Tổng quan về Vật liệu Điện dung Tích hợp

| Created: Tháng Mười Một 9, 2022 | Updated: Tháng Chín 2, 2024

Điện dung là bạn của bạn mỗi khi bạn cần độ ổn định nguồn điện, đó là lý do tại sao có rất nhiều sự chú trọng vào tụ điện giải nhiễu. Mặc dù những linh kiện này quan trọng và chúng có thể được sử dụng để cung cấp giải pháp ổn định nguồn điện mục tiêu cho một số linh kiện nhất định, nhưng có một loại vật liệu chuyên biệt được sử dụng để tăng cường điện dung trong bố cục PCB hoặc lớp nền gói. Loại vật liệu chuyên biệt này được gọi là vật liệu điện dung tích hợp, hay ECM.

Các lớp phủ này có thể được tích hợp vào bố cục PCB để cung cấp điện dung rất cao hỗ trợ ổn định nguồn điện. Những vật liệu này cũng có thể hoạt động như một sự thay thế cho một nhóm tụ điện giải nhiễu nếu cần. Bài viết này sẽ xem xét cách sử dụng đúng đắn của những vật liệu này, cũng như các tính chất vật liệu của chúng khi được sử dụng trong gói chất nền IC và PCB.

Vật liệu Điện dung Tích hợp là gì?

Vật liệu điện dung tích hợp là các lớp phủ đồng với độ dày lớp rất mỏng và hằng số điện môi cao. Những vật liệu này được dùng để tách một lớp nguồn và một lớp đất trong bố cục PCB, do đó cung cấp một số điện dung được tích hợp vào bố cục PCB. Vật liệu điện dung tích hợp được định nghĩa và mô tả trong tiêu chuẩn IPC 4821 (Quy định về Vật liệu Tụ Điện Thiết bị Bị động Tích hợp cho Bảng Mạch In Cứng và Đa lớp).

Những vật liệu này cung cấp hai chức năng cơ bản:

Cung cấp dung lượng cao cho một PDN thông qua giá trị Dk cao và độ dày thấp
Cung cấp sự giảm xóc cho sóng điện từ thông qua hệ số mất mát vừa phải cao

Chức năng chính của những vật liệu này là cung cấp dung lượng cao hơn trong một PDN (giúp giảm trở kháng PDN) và giảm xóc mạnh mẽ hơn cho sự dao động của dòng điện trên bus nguồn (dẫn đến sự cộng hưởng mặt phẳng/ngăn cách điện ít gay gắt hơn ở tần số GHz) do hệ số mất mát cao của vật liệu. Từ góc độ mạch điện, những vật liệu này cung cấp giảm xóc và dung lượng đồng thời nhưng với độ tự cảm lan truyền thấp, vì vậy chúng hoạt động như một tụ điện ESR được kiểm soát.

Tăng cường Tính Toàn vẹn Nguồn

Một ví dụ cho thấy ảnh hưởng của ECM đối với tính toàn vẹn nguồn được thể hiện trong dữ liệu trở kháng PDN dưới đây. Trong biểu đồ này, chúng ta có thể thấy rõ ràng rằng sự hiện diện của vật liệu ECM mỏng hơn làm giảm trở kháng PDN như mong đợi. Vật liệu mỏng hơn với hệ số mất mát cao cũng giảm xóc cho sự cộng hưởng PDN, như được minh họa trong các đỉnh nhỏ gần 1 GHz, đây chính xác là phạm vi tần số mà các gói IC yêu cầu phản hồi xung nhanh trong PDN.

embedded capacitance material power integrity — Dữ liệu cho thấy mức độ impedance PDN giảm khi ECM mỏng hơn được sử dụng trong một ngăn xếp PCB. Chúng ta có thể thấy rất rõ ràng rằng hành vi cộng hưởng gần 1 GHz bị giảm đáng kể thông qua việc sử dụng vật liệu ECM mỏng hơn.. [Nguồn: DuPont]

Kết quả trên xảy ra bởi vì một ECM mỏng hơn cung cấp nhiều dung lượng hơn, nhưng nó không cung cấp thêm cảm kháng. Ngoài ra, sự giảm xóc bổ sung trong ECM tạo ra các đỉnh cộng hưởng Q thấp hơn. Cùng nhau, những hiệu ứng này làm giảm tổng trở PDN và giảm giá trị Q của các cộng hưởng tần số cao.

Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu Được Cải Thiện

Tính toàn vẹn nguồn điện được cải thiện cũng dẫn đến tính toàn vẹn tín hiệu được cải thiện như được thể hiện trong dữ liệu biểu đồ mắt dưới đây. Trong biểu đồ này, chúng ta có thể thấy rằng biểu đồ mắt thể hiện sự nhiễu đáng kể, ngay cả khi chúng ta sử dụng FR4 mỏng làm lớp phủ cặp mặt đất/nguồn và 100 tụ SMD để hỗ trợ trở kháng PDN thấp. Điều này xảy ra bởi vì sự biến động trên PDN cũng sẽ gây ra sự biến đổi trong mức tín hiệu khi một mạch đệm đầu ra chuyển trạng thái logic. Kết quả là sự biến đổi trong thời gian của tín hiệu đầu ra, xuất hiện như nhiễu trong biểu đồ mắt.

Biểu đồ bên phải cho thấy một biểu đồ mắt với một ECM và không có tụ SMD nào trên bảng thử nghiệm. Kết quả là sự giảm nhiễu khoảng gấp đôi và một khoảng mở mắt lớn hơn. Đây là một cải thiện rõ ràng về tính toàn vẹn tín hiệu và nó hoàn toàn xuất phát từ việc giảm biến động trên bus nguồn.

Đọc thêm về mối quan hệ giữa biến động bus nguồn và tính toàn vẹn tín hiệu.

Các yếu tố trên đã minh họa mối quan hệ nổi tiếng giữa SI và PI. Cũng có sự giảm bức xạ EMI được đo từ các cạnh của PCB khi sử dụng vật liệu ECM. Điều này xuất phát từ việc bức xạ sinh ra bởi dao động nguồn điện sẽ trải qua sự giảm xóc điện môi mạnh mẽ hơn khi nó di chuyển đến mép bảng mạch, do đó, nó sẽ rời bảng mạch với cường độ thấp hơn.

Nơi sử dụng ECM

Không phải tất cả PCB đều cần sử dụng ECM để cung cấp tính toàn vẹn nguồn điện. Trong một số trường hợp, mức dung lượng cung cấp bởi ECM là quá mức cần thiết, và bạn sẽ có thể cung cấp đủ dung lượng trong PDN của mình với các vật liệu laminate tiêu chuẩn và các tụ điện nhỏ. Trong một số thiết kế, ECM rất mỏng là một trong những giải pháp duy nhất có thể cung cấp dung lượng cần thiết cho tính toàn vẹn nguồn điện. Một số trường hợp điển hình khi ECM được sử dụng trong PCB bao gồm:

Các bảng mạch nhỏ hỗ trợ nhiều tín hiệu tốc độ cao (thiết bị di động, máy tính bảng, v.v.)
Bảng mạch có số lớp thấp với nhiều bus tốc độ cao (sản phẩm IoT tiên tiến và cảm biến mmWave)
Bảng mạch rất dày đặc, kích thước vừa phải nhưng không có chỗ cho các tụ điện rời (điện thoại cũ, thẻ mở rộng mới, bo mạch chủ nhỏ)

Bảng mạch có số lớp thấp hơn (6-10 lớp) thường sử dụng ECM ở lớp trung tâm giữa một lớp nguồn cố định và một mặt đất. Trong các bảng mạch có số lớp cao hơn (có thể lên đến 24 hoặc 32 lớp), việc phân bổ cặp lớp có thể thay đổi, nhưng một lớp mỏng rất cần thiết để cung cấp đủ dung lượng để hỗ trợ SI/PI cho tất cả các tín hiệu trong thiết bị. Cùng một chiến lược được sử dụng cho các nền tảng IC.

Tính chất ECM của PCB

Danh sách các tính chất vật liệu có thể có cho vật liệu ECM sử dụng trong PCB được hiển thị trong bảng dưới đây. Những vật liệu này có sẵn dưới dạng vật liệu cứng (ví dụ, FaradFlex và 3M), hoặc chúng có thể được tích hợp trên vật liệu polyimide linh hoạt (ví dụ, từ DuPont). Chúng được thiết kế để tích hợp vào quy trình ép lớp tiêu chuẩn để xây dựng cấu trúc PCB.

Tùy chọn vật liệu	Vật liệu dung lượng tích hợp	Giá trị điển hình cho FR4
Dk	Dưới thấp là 3.5 và cao nhất là 30	~4 (prepreg) lên đến ~4.8 (lõi)
Hệ số tổn hao	Khoảng 0.015 tại 1 MHz, lên đến 0.01 hoặc 0.02 tại 1 GHz	Khoảng 0.02 @ 1 GHz
Độ dày lớp phủ	Thấp nhất là 0.3 mil	Thấp nhất là 2 mil với dạng sợi thủy tinh mở rộng (ví dụ, từ Isola)
Giá trị Tg	Giá trị gần giống với FR4	~130 °C, vật liệu Tg cao lên đến ~180 °C
Giá trị CTE (ppm/°C)	20 đến 30	14 (mặt phẳng xy), lên đến 70 (trục z)
Trọng lượng đồng	0.5 đến 2 oz./sq. ft.	0.5 đến 2 oz./sq. ft.
Loại đồng	Điện phân hoặc cán mềm	Điện phân, cán mềm, hoặc xử lý ngược

Gói và Mô-đun ECMs

ECM cũng được tiếp thị để sử dụng trong các gói chất nền IC. Những gói này bao gồm việc đặt một chíp bán dẫn lên trên một chất nền hữu cơ, có thể đặt trên một bộ chuyển đổi để cung cấp thêm kết nối giữa các chíp bán dẫn, chất nền của gói và cuối cùng là PCB. Sau đó, vật liệu chất nền mở rộng những kết nối đồng đến mẫu BGA của gói ở mặt dưới của gói.

Đối với các gói và mô-đun, độ dày của lớp cũng mỏng hơn nhiều so với laminate FR4 thông thường, nhưng với một giá trị Dk mục tiêu cao hơn nhiều so với các vật liệu được sử dụng trong chất nền PCB.

Tùy chọn vật liệu	Vật liệu dung lượng nhúng
Dk	Thấp nhất là 7 và cao nhất là 30
Góc mất mát	Khoảng 0.002 tại 1 MHz, lên đến 0.025 tại 1 GHz
Độ dày laminate	Thấp nhất là 0.3 mil
Giá trị Tg	130 đến 220 °C
Giá trị CTE (ppm/°C)	17 đến 60
Trọng lượng đồng	0.5 đến 2 oz./sq. ft.
Loại đồng	Điện phân hoặc cán mềm

Cần lưu ý rằng một ECM được quảng cáo cho PCB cũng có thể được sử dụng trong nền IC, nhưng không nhất thiết là hiệu quả như vậy. Lưu ý rằng một số vật liệu ECM được quảng cáo cụ thể cho PCB hoặc IC (ví dụ, FaradFlex). Ngược lại, một số dòng sản phẩm ECM (như 3M) được quảng cáo để sử dụng trong cả PCB và IC.

Nói chung, ECM được sử dụng trong bao bì IC có các yêu cầu sau:

Giá trị Dk cao hơn được ưa chuộng
Giá trị hệ số tổn hao cao hơn được ưa chuộng
Độ dày lớp mỏng hơn được ưa chuộng
Giá trị Tg ít quan trọng hơn

Giá trị Dk cao hơn là một yêu cầu vì chúng ta muốn có mật độ dung kháng bản lớn hơn (được đo bằng dung kháng/(diện tích nền)). Giá trị Tg ít quan trọng hơn vì giá trị Tg của các vật liệu ECM đã cao hơn nhiều so với giới hạn nhiệt độ cho IC. Hệ số tổn hao cao hơn trong một ECM (cả cho PCB và nền IC) quan trọng để kiểm soát dao động và sẽ được thảo luận thêm trong một trong những phần dưới đây.

Để cung cấp cùng một dung lượng điện dung như một ECM có Dk thấp hơn trong PCB, ECM được sử dụng trong nền IC sẽ phải có Dk cao hơn nhiều bởi vì kích thước của nền gói sẽ nhỏ hơn. Điều này mang lại cho nền IC đủ dung lượng gói hỗ trợ tính toàn vẹn nguồn điện trên chíp trong phạm vi GHz, đặc biệt là khi gói không có chỗ cho tụ điện chíp và có rất ít dung lượng điện dung trên chíp. Bởi vì PCB thường có diện tích lớn hơn, chúng có thể sử dụng giá trị Dk thấp hơn nếu cần.

Lớp ECM Trong Công Cụ CAD Của Bạn

Việc tích hợp một ECM vào chồng lớp PCB bên trong công cụ CAD của bạn là đơn giản. Bạn chỉ cần xác định các tính chất vật liệu và độ dày trong chồng lớp PCB của mình, giống như bạn sẽ làm với bất kỳ vật liệu nào khác. Nếu bạn dự định sử dụng bảng mạch của mình trong một mô phỏng trường giải, như cho tính toàn vẹn nguồn điện hoặc tín hiệu, thì bạn sẽ cần phải bao gồm các tính chất điện môi trong định nghĩa chồng lớp của mình để những tính chất này có thể được xem xét trong một mô hình mô phỏng.

Cũng là một ý tưởng tốt khi xác định lựa chọn vật liệu của bạn trong xếp chồng PCB trên bản vẽ chế tạo và trong ghi chú chế tạo. Khi bạn tạo hình ảnh xếp chồng trong bản vẽ chế tạo của mình, hãy chắc chắn rằng lớp ECM có mặt và nó sẽ không bị nhầm lẫn với vật liệu cấp FR4 hoặc một số vật liệu khác. Nếu bạn sử dụng Draftsman, bạn có thể tự động tạo hình ảnh xếp chồng lớp của mình một cách nhanh chóng và đặt nó vào bản vẽ chế tạo của mình.

Cũng chắc chắn rằng thông số kỹ thuật ECM của bạn được nêu rõ trong ghi chú chế tạo. Sự phù hợp với tiêu chuẩn IPC của ECM của bạn, độ dày, trọng lượng đồng, cặp lớp, số phần của nhà phân phối (nếu có), và tên thương hiệu đều nên được chỉ định trong một ghi chú chế tạo. Một ví dụ được hiển thị dưới đây.

embedded capacitance material fabrication note — *Ví dụ ghi chú sản xuất gọi việc sử dụng ECM trong một ngăn xếp PCB.*

Khi điện tử tiếp tục đẩy giới hạn về mật độ tính năng và mật độ thành phần, ECM sẽ trở nên quan trọng hơn để đảm bảo đủ sự giảm nhiễu khi không gian cho tụ điện rời rạc bị hạn chế. Tương tự, đối với các gói IC kết hợp nhiều vi mạch trong 2.5D và 3D, cần có sự giảm nhiễu đủ để đảm bảo tính toàn vẹn nguồn điện trong gói khi dung lượng tụ điện trên vi mạch thấp. Để tìm hiểu thêm về việc sử dụng các vật liệu này trong PCB và gói cơ sở, tôi khuyến khích độc giả truy cập vào các nguồn tài liệu sau.

Khi bạn cần chỉ định vật liệu trong cấu trúc lớp cho các PCB số tốc độ cao tiên tiến và gói IC, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế sản phẩm đầy đủ trong Altium Designer®. Quản lý Lớp Chồng cho phép bạn kiểm soát hoàn toàn cấu trúc PCB của mình, bao gồm lựa chọn vật liệu và tính toán trở kháng. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

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.

What is High Speed Design? Intro to High-Speed Design (Webinar) Key Elements of High-Speed PCB Design High Speed PCB Layout Transmission Lines and Terminations High-Speed PCB Design PCB Layout & High Speed Design using Altium Designer

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.