Pares diferenciais acoplados a bordas: o espaçamento é importante

O que é microfita embutida com acoplamento de borda, afinal?

A microfita embutida acoplada à borda é uma forma de rotear pares diferenciais em um PCB onde os traços ficam entre um substrato dielétrico e algum tipo de material de cobertura - máscara de solda, revestimento isolante, pré-impregnado ou apenas ar. A parte “acoplada por borda” significa que os traços correm lado a lado, com suas bordas externas separadas por uma lacuna específica. Isso é diferente de acoplamento lateral largo (um traço acima do outro) ou microfita roteada sobre um plano de terra aberto.

Por que isso importa? Porque o material da capa acima de seus traços muda tudo. A constante dielétrica dessa cobertura, combinada com o substrato abaixo, cria um ambiente dielétrico eficaz que é diferente do que você obteria com uma microfita simples no FR4. Se errar, seus cálculos de impedância são inúteis, a integridade do sinal é prejudicada e você acaba com reflexos que matam seu link de alta velocidade.

A maioria dos engenheiros ignora completamente o material da capa ou o trata como uma reflexão tardia. Isso é um erro. A tampa pode mudar sua impedância em 5 a 15%, dependendo do que é e da espessura.

Compreendendo a geometria

Vamos configurar o modelo mental. Você tem um substrato — normalmente FR4 com uma constante dielétrica em torno de 4,2, embora Rogers RO4350B (3,48) seja comum em trabalhos de RF. Seus traços diferenciais ficam nesse substrato a uma certa profundidade da superfície superior. Acima deles está uma camada de cobertura: talvez 25 μm de máscara de solda, 75 μm de revestimento isolante, 100 μm de pré-impregnado ou nada (apenas ar).

A largura do traço, o espaçamento do traçado (medido de borda a borda, não do centro ao centro), a altura do substrato e a espessura da cobertura contribuem para o cálculo da impedância. A constante dielétrica da tampa também é importante — a máscara de solda é normalmente 3,5, o revestimento isolante 3,0, o FR4 pré-impregnado é cerca de 4,2 e o ar é 1,0.

Aqui está a visão principal: a distribuição do campo em torno de seus traços não é uniforme. Parte do campo elétrico penetra no substrato abaixo, parte vai para a cobertura acima e parte irradia para o ar se não houver cobertura. A calculadora explica isso calculando separadamente as constantes dielétricas efetivas do modo ímpar e do modo par e, em seguida, derivando a impedância diferencial (o que é importante para o link SerDes) e a impedância do modo comum (que é importante para EMI).

A matemática por trás disso

A calculadora usa equações fechadas (fórmulas e variantes de Wadell) para calcular os parâmetros da linha de transmissão. Para microfita acoplada com borda, você obtém dois modos de propagação: ímpar e par.

No modo ímpar, os dois traços carregam correntes iguais e opostas. O campo elétrico entre eles é forte e eles parecem mais fortemente acoplados.

No modo par, os traços transportam correntes iguais e em fase. O campo é mais fraco entre eles e o acoplamento é mais frouxo.

A impedância diferencial é derivada do modo ímpar:

A impedância do modo comum vem do modo par:

Cada uma dessas impedâncias depende da constante dielétrica efetiva vista nesse modo, que é uma média ponderada dos dielétricos do substrato e da cobertura, ponderada pela quantidade de energia de campo existente em cada região.

A calculadora também mostra a impedância de traço único — como seria a aparência de um traço sem seu parceiro. Isso é útil para verificar a integridade: se sua impedância de traço único estiver muito diferente do que você esperaria de uma microfita independente, algo está errado com sua geometria.

Um exemplo do mundo real: par USB 3.0 diferencial de 100 Ω

Vamos projetar um par diferencial para um sinal USB 3.0 de alta velocidade. A especificação exige uma impedância diferencial de 100 Ω ( ± 10%). Estamos roteando em uma placa padrão de 4 camadas com 1,6 mm de espessura total, 0,2 mm de substrato sob nossa camada de sinal, FR4 (εr = 4,2) e máscara de solda de 25 μm ″ na parte superior.

Nosso cobre é de 1 onça (35 μm). 9). Começaremos com uma estimativa: 5 mil de largura de traço, 8 mil de espaçamento de borda a borda.

Abra a calculadora de microfita embutida Edge-Coupled e conecte:

• Largura do traço: 5 mil (0,127 mm)
• Espaçamento entre traços: 8 mil (0,203 mm)
• Altura do substrato: 0,2 mm (200 μm)
• Espessura da capa: 25 μm
• Tipo de capa: máscara de solda (3.5)
• Espessura de cobre: 1 oz (35 μm)
• Substrato dielétrico: FR4 (4.2)

A calculadora retorna algo como:

• Impedância diferencial: 104,2 Ω
• Impedância de modo ímpar: 52,1 Ω
• Impedância em modo paral: 198,5 Ω
• Traço único sem parceiro: 95,3 Ω
• Modo ímpar efetivo εr: 3.18
• Modo uniforme efetivo εr: 3.95
• Atraso de propagação (ímpar) : 161,8 ps/polegada
• Atraso de propagação (uniforme) : 165,2 ps/polegada

Estamos em 104 Ω, que mal sai da janela 90—110 Ω 20 . Vamos reduzir o espaçamento para 7 mil:

• Espaçamento entre traços: 7 mil (0,178 mm)

Agora temos aproximadamente 102 Ω. Better. Experimente um espaçamento de 6,5 mil e chegaremos a cerca de 100 Ω. Perfeito.

Observe que as constantes dielétricas efetivas do modo par e ímpar são diferentes — 3,18 versus 3,95. O modo ímpar “vê” menos do substrato e mais da cobertura (máscara de solda), então sua efetiva εr é menor. O modo uniforme vê mais substrato, então é maior. Isso é exatamente o que esperávamos.

Observe também os atrasos de propagação: eles são quase os mesmos (161,8 versus 165,2 ps/polegada), o que é bom para a integridade do sinal. Se eles divergissem significativamente, você obteria uma distorção entre os sinais diferenciais.

Erros e pegadinhas comuns

Esquecendo que o material da capa existe. Os engenheiros geralmente calculam a impedância assumindo uma microfita sobre um plano terrestre infinito, ignorando a máscara de solda de 25 μm de colocada na parte superior. Essa máscara de solda tem εr = 3.5, que é próximo ao FR4, mas ainda é importante. O revestimento conforme ( (εr = 3.0) importa menos; prepreg (εr = 4.2) importa tanto quanto o substrato. Espaçamento confuso de borda a borda com espaçamento de centro a centro. A calculadora usa espaçamento de borda a borda. Se você tiver 5 mil traços com 8 mil de lacuna de borda a borda, a distância de centro a centro é de 5 + 8 + 5 = 18 mil. Não insira acidentalmente 18 mil como espaçamento — isso lhe dará uma resposta completamente errada. Supondo que a impedância de traço único deva corresponder à impedância diferencial. Não deveria. Um único rastro sem seu parceiro é uma fera diferente. Para nosso exemplo de USB, o traço único voltou a 95,3 Ω, não 100 Ω. Isso é normal. A presença do traço acoplado muda a impedância. Não está verificando se você está na faixa validada. A calculadora sinaliza se sua geometria está dentro da faixa em que as equações de forma fechada são precisas. Se você aumentar o espaçamento para 20 mil ou a altura do substrato para 5 mm, as fórmulas começarão a se decompor. Se o sinalizador “Dentro do intervalo validado” voltar a ser falso, não confie nos números — você precisa de um solucionador de campo como HFSS ou CST. Ignorando a distorção do atraso de propagação. Se os atrasos do modo par e ímpar diferirem em mais de alguns por cento, você obterá uma distorção entre os sinais diferenciais. Isso nem sempre é um assassino, mas vale a pena conhecer. Para links seriais de alta velocidade (PCIe, USB 3.1 etc.), mantenha-o abaixo de 5%, se possível. Tratar “sem cobertura” como se fosse um verdadeiro ar/ Se você especificar “sem cobertura”, a calculadora assumirá que está εr = 1.0 acima de seus traços. Na realidade, sempre há algo — mesmo que não seja uma máscara de solda, há o processo de resistência à solda de PCB, poeira ou umidade. Para uma estimativa aproximada, “sem capa” é bom, mas não aposte seu design nisso. A máscara de solda sempre cairá durante a fabricação.

Quando usar esta calculadora versus outras

Se o seu par diferencial for direcionado na superfície do PCB sem nada acima dele, use a calculadora de impedância de microfita em vez disso - é mais simples e não confundirá você com materiais de cobertura.

Se seus traços estiverem entre dois planos terrestres (listras ou listras duplas), use acalculadora de listras — a distribuição do campo é completamente diferente.

Se seus traços estiverem acoplados de lado largo (um acima do outro), use acalculadora de pares de acoplamento largo.

Use este quando seus traços estiverem acoplados nas bordas e houver definitivamente uma tampa dielétrica acima deles. Esse é o caso comum da fabricação padrão de PCBs: seus sinais estão em uma camada interna ou superficial e são cobertos por uma máscara de solda ou pré-impregnado.

Dicas práticas de design

Comece de forma conservadora. Se você precisar de um diferencial de 100 Ω , escolha 98—102 Ω na calculadora. A fabricação real de PCBs tem tolerâncias: a largura do traço pode variar ± 10%, o espaçamento pode variar, a constante dielétrica varia com a temperatura e a frequência. Uma margem de 2 Ω ″ oferece espaço para respirar.

Sempre verifique se sua impedância de traço único faz sentido. Para um traçado de 5 mil a 0,2 mm de altura no FR4, você esperaria algo na faixa de 80—100 Ω . Se a calculadora diz 200 Ω, você cometeu um erro unitário em algum lugar.

Se você estiver projetando para uma especificação que permita um intervalo (como 85—115 Ω para alguns padrões diferenciais), use a calculadora para encontrar o espaçamento que o coloca no meio desse intervalo. Não projete de acordo com os limites da especificação — as variações na fabricação o afastarão da concorrência.

Para trabalhos em alta velocidade (acima de 5 GHz ou tempos de subida muito rápidos), execute sua geometria final por meio de um solucionador de campo. As equações de forma fechada são precisas o suficiente para a maioria dos propósitos, mas ainda são aproximações. Algumas horas no HFSS podem te salvar de uma placa de resposta.

Experimente

Pegue um design em que você está trabalhando — ou sonhe com um — e abra a Calculadora de microfita embutida Edge-Coupled. Escolha seu substrato (FR4 ou Rogers), seu material de cobertura (máscara de solda é a aposta segura) e comece a ajustar a largura e o espaçamento do traço até atingir a impedância alvo. Preste atenção às constantes dielétricas efetivas e aos atrasos de propagação — eles dizem muito sobre se seu projeto está equilibrado. Se os atrasos dos modos par e ímpar divergirem muito, você sabe que precisa ajustar o espaçamento ou a altura. E sempre verifique o sinalizador “Dentro do intervalo validado” antes de se comprometer com um layout.