB

Trước khi xem xét loại lá đồng nào bạn nên tìm cho bảng mạch của mình, điều quan trọng là phải biết một số thông tin về lá đồng thực sự có sẵn để được bao gồm trong một cấu trúc PCB. Lá đồng không phải là thứ bạn luôn có thể chọn lựa để kết hợp với mọi loại vật liệu lớp phủ. Một số nhà sản xuất vật liệu lớp phủ sẽ cung cấp nhiều lựa chọn kết hợp các loại lá đồng khác nhau với bộ vật liệu của họ, nhưng điều này không phải lúc nào cũng xảy ra với mọi nhà sản xuất vật liệu lớp phủ hoặc vật liệu. Trừ khi bạn có thể mua vật liệu riêng biệt và đưa chúng qua quá trình lamination, bạn sẽ phải làm việc trong khuôn khổ các bộ vật liệu bạn có thể nhận được từ nhà sản xuất hoặc nhà phân phối vật liệu lớp phủ.

Với điều này trong tâm trí, dưới đây là các loại lá đồng bạn sẽ tìm thấy trong vật liệu PCB:

Các phạm vi độ nhám khác nhau có thể là yếu tố quyết định để chọn loại đồng nào cho lớp xếp chồng PCB của bạn, vì vậy việc kiểm tra khả năng yêu cầu của bảng mạch và so sánh chúng với các lựa chọn đồng và điện môi có sẵn là rất quan trọng. Một điều bạn sẽ nhận thấy là các lớp phủ được quảng cáo cho PCB tần số cao sẽ có lựa chọn đồng có hồ sơ thấp hơn, vì vậy bạn có thể nhận được lợi ích của điện môi ít mất mát và đồng mịn trong cùng một gói. Tuy nhiên, một số thiết bị hoạt động ở tần số vừa phải (GHz thấp) sẽ hoạt động tốt với các vật liệu epoxy-fiberglass cấp FR4 tiêu chuẩn và loại đồng sẽ không tạo ra sự khác biệt đáng chú ý về hiệu suất. Hãy chắc chắn rằng bạn hiểu các loại đồng được nêu trong bảng dữ liệu lớp phủ nếu bạn có mục tiêu hiệu suất cần đạt được.

• Đọc thêm để tìm hiểu về các loại đồng trong xếp chồng PCB

Dòng điện tần số cao và Lá đồng

Tại các tần số cao hơn, hiệu ứng bề mặt sẽ thay đổi trở kháng của đường truyền tín hiệu, và mức độ thay đổi trở kháng do hiệu ứng bề mặt phụ thuộc vào độ nhám của đồng. Sự tương tác của các tần số cao với các đường dẫn đồng tạo ra sự mất mát qua ba cơ chế chính:

• Trở kháng ở các tần số trung bình sẽ lớn hơn và sự mất mát do trở kháng sẽ lớn hơn
• Đồng nhám hơn hạn chế các đường sức vào một thể tích nhỏ hơn, điều này làm tăng dòng điện trường và do đó làm tăng sự mất mát điện môi
• Sự tăng trở kháng tạo ra một sự không liên tục nhỏ về trở kháng, và nếu không được khớp nối sẽ làm tăng phản xạ (S11)

Chúng ta không thường xuyên xem xét hiệu ứng bề mặt ở giai đoạn đầu, nhưng quan trọng là phải lưu ý rằng điều này sẽ tạo ra sự lệch trở kháng và sự mất mát nếu không được tính toán từ sớm. Các phạm vi tần số điển hình mà bạn sẽ bắt đầu nhận thấy sự nhám là trên 10 GHz.

• Tìm hiểu thêm về hiệu ứng bề mặt trong các đường truyền tín hiệu

Ngân sách Mất Mát

Tôi sẽ nói rằng điểm quan trọng đầu tiên khi chọn loại đồng bạn sẽ sử dụng trong PCB tần số cao của mình là xem xét ngân sách tổn thất cho tần số cao nhất hoặc kết nối băng thông cao nhất của bạn. Ví dụ, trên một PCB RF, các thành phần phải nguồn và nhận tín hiệu RF sẽ có hai thông số kỹ thuật: công suất phát của bộ phát và độ nhạy của bộ thu (hoặc một số tên tương tự), cả hai được mô tả bằng mW hoặc dBm. Nếu bạn biết kích thước bảng mạch hoặc chiều dài liên kết xấp xỉ, bạn có thể ước lượng khá tốt ngân sách tổn thất dọc theo một trong các đường RF của mình:

Ngân Sách Tổn Thất (dB) = [Công Suất Tx (dBm)] - [Độ Nhạy Rx (dBm)]

Đây sẽ là tổn thất tổng mà bạn có thể chấp nhận, mặc dù tốt hơn là để lại một vài dB dư địa trên giá trị độ nhạy Rx. Chia điều này cho chiều dài của kết nối, và bây giờ bạn biết được tổn thất theo chiều dài mà bạn có thể chấp nhận trong các đường dây của mình.

• Xem cách ước lượng tổn thất do độ nhám trong thiết kế của bạn

Đối với tốc độ cao, nó phức tạp hơn vì các tín hiệu không có công suất và tổn thất tập trung tại một tần số cụ thể. Bạn có thể gặp tổn thất cao ở tần số cao, nhưng miễn là có tổn thất thấp trong phạm vi băng thông của bộ thu thì tín hiệu có thể được khôi phục tại bộ thu của bạn. Do đó, giống như trường hợp với trở kháng đầu vào, việc chọn đồng dựa trên việc tính toán tổn thất tại giới hạn băng thông cho tín hiệu số của bạn là một ý tưởng tốt. Điều này có thể là một trong những điều sau:

• Tần số Nyquist tương ứng với tốc độ dữ liệu
• Một tần số dựa trên giá trị -10 dB trong phổ S11 cho thành phần thu của bạn
• Một giá trị tỷ lệ với thời gian tăng ngược (như tần số đầu gối, hoặc 0.35/(thời gian tăng), hoặc 0.5/(thời gian tăng) là một ước lượng thận trọng hơn dựa trên hiện tượng Gibbs)

Đối với số hóa tốc độ cao, chúng tôi tập trung vào điểm thứ nhất, trong khi chúng tôi xem xét điểm thứ hai trong thiết kế RF. Điểm thứ ba không nên được sử dụng làm mục tiêu thiết kế bởi các nhà thiết kế chuyên nghiệp.

Khi bạn biết được tần số quan trọng (hoặc là tần số mang cho bảng mạch RF hoặc là giới hạn băng thông cho bảng mạch số), sau đó bạn có thể tiến hành ước lượng tổn hao và chọn đồng.

Do vấn đề về độ nhám của đồng và tổn hao phụ thuộc vào băng thông kênh cần thiết để đọc các trạng thái logic từ dòng bit, nên việc mô phỏng kênh của bạn trước bằng cách sử dụng các phép đo S-parameter cho các giá trị độ nhám của đồng và tổn hao điện mô khác nhau là tốt hơn nhiều. Điều này cung cấp cho bạn một giá trị độ nhám mục tiêu mà bạn có thể chấp nhận cho độ nhám đồng của mình, và bạn có thể xác định liệu có quá nhiều độ nhám trong kênh của bạn.

Điều này có nghĩa là bạn cần phải:

1. Xem xét thông số tín hiệu của bạn và xác định các chỉ số SI mà bạn cần đạt được tại giới hạn băng thông của mình
2. Xem xét tốc độ dữ liệu và xác định băng thông tối thiểu mà kênh định tuyến của bạn cần
3. Lặp lại qua một số giá trị độ nhám thực tế cho đến khi bạn đạt được mục tiêu SI của mình (thường là tổn hao S21) đến giới hạn băng thông bạn tìm thấy ở #2

Các nền tảng như Simbeor hoặc Ansys SIwave có thể được sử dụng để thu thập các phép đo S-parameter này, và tôi đã trình bày một số ví dụ về các phép đo này trong quá khứ.

Lấy ví dụ, hãy xem kết quả mô phỏng dưới đây cho một kênh định tuyến mẫu trên Rogers 3003; điều này đã được tính toán trong Simbeor. Từ đây, chúng ta có thể thấy rõ giới hạn băng thông kênh -10 dB trong phổ S11, và chúng ta có thể thấy sự mất mát tương ứng trong phổ S21. Khi chúng ta điều chỉnh độ nhám của đồng và điều chỉnh độ rộng dây để bù đắp, chúng ta có thể tối ưu hóa thêm kênh để đảm bảo có sự khớp trở kháng chấp nhận được trong khi giảm thiểu mất mát đến mức chấp nhận được.

Quy Trình Chọn Lựa Laminates và Đồng

Khi phối hợp đồng và vật liệu điện môi, có một quy trình đơn giản có thể được theo dõi để đảm bảo bạn đạt được các mục tiêu hoạt động của mình.

1. Lên kế hoạch cho việc bạn muốn định tuyến các kết nối nhạy cảm với độ nhám (lớp bề mặt so với lớp bên trong), điều này sẽ yêu cầu một chút việc lập kế hoạch sơ bộ với các thành phần chính
2. Xác định hệ số tổn hao bạn có thể chấp nhận ở tần số hoạt động của mình
3. Sau khi tìm được bộ vật liệu thỏa mãn #2, hãy xem xét các lựa chọn đồng bạn có và chọn độ nhám đồng vàphủ bề mặt phù hợp cho thiết kế của bạn
4. Đảm bảo rằng lựa chọn đồng bạn chọn ở #3 có sẵn ở trọng lượng bạn cần; đồng nặng hơn sẽ có tổn hao hiệu ứng da thấp hơn

Tôi đã liệt kê Bước #2 đầu tiên vì, ở các tần số hoạt động mà độ nhám quan trọng, điện môi vẫn sẽ chiếm ưu thế về tổn hao và nó sẽ xác định các khía cạnh khác của cấu trúc PCB (số lượng lớp/độ dày, v.v.) mà nên được xem xét trước. Bước chọn phủ và đồng nên được thực hiện tiếp theo dựa trên các vật liệu lớp phủ bạn có sẵn.

Để đảm bảo bạn hoàn toàn chỉ định lựa chọn đồng và thiết kế xếp chồng cho nhà sản xuất của mình, hãy sử dụng các công cụ thiết kế trong Altium Designer^®. Bạn có thể xác định các hồ sơ trở kháng và yêu cầu định tuyến bên trong trình quản lý lớp xếp chồng, cũng như chỉ định các vật liệu cụ thể để sử dụng trong xếp chồng PCB trong quá trình sản xuất. Khi bạn đã hoàn thành PCB của mình và bạn sẵn sàng chia sẻ thiết kế của mình với các cộng tác viên hoặc nhà sản xuất của bạn, bạn có thể chia sẻ thiết kế đã hoàn thành thông qua nền tảng Altium 365^™. Tất cả những gì bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử tiên tiến có thể được tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.