Paires différentielles couplées aux bords : l'espacement est important

Qu'est-ce qu'un microruban intégré couplé aux bords, de toute façon ?

La microruban intégré couplé aux bords est un moyen d'acheminer des paires différentielles sur un circuit imprimé où les traces se situent entre un substrat diélectrique et une sorte de matériau de couverture : masque de soudure, revêtement conforme, préimprégné ou simplement de l'air. La partie « couplée par bords » signifie que les traces sont disposées côte à côte, leurs bords extérieurs étant séparés par un espace spécifique. Ceci est différent du couplage latéral (une trace au-dessus de l'autre) ou du microruban acheminé sur un plan de sol ouvert.

Pourquoi est-ce important ? Parce que le matériau de couverture au-dessus de vos traces change tout. La constante diélectrique de cette couverture, combinée au substrat ci-dessous, crée un environnement diélectrique efficace différent de celui que vous obtiendriez avec un simple microruban sur FR4. Si vous vous trompez, vos calculs d'impédance sont nuls, l'intégrité de votre signal en pâtit et vous vous retrouvez avec des réflexions qui détruisent votre liaison haut débit.

La plupart des ingénieurs ignorent complètement le matériau de couverture ou le considèrent comme une question secondaire. C'est une erreur. Le couvercle peut modifier votre impédance de 5 à 15 % en fonction de sa nature et de son épaisseur.

Comprendre la géométrie

Mettons en place le modèle mental. Vous avez un substrat, généralement du FR4 avec une constante diélectrique d'environ 4,2, bien que le Rogers RO4350B (3,48) soit courant dans le domaine des RF. Vos traces différentielles se trouvent dans ce substrat à une certaine profondeur par rapport à la surface supérieure. Au-dessus d'eux se trouve une couche de couverture : peut-être 25 μm de masque de soudure, 75 μm de revêtement conforme, 100 μm de préimprégné, ou rien du tout (juste de l'air).

La largeur des traces, l'espacement des traces (mesuré bord à bord, et non centre à centre), la hauteur du substrat et l'épaisseur de la couverture entrent tous dans le calcul de l'impédance. La constante diélectrique du couvercle est également importante : le masque de soudure est généralement de 3,5, le revêtement conforme de 3,0, le FR4 préimprégné d'environ 4,2 et l'air est de 1,0.

Voici l'essentiel : la distribution des champs autour de vos traces n'est pas uniforme. Une partie du champ électrique pénètre dans le substrat situé en dessous, une partie pénètre dans le couvercle supérieur et une partie rayonne dans l'air s'il n'y a pas de couverture. Le calculateur en tient compte en calculant séparément les constantes diélectriques effectives en mode impair et en mode pair, puis en dérivant l'impédance différentielle (ce qui vous intéresse pour votre liaison SerDes) et l'impédance en mode commun (qui est importante pour les interférences électromagnétiques).

Les mathématiques qui le sous-tendent

Le calculateur utilise des équations fermées (formules et variantes de Wadell) pour calculer les paramètres de la ligne de transmission. Pour les microrubans couplés aux bords, vous obtenez deux modes de propagation : impair et pair.

En mode impair, les deux traces transportent des courants égaux et opposés. Le champ électrique entre eux est fort et ils semblent plus étroitement couplés.

En mode paire, les traces transportent des courants égaux et en phase. Le champ est plus faible entre eux et le couplage est plus lâche.

L'impédance différentielle est dérivée du mode impair :

L'impédance du mode commun provient du mode pair :

Chacune de ces impédances dépend de la constante diélectrique effective observée dans ce mode, qui est une moyenne pondérée des diélectriques du substrat et de la couverture, pondérée par la quantité d'énergie de champ présente dans chaque région.

Le calculateur indique également l'impédance d'une seule trace, c'est-à-dire à quoi ressemblerait une trace sans son partenaire. Ceci est utile pour vérifier l'intégrité : si votre impédance à trace unique est très différente de celle à laquelle vous vous attendez pour un microruban autonome, c'est que quelque chose ne va pas avec votre géométrie.

Un exemple concret : 100 Ω Paire USB 3.0 différentielle

Concevons une paire différentielle pour un signal USB 3.0 haut débit. La spécification prévoit une impédance différentielle de 100 Ω 6 (± 10 %). Nous effectuons le routage sur une carte standard à 4 couches d'une épaisseur totale de 1,6 mm, d'un substrat de 0,2 mm sous notre couche de signal (FR4 (εr = 4.2) et d'un masque de soudure 25 μm sur le dessus.

Notre cuivre est de 1 oz (35 μm). Nous allons commencer par une supposition : largeur de trace de 5 mil, espacement bord à bord de 8 mil.

Ouvrez le calculateur de microruban intégré à couplage périphérique et branchez :

• Largeur du traçage : 5 mil (0,127 mm)
• Espacement des traces : 8 mil (0,203 mm)
• Hauteur du substrat : 0,2 mm (200 μm)
• Épaisseur de la couverture : 25 μm
• Type de couverture : masque à souder (3.5)
• Épaisseur du cuivre : 1 oz (35 μm)
• Substrat diélectrique : FR4 (4.2)

La calculatrice renvoie quelque chose comme :

• Impédance différentielle : 104,2 Ω
• Impédance en mode impair : 52,1 Ω
• Impédance en mode pair  : 198,5 Ω
• Trace unique sans partenaire : 95.3 Ω
• Mode impair effectif εr: 3.18
• Mode pair efficace εr: 3.95
• Délai de propagation (impair)  : 161,8 ps/pouce
• Délai de propagation (pair)  : 165,2 ps/pouce

Nous sommes au 104 Ω, ce qui est à peine en dehors de la fenêtre 90-110 Ω . Rendons l'espacement à 7 mil :

• Espacement des traces : 7 mil (0,178 mm)

Maintenant, nous obtenons environ 102 Ω. Mieux. Essayez un espacement de 6,5 mil et nous sommes à environ 100 Ω. Parfait.

Notez que les constantes diélectriques effectives des modes pair et impair sont différentes : 3,18 contre 3,95. Le mode impair « voit » moins le substrat et une plus grande partie du couvercle (masque de soudure), de sorte que son efficacité εr est plus faible. Le mode pair voit plus de substrat, donc il est plus élevé. C'est exactement ce à quoi nous nous attendions.

Notez également les délais de propagation : ils sont presque les mêmes (161,8 contre 165,2 ps/pouce), ce qui est bon pour l'intégrité du signal. S'ils divergeaient de manière significative, vous obtiendriez un biais entre les signaux différentiels.

Erreurs et pièges courants

Oublier l'existence du matériau de couverture Les ingénieurs calculent souvent l'impédance en supposant une microruban sur un plan de masse infini, sans tenir compte des 25 μm de masque de soudure posés sur le dessus. Ce masque de soudure a le εr = 3.5, ce qui est proche du FR4, mais cela compte toujours. Le revêtement conforme ( (εr = 3.0) est moins important ; le préimprégné ( (εr = 4.2) est tout aussi important que le substrat. Il y a confusion entre l'espacement bord à bord et l'espacement centre à centre. Le calculateur prend en compte l'espacement bord à bord. Si vous avez des traces de 5 mil avec un écart bord à bord de 8 mil, la distance centre à centre est de 5 + 8 + 5 = 18 mil. Ne branchez pas accidentellement 18 mil comme espacement, cela vous donnera une réponse complètement fausse. En supposant que l'impédance à trace unique corresponde à l'impédance différentielle. Cela ne devrait pas être le cas. Une seule trace sans son partenaire est une bête différente. Pour notre exemple USB, la trace unique est revenue à 95,3 Ω, et non à 100 Ω. C' est normal. La présence de la trace couplée modifie l'impédance. Ne vérifie pas si vous vous trouvez dans la plage validée. Le calculateur indique si votre géométrie se situe dans la plage où les équations à forme fermée sont précises. Si vous augmentez l'espacement à 20 mil ou la hauteur du substrat à 5 mm, les formules commencent à se décomposer. Si l'indicateur « Dans la plage validée » revient à faux, ne vous fiez pas aux chiffres : vous avez besoin d'un solveur de champs tel que HFSS ou CST. Ignorer l'asymétrie du délai de propagation. Si vos délais en mode pair et impair diffèrent de plus de quelques pour cent, vous obtiendrez un biais entre les signaux différentiels. Ce n'est pas toujours un tueur, mais ça vaut la peine de le savoir. Pour les liaisons série à haut débit (PCIe, USB 3.1, etc.), maintenez-le en dessous de 5 % si possible. Traiter « pas de couverture » comme de l'air. Si vous spécifiez « pas de couverture », le calculateur suppose εr = 1.0 au-dessus de vos traces. En réalité, il y a toujours quelque chose. Même s'il ne s'agit pas d'un masque de soudure, il y a le processus de résistance à la soudure des PCB, la poussière ou l'humidité. Pour une estimation approximative, « pas de couverture », c'est bien, mais ne pariez pas votre design dessus. Le masque de soudure tombera toujours en panne pendant la fabrication.

Quand utiliser cette calculatrice par rapport aux autres

Si votre paire différentielle est acheminée à la surface du circuit imprimé sans rien au-dessus, utilisez plutôt le calculateur d'impédance à microruban. C'est plus simple et ne vous confondra pas avec les matériaux de couverture.

Si vos traces se situent entre deux plans de sol (stripline ou double stripline), utilisez le calculateur de stripline : la distribution des champs est complètement différente.

Si vos traces sont couplées latéralement (l'une au-dessus de l'autre), utilisez le calculateur de paires couplées latéral.

Utilisez celui-ci lorsque vos traces sont couplées par les bords et qu'il y a certainement un couvercle diélectrique au-dessus d'elles. C'est le cas courant pour la fabrication de circuits imprimés standard : vos signaux se trouvent dans une couche interne ou dans la couche de surface, et ils sont recouverts d'un masque de soudure ou d'un préimprégné.

Conseils de conception pratiques

Commencez prudemment. Si vous avez besoin d'un différentiel de 100 Ω , visez 98—102 Ω dans la calculatrice. La fabrication de circuits imprimés réels comporte des tolérances : la largeur des traces peut varier de ± 10 %, l'espacement peut varier, la constante diélectrique varie en fonction de la température et de la fréquence. Une marge de 2 Ω vous laisse une marge de manœuvre.

Vérifiez toujours que votre impédance à trace unique est logique. Pour une trace de 5 mil à 0,2 mm de hauteur sur FR4, on peut s'attendre à un résultat compris entre 80 et 100 Ω . Si la calculatrice indique 200 Ω, vous avez commis une erreur d'unité quelque part.

Si vous concevez pour une spécification qui autorise une plage (par exemple 85—115 Ω pour certaines normes différentielles), utilisez le calculateur pour trouver l'espacement qui vous place au milieu de cette plage. Ne concevez pas à la limite des spécifications, car les variations de fabrication vous pousseront à vous en sortir.

Pour les travaux à haute vitesse (supérieurs à 5 GHz ou temps de montée très rapides), exécutez votre géométrie finale à l'aide d'un solveur de champ. Les équations de forme fermée sont suffisamment précises pour la plupart des applications, mais elles restent des approximations. Quelques heures passées en HFSS peuvent vous éviter un respun board.

Essayez-le

Choisissez un design sur lequel vous travaillez, ou imaginez-en un, et ouvrez le calculateur de microruban intégré à couplage périphérique. Choisissez votre substrat (FR4 ou Rogers), votre matériau de couverture (le masque de soudure est la solution la plus sûre) et commencez à ajuster la largeur et l'espacement des traces jusqu'à ce que vous atteigniez votre impédance cible. Faites attention aux constantes diélectriques et aux délais de propagation effectifs : ils vous en disent long sur l'équilibre de votre conception. Si les délais du mode pair et impair divergent considérablement, vous savez que vous devez ajuster l'espacement ou la hauteur. Et cochez toujours l'indicateur « Dans les limites de la plage validée » avant de vous engager dans une mise en page.