Khoảng cách đất trên PCB Microstrip Phần 2: Ảnh hưởng của khoảng cách đến tổn thất

Trong một bài viết trước, tôi đã cung cấp một cuộc thảo luận và một số kết quả mô phỏng về khoảng cách cần thiết giữa các đường dẫn kiểm soát trở kháng và lớp đồng nối đất gần đó. Những gì chúng ta tìm thấy là, một khi khoảng cách giữa lớp đồng và đường dẫn trở nên quá nhỏ, đường dẫn trở thành một hướng dẫn sóng đồng mặt phẳng kiểm soát trở kháng (có hoặc không có nối đất). Chúng ta cũng thấy rằng, quy tắc 3W cho khoảng cách giữa đường dẫn và lớp đồng nối đất hơi quá thận trọng.

Cơ bản, nếu mục tiêu của bạn là đạt được trở kháng mục tiêu, và bạn lo lắng về việc lớp đồng gần đó có thể ảnh hưởng đến trở kháng như thế nào, bạn có thể tiếp cận gần hơn so với giới hạn do quy tắc 3W đặt ra. Tuy nhiên, giới hạn chính xác của khoảng cách bạn có thể áp dụng phụ thuộc vào độ dày của điện mô; các chất nền dày hơn cho phép tỷ lệ khoảng cách so với chiều rộng nhỏ hơn, tất cả đều được tìm thấy là vi phạm thoải mái quy tắc 3W cho độ dày laminate thực tế được điều tra trong một số mô phỏng.

Mặc dù chúng tôi tập trung vào trở kháng trong bài viết trước, người ta có quyền hỏi, những ảnh hưởng đối với tổn thất là gì? Nếu lý do cho câu hỏi này không rõ ràng, hoặc nếu bạn không cập nhật về những điểm tinh tế của thiết kế đường truyền, thì hãy tiếp tục đọc để xem lớp đồng nối đất gần đó có thể ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất trong các kết nối kiểm soát trở kháng.

Tại sao Đất gần một Đường dẫn lại Ảnh hưởng đến Sự mất mát?

Đây là một câu hỏi hợp lý, và nó liên quan đến cách một dẫn điện gần đó có thể thay đổi phân bố trường điện từ xung quanh một đường dẫn mang một số điện tích tĩnh hoặc mật độ dòng điện. Để xem sự mất mát có thể phát sinh như thế nào khi đổ đồng nối đất được đặt gần microstrip hoặc stripline, hãy xem xét trường điện.

Trong hình dưới đây, tôi đã vẽ sơ bộ trường điện xung quanh một microstrip. Khi có một số đổ đồng nối đất gần đó trên cùng một lớp với đường dẫn, một số đường sức điện kết thúc ở mép của dẫn điện.

Vì đổ đồng nối đất kéo các đường sức vào phía khu vực nối đất, trường điện từ được tập trung mạnh mẽ trong khu vực giữa đường dẫn và đổ đồng gần đó. Bạn có thể tự hỏi, điều này dẫn đến sự mất mát lớn hơn như thế nào?

Hiệu ứng Bề mặt và Dòng Điện Ảnh

Giờ đây, đã đến lúc cho một bài học nhỏ về điện từ học... Khi một tín hiệu di chuyển dọc theo một đường dẫn, mật độ dòng điện liên quan sẽ tụ lại xung quanh cạnh của đường dẫn đang hướng dẫn tín hiệu. Tuy nhiên, hình ảnh điển hình mà chúng ta đều học trong các lớp điện từ học chỉ áp dụng khi chúng ta xem xét một dây dẫn vô hạn dài được cô lập khỏi tất cả các môi trường khác, bao gồm bất kỳ dẫn điện nào khác ở gần đó. Thực tế là, khi một dẫn điện được đưa gần đường dẫn, dòng điện sẽ tụ lại xung quanh các khu vực của đường dẫn nơi trường điện từ hướng vuông góc có cường độ mạnh nhất, đó là dọc theo các cạnh bên của đường dẫn.

Trong các bài thuyết trình gần đây của tôi tại một số hội nghị, và trong các bài thuyết trình tôi đã thấy từ nhiều nhà nghiên cứu khác, các phép tính phân tích liên quan đến hiệu ứng da được trình bày mà bỏ qua dòng điện ảnh trong các mặt đất gần đó và đổ đồng. Điều này chủ yếu là một sự đơn giản hóa cho mục đích tính toán, và để ngắn gọn trong quá trình thuyết trình. Việc tính toán phân bố cụ thể này cho mỗi sắp xếp đường dẫn đáng giá một bài báo riêng trong các tạp chí như IEEE hoặc JPIER. Tuy nhiên, đây là yếu tố quan trọng để hiểu vai trò của dung kháng ghép nối và ảnh hưởng của nó đến sự mất mát.

Để đọc thêm về việc tạo ra dòng điện ảnh trong dẫn điện và cách nó làm méo hiệu ứng da, hãy xem bài viết này được công bố trong IEEE:

• Moongilan, D. E. C. E. E. N. A. "Mô hình hóa hiệu ứng da của kỹ thuật mặt phẳng hình ảnh cho phát xạ bức xạ từ các đường mạch PCB." Trong IEEE 1997, EMC, Phong cách Austin. Hội nghị quốc tế về Tương thích Điện từ của IEEE năm 1997. Bản ghi Hội nghị (Số Cat. 97CH36113), tr. 308-313. IEEE, 1997.

Do dòng điện tập trung vào mép của đường dẫn, điều này làm tăng cường độ của sự tương tác giữa dòng điện và bề mặt gồ ghề của đường dẫn đồng. Nhớ rằng, độ gồ ghề của đồng làm tăng độ lớn của hiệu ứng da và tạo ra trở kháng thất thoát bổ sung. Bây giờ, để xem điều gì xảy ra trong sự tương tác này, chúng ta phải hiểu cách vật liệu mạ đồng ảnh hưởng đến sự thất thoát.

Hệ thống Số so với Hệ thống RF

Tại thời điểm này, việc phân biệt giữa hệ thống số và bảng mạch RF là quan trọng vì cách xử lý mặt nạ hàn và mạ. Trong một bảng mạch số, chúng ta thường để mặt nạ hàn được áp dụng ở mọi nơi và tập trung vào tuân thủ kênh vượt qua băng thông số tối thiểu yêu cầu. Đối với hệ thống RF, việc loại bỏ mặt nạ hàn là rất phổ biến, vì vậy các đường truyền hỗ trợ tín hiệu RF sẽ có một số lớp mạ được áp dụng bên ngoài.

• Kỹ thuật số - Tôi chưa thấy một nghiên cứu toàn diện nào cho thấy việc đổ đồng gần kề ảnh hưởng như thế nào đến sự mất mát do lớp mặt nạ hàn tạo ra. Cảm nhận của tôi là, nếu có mặt nạ hàn, trường điện từ sẽ tương tác với nó bất kể và sự chênh lệch về mất mát có thể sẽ tối thiểu trong cả hai trường hợp. Bất kỳ ai có cái nhìn sâu sắc nào nên tìm tôi trên LinkedIn và gửi cho tôi một tin nhắn.
• RF - Trong trường hợp này, việc phân bổ lại dòng điện trong khu vực mạ chắc chắn gây ra sự thay đổi trong mất mát dọc theo kết nối liên kết. Do đó, việc mạ có thể trở thành một yếu tố mới quyết định mất mát do ảnh hưởng của nó đến độ nhám, như đã thảo luận dưới đây.

Giả sử bạn đã loại bỏ mặt nạ hàn khỏi các đường dẫn trong hệ thống kỹ thuật số của mình; bạn vẫn cần phải xem xét cấu trúc và độ nhám của lớp phủ mạ để hiểu cách đổ đồng gần kề ảnh hưởng đến mất mát.

Đối với PCB RF: Tránh Mạ Niken, Ưu tiên Mạ Bạc

John Coonrod đã cung cấp một số dữ liệu xuất sắc cho thấy ảnh hưởng của việc mạ ENIG lên tần số cao hơn trong một dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp đất (rất giống với microstrip đồng mặt phẳng có tiếp đất) và một microstrip đơn lẻ không có đổ đồng. Tôi khuyến khích độc giả xem một video trên YouTube của ông ấy tại đường link này. Đánh giá toàn diện hơn có thể tìm thấy trong video này. Nói ngắn gọn, dữ liệu của John cho thấy hai kết luận:

• Chuyển sang một bố cục đồng mặt phẳng có thể gây ra nhiều tổn thất hơn khi mặt đất đồng mặt phẳng gần, buộc microstrip mỏng hơn (tổn thất nhiều hơn từ hiệu ứng da).
• Mạ ENIG luôn gây ra tổn thất tổng cộng lớn hơn trong một bố cục đồng mặt phẳng so với một microstrip đơn giản.

Người ta có thể hợp lý mong đợi kết quả tương tự cho các dải dẫn.

Hình ảnh dưới đây cho thấy biểu đồ quan trọng từ video mà tôi đã liên kết ở trên. Cơ bản, do liên kết mạ giữa đồng và niken, độ gồ ghề mà dòng điện truyền qua gặp phải lớn hơn nhiều trong một dẫn sóng đồng mặt phẳng so với microstrip. Trong khi đó, đối với đồng trần, chúng ta thấy tổn thất rất tương tự ở cả hai loại đường truyền. Dưới vài GHz, có vẻ như không có sự khác biệt giữa tổn thất trong mỗi loại đường truyền.

Vậy bạn có nên sử dụng lớp đổ đồng có tiếp địa gần các điểm kết nối của mình hay không, hay bạn nên bỏ qua nó? Rõ ràng, cần phải xem xét nhiều hơn là chỉ chống nhiễu, trở kháng và tổn thất. Việc truyền nhiệt cũng được đề cập như là một lý do để đặt lớp đổ đồng xung quanh một PCB. Nếu bạn muốn sử dụng lớp đổ đồng xung quanh các đường truyền tín hiệu tốc độ cao có kiểm soát trở kháng, hãy chắc chắn kiểm tra các điểm kết nối của mình với một số phép đo cơ bản (TDR hoặc S-parameters). Kết quả trên nên minh họa tại sao bạc ngâm thường là lựa chọn mạ cho các điểm kết nối kiểm soát trở kháng tốc độ cao/tần số cao thay vì ENIG.

Tóm tắt

Để công bằng, có một số nhược điểm khi lấp đầy không chọn lọc đồng vào mọi lớp tín hiệu, một số điểm chúng tôi đã ghi chú ở đây. Kella Knack cũng chỉ ra một số nhược điểm của việc sử dụng đồng trong một bài viết khác; tôi không đồng ý với ý kiến cho rằng sử dụng đồng là một thực hành thiết kế xấu và không bao giờ nên được sử dụng, nhưng bạn nên xem xét những hạn chế cho thiết kế cụ thể của mình, và chắc chắn phải kiểm tra các mẫu dựa trên những giả định nhược điểm này. Việc áp dụng đồng có thể được sử dụng đúng cách hoặc sai cách, và việc sử dụng nó đôi khi được đặt ra như một trong những lựa chọn kiểu "luôn luôn" hoặc "không bao giờ"; cả hai bên có lẽ đều đang hiểu sai ý của nhau trong các lựa chọn thiết kế. Dù sao, bạn cũng cần đến đồng để định nghĩa các yếu tố PCB trong các thiết kế RF hiện đại cung cấp chắn, hướng dẫn sóng tích hợp vào chất nền, và hướng dẫn sóng đồng mức kiểm soát trở kháng. Hãy chắc chắn sử dụng nó một cách khôn ngoan và áp dụng lớp phủ thích hợp nếu sự mất mát sẽ gây ra vấn đề.

Xác định khoảng cách phù hợp cho việc làm sạch đất microstrip bắt đầu với các công cụ thiết kế PCB stackup tốt nhất. Khi bạn sử dụng Altium Designer®, bạn có thể dễ dàng xác định chiều rộng và khoảng cách của đường dẫn cần thiết để đảm bảo định tuyến trở kháng kiểm soát trong các bảng mạch sử dụng đổ đồng nối đất trong bố cục PCB của bạn. Khi bạn đã 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 các 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.