Mạch In Linh Hoạt: Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu cho Mặt Đất Lưới của Mạch Linh Hoạt

Tốc độ cực cao trên các bảng mạch linh hoạt và cứng-linh hoạt là điều không thể tránh khỏi khi những bảng mạch này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử tiên tiến. Những hệ thống này cũng cần có các lớp mặt đất để cô lập, và để tách biệt các tín hiệu RF và tín hiệu số cho các giao thức không dây. Với tốc độ cao và tần số cao đi kèm là khả năng gặp phải vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu, nhiều vấn đề trong số đó liên quan đến việc đặt và hình dạng của lớp mặt đất trong một PCB.

Một phương pháp phổ biến để cung cấp một tham chiếu 0 V nhất quán trong các bảng mạch linh hoạt và cứng-linh hoạt là sử dụng một lớp mặt đất dạng lưới hoặc dạng hạt trên dải linh hoạt. Điều này cung cấp một dẫn điện lớn có thể vẫn cung cấp sự che chắn trên một phạm vi tần số rộng trong khi vẫn cho phép dải linh hoạt uốn cong và gấp mà không cần độ cứng quá mức. Tuy nhiên, vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu xuất hiện ở hai lĩnh vực:

• Đảm bảo trở kháng đường dẫn nhất quán,
• Che chắn và cô lập, và
• Ngăn chặn hiệu ứng giống như sợi dệt trong cấu trúc lưới.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét sâu hơn về vấn đề tính toàn vẹn tín hiệu phát sinh từ các lớp mặt đất dạng lưới và bạn có thể làm gì về chúng.

Thiết kế Lớp Mặt Đất Dạng Lưới

Trong ý nghĩa cơ bản nhất, việc tạo lưới hoạt động giống như bất kỳ mặt đất nào khác. Nó nhằm mục đích cung cấp một điểm tham chiếu nhất quán để có thể thiết kế một đường dẫn sao cho có trở kháng mong muốn. Bất kỳ hình dạng đường truyền phổ biến nào (microstrip, stripline, hoặc waveguides) đều có thể được đặt trên PCB cứng-linh hoạt hoặc linh hoạt với mặt đất dạng lưới. Việc đặt một khu vực đồng dạng lưới trên lớp bề mặt của dải linh hoạt cung cấp gần như cùng hiệu ứng với đồng rắn ở tần số thấp.

Cấu hình phổ biến cho việc định tuyến stripline và microstrip trên dải linh hoạt với mặt đất dạng lưới được hiển thị dưới đây.

Cấu trúc lưới này có thể được sử dụng trong bảng mạch cứng, nhưng tôi chưa bao giờ thấy điều này trên thực tế cũng như chưa có khách hàng nào yêu cầu nó. Thay vào đó, mẫu lưới được sử dụng trong bảng mạch linh hoạt/cứng-linh hoạt để cân bằng nhu cầu kiểm soát trở kháng với nhu cầu về một dải linh hoạt hợp lý. Dù bạn đang thiết kế các đường dẫn hay mẫu lưới, hãy tuân theo các phương pháp tốt nhất cho dải linh hoạt tĩnh và động và các tiêu chuẩn IPC 2223.

Kiểm Soát Trở Kháng

Một lựa chọn khi làm việc với cặp dây đơn hoặc cặp dây vi sai là đặt đồng rắn vào lớp mặt phẳng ngay dưới các dấu vết và đặt cấu trúc lưới ở những nơi khác trong mạch. Nếu việc định tuyến trở nên rất dày đặc, bạn sẽ cần sử dụng lưới ở mọi nơi. Nếu bạn chọn sử dụng lưới, bạn sẽ có sự linh hoạt lớn hơn, nhưng độ cách ly chắn thấp hơn và điều kiện kiểm soát trở kháng được sửa đổi.

Như đã chỉ ra ở trên, cấu trúc mặt phẳng lưới có hai tham số hình học: L và W. Hai tham số này có thể được kết hợp thành một yếu tố lấp đầy, hoặc phần trăm diện tích lưới được phủ bằng đồng. Thay đổi các tham số này có những ảnh hưởng sau:

• Mở rộng khu vực lưới (tăng kích thước mở lưới bằng cách tăng L) sẽ tăng trở kháng giả sử các tham số khác được giữ nguyên. Nó cũng làm cho dải dây dễ uốn cong hơn (lực ít hơn).
• Tăng W trong khi giữ các tham số khác không đổi sẽ làm kín khu vực lưới, điều này tăng trở kháng. Nó cũng làm cho chế độ dải dây khó uốn cong hơn (lực nhiều hơn).

Các thông số khác quản lý trở kháng cho các hình dạng tiêu chuẩn có những ảnh hưởng tương tự khi làm việc với một mặt đất lưới. Khi bạn đạt đến tần số cao, bạn sẽ kích thích các chế độ không-TEM xung quanh các đường truyền dẫn của bạn, và bạn thậm chí có thể thấy một số hiệu ứng giống như sợi dệt.

Hiệu ứng Sợi Dệt trong Dải Linh Hoạt của tôi?

Đây là nơi một mặt đất lưới trong PCB trở nên rất thú vị vì mẫu lưới có thể bắt đầu giống với mẫu dệt bằng thủy tinh được sử dụng trong FR4 và các lớp phủ khác. Kết quả là, chúng ta lại quay trở lại tình huống phải lo lắng về hiệu ứng sợi dệt trong một vật liệu nền thường trơn, tương đối đồng nhất. Những hiệu ứng này xảy ra khi băng thông của tín hiệu di chuyển trùng với một hoặc nhiều cộng hưởng trong cấu trúc lưới. Đối với L = 60 mil trên polyimide, cộng hưởng thứ tự thấp nhất sẽ là 50 GHz.

Một nghiên cứu sơ bộ (xem bài viết này từ Hindawi) đã chỉ ra rằng những cấu trúc có lỗ hổng, dù trên một nền PCB cứng hay linh hoạt, có thể tạo ra phát xạ mạnh khi một tín hiệu số lan truyền trên một đường dẫn qua bề mặt đất dạng lưới. Khi ngày càng có nhiều ứng dụng linh hoạt được mở ra ở tần số cao hơn, tôi mong đợi những hiệu ứng này sẽ tồi tệ hơn trong một dải linh hoạt với bề mặt đất dạng lưới vì một số lý do.

Cộng Hưởng Cao-Q

Giống như trong một nền vật liệu dệt kính thông thường, lưới tạo thành một cấu trúc khoang có thể hỗ trợ cộng hưởng khi được kích thích ở các tần số cụ thể. Những khoang cộng hưởng này trên bề mặt đất dạng lưới sẽ có giá trị Q rất cao vì các bức tường của khoang cực kỳ dẫn điện (đồng). Do đó, sẽ có tổn thất thấp hơn và cộng hưởng cao-Q hơn. Điều này dẫn đến tăng phát xạ khoang và tổn thất công suất cộng hưởng.

Lưới Mở Có Độ Cách Ly Thấp

Một bề mặt đất liền lẽ ra sẽ đảm bảo bất kỳ EMI nào phát ra từ các khoang dệt sợi được phát ra dọc theo cạnh của bảng mạch. Bởi vì bề mặt đất dạng lưới có các khoang mở, nó cung cấp ít sự cách ly hơn và cũng có thể phát ra dọc theo bề mặt của dải linh hoạt. Điều này có một hiệu ứng tương hỗ: khi một đường dẫn có thể dễ dàng phát ra bức xạ, nó cũng có thể dễ dàng nhận được EMI bên ngoài.

Để giải quyết những vấn đề này, hãy sử dụng lưới chặt hơn, giống như bạn sẽ sử dụng một loại dệt kính chặt hơn để ngăn chặn hiệu ứng sợi dệt. Các PCB linh hoạt và cứng-linh hoạt sẽ tiếp tục là một phần của cảnh quan PCB và đang trở nên tiên tiến hơn với các khả năng sản xuất mới. Thông báo của Tara Dunn về khả năng sản xuất đường dẫn rộng 1 mil có thể là một bước ngoặt thực sự cho các PCB linh hoạt tốc độ cao, mật độ cao bằng cách cho phép sản xuất các mẫu lưới mặt đất nhỏ hơn.

Ví dụ về Mặt Đất Lưới

Một ví dụ về mặt đất lưới được xây dựng tốt có thể được tìm thấy trong dự án laptop mã nguồn mở được dẫn dắt bởi Lukas Henkel. Hình ảnh dưới đây cho thấy một ví dụ với mặt đất lưới được áp dụng trên một dải linh hoạt dày 1 mil cho webcam. PCB linh hoạt này nhằm hỗ trợ định tuyến MIPI CSI-2 từ một kết nối FPC cạnh đến webcam được hàn trực tiếp lên dải linh hoạt. Các thông số hình học như sau:

• Chiều rộng dấu vết đồng: 0.1 mm
• Kích thước lỗ (phần tử lặp lại): 0.283 mm

Trong ví dụ này, nhiều khu vực sọc chéo được sử dụng để định nghĩa mặt đất ở các phần khác nhau của dải flex. Cũng có một khu vực rộng lớn liền mạch trong mặt bằng sọc chéo, được sử dụng để tách biệt các tín hiệu CSI-2 tốc độ cao khỏi các tín hiệu cấu hình tốc độ thấp và GPIOs ở phần trên của khu vực sọc chéo. Khi bạn đã sẵn sàng để định tuyến các tín hiệu ở trên khu vực sọc chéo, công cụ định tuyến sẽ hoạt động hoàn toàn giống như định tuyến trên một mặt phẳng liền mạch hoặc đa giác liền mạch.

Loại sọc chéo này không cần phải được vẽ ra một cách thủ công bằng cách định tuyến các đường dẫn. Thay vào đó, Altium Designer bao gồm một tính năng sẽ áp dụng sọc chéo tự động trên một đa giác, và sọc chéo được chọn sẽ xuất hiện một khi đa giác được đổ lại trong PCB Editor. Tính năng này có thể được áp dụng trên các đa giác hình chữ nhật, đa giác cong như đã được hiển thị ở trên, hoặc trên đổ đa giác không đều.

Mô phỏng Định Tuyến Trên Mặt Đất Lưới

Các mặt đất lưới (mesh ground planes) về mặt kỹ thuật có thể được mô phỏng giống như bất kỳ cấu trúc nào khác trên PCB, nhưng thách thức đến từ yêu cầu về sức mạnh tính toán cao hơn do cấu trúc phức tạp hơn của mặt đất lưới. Các lỗ hổng trong các lớp lưới này tạo ra một lưới mô phỏng phức tạp hơn, sau đó được sử dụng để giải các phương trình của Maxwell, điều này sau đó yêu cầu thời gian tính toán lâu hơn. Ví dụ, một mô phỏng tham số S cho một cặp vi sai đơn lẻ trên một mặt phẳng lưới có thể yêu cầu hơn 1 giờ thời gian mô phỏng (dựa trên các mô phỏng của mặt cắt PCB), trong khi cùng một cặp vi sai và chồng lớp với một mặt đất bằng đồng rắn sẽ mất dưới 1 phút khi phân tích bằng cùng một phương pháp số.

Những sự thật trên làm cho việc xác định trở kháng cho việc định tuyến trên mặt đất lưới trở nên rất khó khăn. Một vấn đề khác phát sinh là thiếu dữ liệu rõ ràng từ các nhà sản xuất. Không phải tất cả các nhà sản xuất đều giữ dữ liệu về trở kháng trên các mặt đất lưới, chủ yếu vì trở kháng phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố điền đầy và hướng của lưới đồng. Bởi vì không gian tham số rất lớn, các nhà sản xuất PCB linh hoạt giữ dữ liệu này có lẽ chỉ có dữ liệu thử nghiệm hợp lệ cho một vài tham số hóa và cho các sản phẩm polyimide cụ thể. Do đó, nếu bạn cần định tuyến tốc độ cao trên linh hoạt cho một sản phẩm tiên tiến, hãy xem xét việc đầu tư vào một công cụ mô phỏng trường 3D.

Dù bạn có kế hoạch thiết kế PCB linh hoạt hay cứng-linh hoạt như thế nào, Altium Designer® có đầy đủ công cụ bạn cần để thiết kế một mặt đất lưới cho các thiết kế tốc độ cao một cách chính xác. Altium Designer trên Altium 365® mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử, trước đây chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ xa và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.