Kantengekoppelte Differentialpaare: Auf den Abstand kommt es an

Was ist eigentlich Edge-Coupled Embedded Microstrip?

Ein randgekoppelter eingebetteter Mikrostreifen ist eine Möglichkeit, Differentialpaare auf einer Leiterplatte zu verlegen, bei der sich die Leiterbahnen zwischen einem dielektrischen Substrat und einer Art Deckmaterial — Lötmaske, Schutzlack, Prepreg oder einfach nur Luft — befinden. Der „kantengekoppelte“ Teil bedeutet, dass die Leiterbahnen nebeneinander verlaufen, wobei ihre Außenkanten durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind. Dabei handelt es sich um etwas anderes, als bei einer breitseitigen Kopplung (eine Spur übereinander) oder bei Mikrostreifen, die über eine offene Grundebene verlaufen.

Warum ist das wichtig? Weil das Covermaterial über deinen Spuren alles verändert. Die Dielektrizitätskonstante dieser Hülle sorgt in Kombination mit dem darunter liegenden Substrat für eine effektive dielektrische Umgebung, die sich von der eines einfachen Mikrostreifens auf FR4 unterscheidet. Wenn Sie das falsch machen, sind Ihre Impedanzberechnungen Müll, Ihre Signalintegrität leidet und am Ende entstehen Reflexionen, die Ihre Hochgeschwindigkeitsverbindung zerstören.

Die meisten Ingenieure ignorieren das Deckmaterial entweder vollständig oder betrachten es als Nebensache. Das ist ein Fehler. Die Hülle kann Ihre Impedanz um 5— 15% verschieben, je nachdem, was sie ist und wie dick sie ist.

Die Geometrie verstehen

Lassen Sie uns das mentale Modell einrichten. Sie haben ein Substrat — typischerweise FR4 mit einer Dielektrizitätskonstante um 4,2, obwohl Rogers RO4350B (3,48) bei HF-Arbeiten üblich ist. Ihre Differentialspuren befinden sich in diesem Substrat in einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche entfernt. Über ihnen befindet sich eine Deckschicht: vielleicht 25 μm aus Lötmaske, 75 μm aus Schutzlack, 100 μm aus Prepreg oder gar nichts (nur Luft).

Die Leiterbahnbreite, der Leiterbahnabstand (gemessen von Kante zu Kante, nicht von Mitte zu Mitte), die Substrathöhe und die Dicke der Abdeckung fließen alle in die Impedanzberechnung ein. Auch die Dielektrizitätskonstante des Deckels ist von Bedeutung — die Lötmaske ist in der Regel 3,5, die Schutzbeschichtung 3,0, Prepreg FR4 etwa 4,2 und die Luft 1,0.

Hier ist die wichtigste Erkenntnis: Die Feldverteilung rund um Ihre Leiterbahnen ist nicht einheitlich. Ein Teil des elektrischen Feldes durchdringt das darunter liegende Substrat, ein Teil geht in die darüber liegende Hülle und ein anderer Teil strahlt in die Luft ab, wenn keine Abdeckung vorhanden ist. Der Rechner berücksichtigt dies, indem er die effektiven Dielektrizitätskonstanten im ungeraden und geraden Modus separat berechnet und dann die Differenzimpedanz (was Sie für Ihre SerDes-Verbindung wichtig ist) und die Gleichtaktimpedanz (was für EMI wichtig ist) ableitet.

Die Mathematik dahinter

Der Rechner verwendet Gleichungen in geschlossener Form (Wadells Formeln und Varianten), um die Parameter der Übertragungsleitung zu berechnen. Für kantengekoppelte Mikrostreifen gibt es zwei Ausbreitungsmodi: ungerade und gerade.

Im ungeraden Modus übertragen die beiden Leiterbahnen gleiche und entgegengesetzte Ströme. Das elektrische Feld zwischen ihnen ist stark und sie sehen enger miteinander verbunden aus.

Im geraden Modus übertragen die Leiterbahnen gleiche und gleichphasige Ströme. Das Feld zwischen ihnen ist schwächer und die Kopplung ist lockerer.

Die differentielle Impedanz wird vom ungeraden Modus abgeleitet:

Die Gleichtaktimpedanz stammt aus dem geraden Modus:

Jede dieser Impedanzen hängt von der effektiven Dielektrizitätskonstante ab, die in diesem Modus beobachtet wird. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Durchschnitt der Dielektrika des Substrats und der Deckschicht, gewichtet nach der Menge der Feldenergie, die in jeder Region sitzt.

Der Rechner gibt auch die Impedanz einer einzelnen Leiterbahn aus — also so, wie eine Leiterbahn ohne ihren Partner aussehen würde. Das ist für die Plausibilitätsprüfung nützlich: Wenn Ihre Einzelleiter-Impedanz weit von dem abweicht, was Sie für einen eigenständigen Mikrostreifen erwarten würden, stimmt etwas mit Ihrer Geometrie nicht.

Ein Beispiel aus der Praxis: 100 Ω Differentielles USB 3.0-Paar

Lassen Sie uns ein Differentialpaar für ein USB 3.0-Hochgeschwindigkeitssignal entwerfen. Die Spezifikation verlangt eine 100 Ω differentielle Impedanz (± 10%). Das Routing erfolgt auf einer 4-lagigen Standardplatine mit einer Gesamtdicke von 1,6 mm, einem Substrat von 0,2 mm unter unserer Signalschicht (FR4 (εr = 4.2) und einer 25 μm -Lötmaske auf der Oberseite.

Unser Kupfer ist 1 Unze (35 μm). ) groß. Wir werden mit einer Schätzung beginnen: 5 mm Leiterbahnbreite, 8 mm Abstand von Kante zu Kante.

Öffnen Sie den Edge-Coupled Embedded Microstrip Calculator und schließen Sie Folgendes an:

• Leiterbahnbreite: 5 mil (0,127 mm)
• Leiterbahnabstand: 8 mil (0,203 mm)
• Substrathöhe: 0,2 mm (200 μm)
• Dicke der Deckschicht: 25 μm
• Deckeltyp: Lötmaske (3,5)
• Dicke des Kupfers: 1 Unze (35 μm)
• Dielektrisches Substrat: FR4 (4.2)

Der Taschenrechner gibt etwas zurück wie:

• Differenzielle Impedanz: 104,2 Ω
• Impedanz im ungeraden Modus: 52.1 Ω
• Impedanz im ausgeglichenen Modus: 198,5 Ω
• Single Trace ohne Partner: 95,3 Ω
• Gültig im seltsamen Modus εr: 3.18
• Wirksam im ausgeglichenen Modus εr: 3.95
• Übertragungsverzögerung (ungerade) : 161,8 ps/Zoll
• Übertragungsverzögerung (gerade) : 165,2 ps/Zoll

Wir sind bei 104 Ω, , also knapp außerhalb des Zeitfensters 90—110 Ω . Verengen wir den Abstand auf 7 mil:

• Leiterbahnabstand: 7 mil (0,178 mm)

Jetzt bekommen wir ungefähr 102 Ω. Better. Versuchen Sie es mit einem Abstand von 6,5 mm und wir sind bei etwa 100 Ω. Perfekt.

Beachten Sie, dass die effektiven Dielektrizitätskonstanten für den ungeraden und den geraden Modus unterschiedlich sind — 3,18 gegenüber 3,95. Der ungerade Modus „sieht“ weniger vom Substrat und mehr von der Abdeckung (Lötmaske), weshalb seine Wirksamkeit εr geringer ist. Im Modus „Gerade“ sieht man mehr Substrat, also ist er höher. Das ist genau das, was wir erwarten würden.

Beachten Sie auch die Übertragungsverzögerungen: Sie sind fast gleich (161,8 gegenüber 165,2 ps/Zoll), was sich positiv auf die Signalintegrität auswirkt. Wenn sie stark voneinander abweichen, würde es zu einer Verzerrung zwischen den Differenzsignalen kommen.

Häufige Fehler und Fallstricke

Vergessen wir, dass das Deckmaterial existiert. Ingenieure berechnen die Impedanz oft unter der Annahme, dass sich ein Mikrostreifen über einer unendlichen Grundfläche erstreckt, und ignorieren dabei die 25 μm der Lötmaske, die darauf sitzt. Diese Lötmaske hat εr = 3.5, was FR4 sehr ähnlich ist, aber es ist trotzdem wichtig. Schutzlackierung ( (εr = 3.0) ist weniger wichtig; Prepreg ( (εr = 4.2) ist genauso wichtig wie das Substrat. Verwechseln Sie den Abstand von Kante zu Kante mit dem Abstand von Mitte zu Mitte. Der Rechner berechnet den Abstand von Kante zu Kante. Bei Leiterbahnen von 5 mm mit einem Abstand von 8 mm von Kante zu Kante beträgt der Abstand von Mitte zu Mitte 5 + 8 + 5 = 18 mil. Geben Sie nicht versehentlich 18 mil als Abstand ein — das gibt Ihnen eine völlig falsche Antwort. Unter der Annahme, dass die Einzelleiterimpedanz der differentiellen Impedanz entsprechen sollte. Das sollte nicht der Fall sein. Eine einzelne Spur ohne ihren Partner ist ein anderes Ungeheuer. In unserem USB-Beispiel kam der Single-Trace bei 95,3 Ω, zurück, nicht 100 Ω. Das ist normal. Das Vorhandensein der gekoppelten Leiterbahn verschiebt die Impedanz. Es wird nicht überprüft, ob Sie sich im validierten Bereich befinden. Der Rechner gibt an, ob Ihre Geometrie innerhalb des Bereichs liegt, in dem die Gleichungen in geschlossener Form korrekt sind. Wenn Sie den Abstand auf 20 mil oder die Substrathöhe auf 5 mm erhöhen, beginnen die Formeln zu versagen. Wenn das Kennzeichen „Innerhalb des überprüften Bereichs“ als falsch zurückgegeben wird, trauen Sie den Zahlen nicht — Sie benötigen einen Feldlöser wie HFSS oder CST. Verschiebung der Übertragungsverzögerung wird ignoriert. Wenn sich die Verzögerungen im ungeraden und geraden Modus um mehr als ein paar Prozent unterscheiden, kommt es zu einer Verzerrung zwischen den Differenzsignalen. Das ist nicht immer ein Killer, aber es lohnt sich, darüber Bescheid zu wissen. Bei seriellen Hochgeschwindigkeitsverbindungen (PCIe, USB 3.1 usw.) sollten Sie den Wert nach Möglichkeit unter 5% halten. Bei „ohne Abdeckung“ wird wirklich Luft behandelt. Wenn Sie „keine Abdeckung“ angeben, geht der Rechner davon aus, dass εr = 1.0 über Ihren Spuren liegt. In Wirklichkeit gibt es immer etwas — auch wenn es sich nicht um eine Lötmaske handelt, dann ist da noch der Lötstopplack auf der Leiterplatte, Staub oder Feuchtigkeit. Für eine grobe Schätzung ist „kein Cover“ in Ordnung, aber verwetten Sie Ihr Design nicht darauf. Die Lötmaske geht während der Herstellung immer kaputt.

Wann sollte dieser Rechner im Vergleich zu anderen verwendet werden

Wenn Ihr Differentialpaar auf der Oberfläche der Leiterplatte verlegt ist und nichts darüber liegt, verwenden Sie stattdessen den Mikrostreifen-Impedanzrechner — das ist einfacher und verwirrt Sie nicht mit Deckmaterialien.

Wenn sich Ihre Leiterbahnen zwischen zwei Grundflächen befinden (Streifenleitung oder Doppelstreifenleitung), verwenden Sie den Streifenleiter-Rechner — die Feldverteilung ist völlig anders.

Wenn Ihre Leiterbahnen breitseitig gekoppelt sind (übereinander), verwenden Sie den Breitseiten-gekoppelten Paar-Rechner.

Verwenden Sie diesen, wenn Ihre Leiterbahnen kantengekoppelt sind und sich über ihnen definitiv eine dielektrische Abdeckung befindet. Dies ist der übliche Fall bei der Standardfertigung von Leiterplatten: Ihre Signale befinden sich in einer inneren Schicht oder der Oberflächenschicht und sind mit einer Lötmaske oder einem Prepreg bedeckt.

Praktische Designtipps

Fangen Sie konservativ an. Wenn Sie 100 Ω Differential benötigen, streben Sie im Rechner 98—102 Ω an. Bei der Herstellung von Leiterplatten gibt es Toleranzen: Die Leiterbahnbreite kann um ± 10% variieren, der Abstand kann abweichen, die Dielektrizitätskonstante variiert je nach Temperatur und Frequenz. Ein Spielraum von 2 Ω gibt Ihnen Luft zum Atmen.

Stellen Sie immer sicher, dass Ihre Single-Trace-Impedanz sinnvoll ist. Bei einer 5-mil-Leiterbahn in 0,2 mm Höhe auf FR4 würden Sie etwas im Bereich von 80—100 Ω 34 erwarten. Wenn der Taschenrechner 200 Ω, anzeigt, haben Sie irgendwo einen Einheitenfehler gemacht.

Wenn Sie für eine Spezifikation konstruieren, die einen Bereich zulässt (z. B. 85—115 Ω für einige Differenzstandards), verwenden Sie den Taschenrechner, um den Abstand zu ermitteln, der Sie in die Mitte dieses Bereichs bringt. Entwerfen Sie nicht für den Rand der Spezifikation — fertigungsbedingte Abweichungen führen dazu, dass Sie diesen Bereich überschreiten.

Für Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit (über 5 GHz oder sehr schnelle Anstiegszeiten) lassen Sie Ihre endgültige Geometrie durch einen Feldlöser laufen. Die Gleichungen in geschlossener Form sind für die meisten Zwecke genau genug, aber es handelt sich immer noch um Näherungswerte. Ein paar Stunden HFSS können Sie vor einem Resunboard bewahren.

Probiere es aus

Schnappen Sie sich ein Design, an dem Sie gerade arbeiten — oder denken Sie sich eines aus — und öffnen Sie den Edge-Coupled Embedded Microstrip Calculator. Wählen Sie Ihr Substrat (FR4 oder Rogers), Ihr Deckmaterial (eine Lötmaske ist die sichere Wahl) und beginnen Sie, die Leiterbahnbreite und den Abstand zu optimieren, bis Sie Ihre Zielimpedanz erreicht haben. Achten Sie auf die effektiven Dielektrizitätskonstanten und Übertragungsverzögerungen — sie sagen viel darüber aus, ob Ihr Design ausgewogen ist. Wenn die Modusverzögerungen im ungeraden und geraden Modus stark voneinander abweichen, wissen Sie, dass Sie den Abstand oder die Höhe anpassen müssen. Und überprüfen Sie immer die Markierung „Innerhalb des validierten Bereichs“, bevor Sie sich für ein Layout entscheiden.